Análisis de una ley de fuerza de fricción seca para el control óptimo covariante de sistemas mecánicos con juntas rotativas
Autores: Rojas-Quintero, Juan Antonio; Dubois, François; Ramírez-de-Ávila, Hedy César; Bugarin, Eusebio; Sánchez-García, Bruno; Cazarez-Castro, Nohe R.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Análisis de una ley de fuerza de fricción seca para el control óptimo covariante de sistemas mecánicos con juntas rotativas
Categoría
Matemáticas
Subcategoría
Matemáticas generales
Palabras clave
Contribución
Procedimiento de control óptimo geométrico
Problema de generación de trayectorias
Sistemas mecánicos
Articulaciones de revolución
Fricción a nivel de articulación
Función de disipación de Rayleigh
Potencial de Rayleigh
Fuerzas de fricción
Procedimiento de control óptimo
Energía consumida
Principio de Pontryagin
Control de seguimiento de trayectorias
Fuerzas de fricción a nivel de articulación
Etapa de modelado
Rendimiento
Licencia
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Citaciones: Sin citaciones
Esta contribución muestra un procedimiento de control óptimo geométrico para resolver el problema de generación de trayectorias para la navegación (movimiento genérico) de sistemas mecánicos con articulaciones de revolución. El sistema mecánico se analiza como un sistema Lagrangiano no lineal afectado por fricción seca a nivel de la articulación. Se utiliza la función de disipación de Rayleigh para modelar este efecto disipativo de la fricción a nivel de la articulación, considerándola como un potencial. El potencial de Rayleigh es una cantidad escalar invariante de la cual derivan las fuerzas de fricción y se representan mediante un modelo suave que se acerca a la ley tradicional de Coulomb en nuestra propuesta. Para el procedimiento de control óptimo, se forma una función de costo invariante con las ecuaciones de movimiento y una métrica de Riemann. El objetivo es minimizar la energía consumida por unidad de tiempo del sistema. Las ecuaciones de control covariantes se obtienen aplicando el principio de Pontryagin, e integrándolas en el tiempo utilizando un solucionador basado en el Método de Elementos Finitos. La solución obtenida es una trayectoria óptima que luego se aplica a un sistema mecánico utilizando un controlador proporcional-derivativo más feedforward para garantizar el problema de seguimiento de trayectoria de control. Las simulaciones y experimentos confirman que incluir fuerzas de fricción a nivel de la articulación en la etapa de modelado del procedimiento de control óptimo mejora el rendimiento, en comparación con escenarios donde la fricción no se tiene en cuenta, o cuando se realiza una compensación de fricción a nivel de retroalimentación durante el control de movimiento.
Descripción
Esta contribución muestra un procedimiento de control óptimo geométrico para resolver el problema de generación de trayectorias para la navegación (movimiento genérico) de sistemas mecánicos con articulaciones de revolución. El sistema mecánico se analiza como un sistema Lagrangiano no lineal afectado por fricción seca a nivel de la articulación. Se utiliza la función de disipación de Rayleigh para modelar este efecto disipativo de la fricción a nivel de la articulación, considerándola como un potencial. El potencial de Rayleigh es una cantidad escalar invariante de la cual derivan las fuerzas de fricción y se representan mediante un modelo suave que se acerca a la ley tradicional de Coulomb en nuestra propuesta. Para el procedimiento de control óptimo, se forma una función de costo invariante con las ecuaciones de movimiento y una métrica de Riemann. El objetivo es minimizar la energía consumida por unidad de tiempo del sistema. Las ecuaciones de control covariantes se obtienen aplicando el principio de Pontryagin, e integrándolas en el tiempo utilizando un solucionador basado en el Método de Elementos Finitos. La solución obtenida es una trayectoria óptima que luego se aplica a un sistema mecánico utilizando un controlador proporcional-derivativo más feedforward para garantizar el problema de seguimiento de trayectoria de control. Las simulaciones y experimentos confirman que incluir fuerzas de fricción a nivel de la articulación en la etapa de modelado del procedimiento de control óptimo mejora el rendimiento, en comparación con escenarios donde la fricción no se tiene en cuenta, o cuando se realiza una compensación de fricción a nivel de retroalimentación durante el control de movimiento.