Modelado, simulación y control de un péndulo invertido rotativo: un enfoque de control basado en aprendizaje por refuerzo
Autores: Hernandez, Ruben; Garcia-Hernandez, Ramon; Jurado, Francisco
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Modelado, simulación y control de un péndulo invertido rotativo: un enfoque de control basado en aprendizaje por refuerzo
Categoría
Procesos industriales
Subcategoría
Simulación de procesos industriales
Palabras clave
Modelado
Simulación
Control
Péndulo invertido rotativo
Simscape
Inteligencia artificial
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 25
Citaciones: Sin citaciones
En este documento, abordamos el modelado, la simulación y el control de un péndulo invertido rotativo (RIP). El modelo de RIP ensamblado a través del entorno MATLAB (Matlab 2021a) / Simulink (Simulink 10.3) Simscape (Simscape 7.3) (tm) demuestra un alto grado de fidelidad en su capacidad para capturar las características dinámicas de un sistema real, incluida la fricción no lineal. El modelo matemático del RIP se obtiene a través del enfoque de Euler-Lagrange, y se lleva a cabo un procedimiento de identificación de parámetros sobre el modelo de Simscape con el propósito de validar el modelo matemático. La utilidad del modelo propuesto de Simscape se demuestra mediante la implementación de una variedad de estrategias de control, incluidos controladores lineales como el regulador cuadrático lineal (LQR), proporcional-integral-derivativo (PID) y control predictivo de modelos (MPC), controladores no lineales como la linealización por realimentación (FL) y el control por modo deslizante (SMC), y controladores basados en inteligencia artificial (IA) como FL con compensación adaptativa de redes neuronales (FL-ANC) y aprendizaje por refuerzo (RL). Se propone una metodología de diseño que integra RL con otras técnicas de control. Siguiendo la metodología propuesta, se implementan un FL-RL y un control proporcional-derivativo con RL (PD-RL) como estrategias para lograr la estabilización del RIP. El control de swing-up se incorpora en todos los controladores. El entorno visual proporcionado por Simscape facilita una mejor comprensión y entendimiento del comportamiento del RIP. Se lleva a cabo un análisis exhaustivo del rendimiento de cada estrategia de control, revelando que los controladores basados en IA demuestran un rendimiento superior en comparación con los controladores lineales y no lineales. Además, los controladores FL-RL y PD-RL muestran un rendimiento mejorado con respecto a los controladores FL-ANC y RL cuando se ven sometidos a perturbaciones externas.
Descripción
En este documento, abordamos el modelado, la simulación y el control de un péndulo invertido rotativo (RIP). El modelo de RIP ensamblado a través del entorno MATLAB (Matlab 2021a) / Simulink (Simulink 10.3) Simscape (Simscape 7.3) (tm) demuestra un alto grado de fidelidad en su capacidad para capturar las características dinámicas de un sistema real, incluida la fricción no lineal. El modelo matemático del RIP se obtiene a través del enfoque de Euler-Lagrange, y se lleva a cabo un procedimiento de identificación de parámetros sobre el modelo de Simscape con el propósito de validar el modelo matemático. La utilidad del modelo propuesto de Simscape se demuestra mediante la implementación de una variedad de estrategias de control, incluidos controladores lineales como el regulador cuadrático lineal (LQR), proporcional-integral-derivativo (PID) y control predictivo de modelos (MPC), controladores no lineales como la linealización por realimentación (FL) y el control por modo deslizante (SMC), y controladores basados en inteligencia artificial (IA) como FL con compensación adaptativa de redes neuronales (FL-ANC) y aprendizaje por refuerzo (RL). Se propone una metodología de diseño que integra RL con otras técnicas de control. Siguiendo la metodología propuesta, se implementan un FL-RL y un control proporcional-derivativo con RL (PD-RL) como estrategias para lograr la estabilización del RIP. El control de swing-up se incorpora en todos los controladores. El entorno visual proporcionado por Simscape facilita una mejor comprensión y entendimiento del comportamiento del RIP. Se lleva a cabo un análisis exhaustivo del rendimiento de cada estrategia de control, revelando que los controladores basados en IA demuestran un rendimiento superior en comparación con los controladores lineales y no lineales. Además, los controladores FL-RL y PD-RL muestran un rendimiento mejorado con respecto a los controladores FL-ANC y RL cuando se ven sometidos a perturbaciones externas.