Equilibrar lo desequilibrado: La historia del proyecto del péndulo invertido
¿Ha visto alguna vez una escoba en equilibrio sobre el dedo de alguien? Esa es la idea que hay detrás de uno de los retos más complicados y geniales de la ingeniería: el péndulo invertido. El problema del péndulo invertido no es sólo un acto de equilibrio: es un excelente ejemplo de los sistemas de control del mundo real, que enseña a los ingenieros en ciernes cómo estabilizar cosas que naturalmente quieren caerse. Aunque la mayoría de los estudiantes de ingeniería sólo se enfrentan a este problema en clase, un equipo de estudiantes de la Universidad de Rhode Island (URI) y la Universidad Técnica de Darmstadt (TU) lo han llevado más lejos. Lo llevaron a la práctica diseñando, construyendo y aplicando un sistema de péndulo invertido en dos instalaciones idénticas situadas en continentes distintos y trabajando juntos virtualmente.
El objetivo del proyecto era crear un sistema de péndulo invertido que sirviera de plataforma de lanzamiento para estudios de sistemas de control, proyectos futuros e investigación conjunta. Imagínatelo: un banco de pruebas que es una mina de oro para experimentar con teorías y técnicas de control que algún día podrían ayudar a estabilizar sistemas más complejos, desde robots a drones.
¿Por qué el péndulo invertido?
El péndulo invertido es uno de los favoritos de los teóricos del control. Es inestable por naturaleza (a diferencia del típico péndulo que cuelga y oscila de forma predecible). Este sistema requiere una corrección constante para mantener el equilibrio, un reto divertido pero difícil que refleja los problemas de control de la vida real. Controlando el ángulo y la posición del péndulo mediante sensores, el controlador del sistema realiza pequeños ajustes en un actuador que mueve el carro que sostiene el péndulo. Este circuito de retroalimentación permite a los ingenieros mantener el péndulo estable.
Gracias a su comportamiento no lineal e impredecible, el péndulo es perfecto para probar estrategias de control de vanguardia.
Sentar las bases: Diseño preliminar
Antes de ponerse manos a la obra, los equipos de URI y TU definieron sus objetivos de diseño y los requisitos del sistema. Enumeraron todo lo que querían que consiguiera el sistema y cómo debía comportarse en acción. He aquí algunos objetivos clave:
- Especificaciones de rendimiento: El controlador de retroalimentación de estado tenía que mantener el péndulo dentro de unos márgenes de estabilidad estrechos y cumplir criterios como el margen de fase, el margen de ganancia y la robustez.
- Estabilidad pendular: Mantener una posición vertical dentro de ±2° y permanecer dentro de ±50 mm de la posición inicial, incluso después de empujes moderados.
- Flexibilidad del controlador: El sistema debía admitir varios tipos de control.
- Especificaciones de construcción: Garantizaron un recorrido mínimo de los raíles, requisitos de potencia compatibles y materiales resistentes a la corrosión.
- La seguridad ante todo: El equipo añadió mecanismos como el corte de energía de emergencia y la prevención de descarrilamientos.
Estos requisitos garantizaban que el sistema fuera seguro, fiable y lo bastante resistente como para superar pruebas rigurosas sin averiarse.
Construir el sistema
Una vez establecidos los planos, llegó el momento de reunir los materiales. El equipo analizó los mejores componentes mecánicos, especialmente el sistema de raíles y carros, que debía ser de bajo mantenimiento y capaz de resistir muchos usos futuros. Utilizando principios de cinemática y ecuaciones dinámicas, el equipo afinó las especificaciones de velocidad y par del motor, esenciales para mantener el equilibrio del sistema. Por último, eligieron motores de corriente continua sin escobillas, logrando un equilibrio entre rendimiento y presupuesto.
AMC interviene
El equipo pidió ayuda a ADVANCED Motion Controls (AMC) para impulsar su creación. AMC, comprometida con el apoyo a la investigación académica, revisó los beneficios potenciales y los retos técnicos del proyecto. Tras estudiarlo detenidamente, AMC les proporcionó dos servoaccionamientos PWM BE12A6 (uno para cada centro). Estos avanzados servomotores accionan los motores que responden a las señales de control, manteniendo el péndulo bajo control incluso en condiciones difíciles.
Pruebas y simulaciones
Antes de arriesgarse con el hardware real, los estudiantes hicieron simulaciones para ajustar el controlador. Utilizando Simulink, comprobaron la capacidad del sistema de retroalimentación de estado para hacer frente a las perturbaciones. Con resultados sólidos en la simulación, se sintieron preparados para las pruebas en el mundo real.
Pruebas en el mundo real: Estabilidad y pruebas de resistencia
La gran prueba llegó con los ensayos en vivo, empezando por una prueba de estabilidad de 240 segundos. A continuación, el equipo pasó a las pruebas de estrés, en las que aplicaron "empujones" cada vez más intensos para ver si el péndulo recuperaba el equilibrio. Cada vez que el carro volvía a su posición inicial, aumentaban las perturbaciones hasta que, por fin, el sistema alcanzaba su punto de inflexión.
Resultados y lecciones aprendidas
El péndulo invertido se recuperó con éxito de perturbaciones moderadas, y el sistema sólo alcanzó sus límites cuando los empujes se hicieron extremos. Estas pruebas validaron la eficacia del controlador y pusieron de relieve aspectos que debían mejorarse. Con datos reales en la mano, los estudiantes completaron un proyecto que no consistía sólo en construir, sino en explorar los límites de la teoría de control.
El camino por recorrer
Tras 16 semanas de investigación, planificación y pruebas, los equipos del URI y la TU entregaron un banco de pruebas que los futuros ingenieros e investigadores podrán utilizar para desarrollar estrategias de control. Con aplicaciones potenciales en robótica, IA e incluso aprendizaje automático, esta plataforma abre las puertas a la exploración de métodos de control que podrían dar lugar a la próxima gran revolución en ingeniería.
El proyecto del péndulo invertido es la prueba de que, incluso trabajando virtualmente, estudiantes de todo el mundo pueden reunirse para abordar problemas complejos, y divertirse haciéndolo. ¿Y quién sabe? Este péndulo oscilante puede ser la chispa que inspire la próxima generación de innovación en sistemas de control.
