Energy-Based Control for the Cart-Pole System in Implicit Port-Hamiltonian Representation

This master thesis is devoted to the design, analysis, and experimental validation of an energy-based control strategy for the well-known benchmark cart-pole system in implicit Port-Hamiltonian (PH) representation. The control scheme performs two tasks: swingup and (local) stabilization. The swing-up controller is carried out on the basis of a generalized energy function and consists of bringing the pendulum trajectories from the lower (stable) position to a limit cycle (homoclinic orbit), which passes by the upright (unstable) position, as well as the cart trajectories to the desired point. The (local) stabilizing controller is designed under a novel algebraic Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control (IDA-PBC) technique and ensures the upright (asymptotic) stabilization of the pendulum as well as the cart at a desired position. To illustrate the effectiveness of the proposed control scheme, this work presents simulations and real-time experiments considering physical damping, i.e., viscous friction. The results are additionally contrasted with another energy-based control strategy for the cart-pole system in explicit Euler-Lagrange (EL) representation.Diese Masterarbeit widmet sich dem Entwurf, der Analyse und der experimentellen Validierung einer energiebasierten Regelstrategie für das bekannte Benchmarksystem des inversen Pendels auf einem Wagen in impliziter Port-Hamiltonscher (PH) Darstellung. Das Regelungssystem erfüllt zwei Aufgaben: das Aufschwingen und (lokale) Stabilisierung. Das Aufschwingen erfolgt auf Grundlage der generalisierten Energiefunktion und besteht darin, sowohl die Trajektorien des Pendels von der unteren (stabilen) Position in einen Grenzzyklus (homokliner Orbit) zu bringen, wobei die (instabile) aufrechte Lage passiert wird, als auch den Wagen in einer gewünschten Position einzustellen. Die (lokale) Regelung zur Stabilisierung ist nach einer neuartigen algebraischen Interconnection and Damping Assignment Passivity-Based Control (IDA-PBC) Methode konzipiert und gewährleistet die aufrechte (asymptotische) Stabilisierung des Pendels sowie die Positionierung des Wagens an einem gewünschten Referenzpunkt. Um die Funktionalität des entworfenen Regelungssystems zu veranschaulichen, werden in dieser Masterarbeit Simulationen und Echtzeit-Experimente unter Berücksichtigung der physikalischen Dämpfung, d.h. der viskosen Reibung, vorgestellt. Die Ergebnisse werden zusätzlich mit einem weiteren energiebasierten Regelungsansatz für das System des inversen Pendels auf einem Wagen in expliziter Euler-Lagrange (EL) Darstellung verglichen.Tesi

Desarrollo de una plataforma de simulación y control basado en el modelamiento de un robot articular de cinco grados de libertad para fines académicos

La Escuela de Ingeniería Electrónica de UPC enfrenta la limitada disponibilidad de equipos de robótica, con los cuales los estudiantes puedan desarrollar experiencias en clases y laboratorios para afianzar sus conocimientos con valiosas experiencias prácticas. Ante esta situación, se propone desarrollar una plataforma virtual de simulación y control de robots, la cual mejorará la calidad de enseñanza de los estudiantes brindándoles una mejor comprensión de los temas tratados en el curso de Robótica e Inteligencia Artificial, mediante experiencias prácticas con un robot programable de cinco grados de libertad. El presente trabajo reporta el desarrollo de un software visual, en el cual se ha tomado como caso de estudio un robot manipulador AL5D de Lynxmotion. Se adopta la metodología de diseño de plataformas de realidad virtual, utilizando Matlab como entorno de desarrollo para simular y ejecutar secuencias de movimientos en el robot. Los modelos matemáticos resueltos del manipulador son implementados y probados, a fin de analizar y mejorar los algoritmos de Cinemática Directa, Cinemática Inversa y Control Cinemático, que serán enviados al robot para su posterior puesta en marcha. La plataforma de simulación y control desarrollada se utiliza como una herramienta educativa para mejorar las oportunidades de investigación aplicada y experimental. De esta forma, lograr enriquecer la currícula del curso de Robótica e Inteligencia Artificial en UPC.UPC’s Electronic Engineering School faces limited availability of expensive robotics equipments, with which students can experiment in laboratories to improve their knowledge with valuable practical experiences. For this reason, a virtual simulation and control platform is developed. This platform will improve the quality of teaching provided to students giving them a better undestanding of the Robotics and Artificial Intelligence course, through practical experiences with a programmable five degrees of freedom robotic arm.Tesi