Multipurpose digital stabilization of Furuta pendulum

Abstract

В последние годы существенное внимание в научных исследованиях уделяется методам синтеза законов управления для нелинейных систем. При этом не существует универсального метода, который бы позволял единообразно решать задачи для широких классов из возможных практических ситуаций. Наиболее часто среди движений нелинейных систем рассматриваются положения равновесия, неустойчивые без управления. Их стабилизация является одним из обязательных требований, которые предъявляются к синтезируемому управлению. При этом реальные условия работы регулятора требуют учета воздействия на замкнутую нелинейную систему внешних возмущений, порождаемых средой, в которой функционирует объект. В современных информационных системах основную роль играют цифровые вычислительные средства, осуществляющие основные функции по сбору, хранению, обработке и передаче информации. Цифровой характер работы подразумевает дискретность потоков информации по времени. В силу таких условий реального функционирования объекта возникает задача синтеза цифрового регулятора для динамических нелинейных систем. В качестве нелинейного объекта для исследования, анализа и верификации различных идей, подходов и методов синтеза часто рассматривается так называемый маятник Фуруты, который требует особого подхода для построения управления. Данная работа является продолжением исследовательской работы, начатой в бакалавриате. Здесь для стабилизации маятника применён многоцелевой подход к синтезу обратной связи, ранее практически не использовавшийся для нелинейных объектов с различными режимами функционирования.

In recent years, considerable attention has been paid to the methods of synthesis of control laws for nonlinear systems. At the same time, there is no universal method that would allow us to solve problems uniformly for wide classes of possible practical situations. Among the motions of nonlinear systems, equilibrium positions that are unstable without control are considered most often. Their stabilization is one of the mandatory requirements that are imposed on the synthesized control. At the same time, the actual operating conditions of the controller require taking into account the impact on a closed nonlinear system of external disturbances generated by the environment in which the object operates. In modern information systems, the main role is played by digital computing tools that perform the main functions of collecting, storing, processing and transmitting information. The digital nature of the work implies the discreteness of information flows over time. Due to such conditions of the real functioning of the object, the task of synthesizing a digital controller for dynamic nonlinear systems arises. As a nonlinear object for research, analysis and verification of various ideas, approaches and methods of synthesis, the so-called Furuta pendulum is often considered, which requires a special approach to the construction of control. This work is a continuation of the research work started in the bachelor's degree. Here, to stabilize the pendulum, a multi-purpose approach to feedback synthesis was applied, which was previously practically not used for nonlinear objects with different modes of operation.