Dinamica e Progetto di un Sistema di Controllo a Doppio Anello per un Pendolo di Furuta

Abstract

Il presente lavoro di tesi affronta la modellazione dinamica e il controllo del Pendolo Inverso Rotante (pendolo di Furuta), un sistema sottoattuato ideale per testare strategie di controllo automatico. Inizialmente viene fornita una breve panoramica dello sviluppo storico dei sistemi a pendolo inverso e vengono confrontati differenti approcci alla modellazione del sistema. Il modello è stato confrontato con il setup di laboratorio e, a partire dalle equazioni di Eulero-Lagrange, la dinamica è stata linearizzata attorno al punto d'equilibrio instabile. Per risolvere il problema del drift del braccio causato dalla cancellazione di poli nell'origine è stato progettato un controllo a doppio anello: l'anello interno stabilizza l'asta, quello esterno regola la posizione del braccio. Le simulazioni effettuate in ambiente MATLAB e Simulink dimostrano la capacità del sistema di mantenere l'equilibrio e di rispondere prontamente ai disturbi, evidenziando la stabilità e le prestazioni della strategia di controllo adottata.

This thesis focuses on the dynamic modeling and control of the Rotary Inverted Pendulum (Furuta Pendulum), an underactuated system that provides an ideal platform for testing automatic control strategies. Initially, a brief overview of the historical development of inverted pendulum systems is provided, along with a comparison of different approaches to system modeling. The model was compared with the laboratory setup and, starting from the Euler–Lagrange equations, the system dynamics were linearized around the unstable equilibrium point. To address the arm drift caused by pole cancellation at the origin, a double-loop control strategy was designed: the inner loop stabilizes the pendulum, while the outer loop regulates the arm position. Simulations carried out in MATLAB and Simulink demonstrate the system's ability to maintain equilibrium and respond promptly to disturbances, highlighting the stability and performance of the adopted control strategy.