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Título: Projeto de um controlador preditivo baseado em modelo aplicado ao pêndulo invertido
Título(s) alternativo(s): Design of a model predictive controller applied to the inverted pendulum
Autor(es): Ferreira, Delcir Alves
Orientador(es): Dietrich, José Dolores Vergara
Palavras-chave: Controladores PID
Otimização matemática
Perturbação (Matemática)
PID controllers
Mathematical optimization
Perturbation (Mathematics)
Data do documento: 24-Jun-2022
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Toledo
Citação: FERREIRA, Delcir Alves. Projeto de um controlador preditivo baseado em modelo aplicado ao pêndulo invertido. 2022. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Eletrônica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Toledo, 2022.
Resumo: Na área de controle de processos, o controlador mais difundido na indústria é o chamado controlador PID. Sua simplicidade e bons resultados fizeram dele o controlador mais implementado desde a sua concepção. Porém, estratégias de controle avançado se fazem necessárias em casos mais complexos ou que devam levar outros critérios em consideração, além de seguir referência e rejeitar perturbações. Uma família de controladores que utiliza critérios de otimização é a família de controladores MPC (Controladores Preditivos Baseados em Modelo) cujas características e vantagens vem se sobressaindo dentro da área de controle de processos. Este trabalho explora as diferenças de desempenho entre um controlador PID clássico e um controlador MPC, este último considerado como estratégia de controle avançado, aplicados ao sistema chamado de pêndulo invertido, sistema utilizado comumente para testar desempenho de controladores devido à sua característica instável. Os resultados foram obtidos em ambiente simulado e mostram que ambos os controladores têm desempenho semelhante. No entanto, quando o sistema está sujeito a perturbações e limitações na ação de controle notou-se que o controlador MPC faz frente a essas situações com desempenho melhor, inclusive pelo fato do controlador PID necessitar de dois controladores separados para controlar o ângulo do pêndulo e a posição 𝑥 do carro, enquanto que o MPC é um controlador que pode lidar facilmente com multiobjetivos, incluindo-os diretamente na função custo a ser minimizada pelo otimizador.
Abstract: In the area of process control, the most widespread controller in the industry is the so-called PID controller. Its simplicity and good results made it the most implemented controller since its conception. However, advanced control strategies are necessary in more complex cases or cases that must take other criteria into account, in addition to seeking reference and rejecting disturbances. A family of controllers that use optimization criteria is the MPC controller family (Model-Based Predictive Controllers) whose characteristics and advantages have been standing out within the process control area. This work explores the performance differences between a classic PID controller and an MPC controller, the latter considered to be an advanced control strategy, applied to the system called inverted pendulum, a system commonly used to test controller performance due to its unstable characteristic. The results were obtained in a simulated environment and show that both controllers have similar performance. However, when the system is subject to disturbances and limitations in the control action, it was noticed that the MPC controller copes with these situations with better results, including the fact that the PID controller needs two separate controllers to control the pendulum angle and the position 𝑥 of the car, while the MPC is a controller that can easily handle multi-objectives, including them directly in the cost function to be minimized by the optimizer.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31449
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