آونگ چرخ عکس‌العملی ۲۰۲۲
The Reaction Wheel Pendulum 2022

این مونوگراف به تشریح آونگ چرخ عکس‌العملی، جدیدترین ابزار آونگی وارونه‌مانند برای آموزش و پژوهش در حوزه‌ی کنترل، می‌پردازد. در این اثر، تاریخچه و پیشینه‌ی آونگ چرخ عکس‌العملی و سایر ابزارهای آزمایشی مشابه را بررسی می‌کنیم. مدل‌های ریاضیاتی آونگ چرخ عکس‌العملی، شامل مدل‌های خطی و غیرخطی، و همچنین مدل‌های حسگرها و عملگرهایی که برای کنترل بازخوردی استفاده می‌شوند را به طور عمیق توسعه می‌دهیم. جنبه‌های گوناگون مسئله‌ی کنترل، از کنترل خطی موتور گرفته تا تثبیت آونگ در حول یک پیکربندی تعادلی با استفاده از کنترل خطی، و همچنین مسئله‌ی کنترل غیرخطی کنترل تاب‌دادن (swingup control) را مورد بررسی قرار می‌دهیم. همچنین، به کنترل ترکیبی و سوئیچینگ، که برای جابجایی بین کنترلرهای تاب‌دادن و تعادل مفید است، می‌پردازیم. مسائل عملی مهمی مانند مدل‌سازی اصطکاک و جبران‌سازی اصطکاک، کوانتیزاسیون سیگنال‌های حسگر و اشباع را نیز مورد بحث قرار می‌دهیم. این مونوگراف می‌تواند به عنوان مکمل برای دوره‌های کنترل بازخورد در مقطع کارشناسی، دوره‌های مکاترونیک یا دوره‌های کنترل فضای حالت خطی و غیرخطی در مقطع تحصیلات تکمیلی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین می‌تواند به عنوان یک کتابچه راهنمای آزمایشگاهی و به عنوان مرجعی برای تحقیق در کنترل غیرخطی استفاده شود.

This monograph describes the Reaction Wheel Pendulum, the newest inverted-pendulum-like device for control education and research. We discuss the history and background of the reaction wheel pendulum and other similar experimental devices. We develop mathematical models of the reaction wheel pendulum in depth, including linear and nonlinear models, and models of the sensors and actuators that are used for feedback control. We treat various aspects of the control problem, from linear control of themotor, to stabilization of the pendulum about an equilibrium configuration using linear control, to the nonlinear control problem of swingup control. We also discuss hybrid and switching control, which is useful for switching between the swingup and balance controllers. We also discuss important practical issues such as friction modeling and friction compensation, quantization of sensor signals, and saturation. This monograph can be used as a supplement for courses in feedback control at the undergraduate level, courses in mechatronics, or courses in linear and nonlinear state space control at the graduate level. It can also be used as a laboratory manual and as a reference for research in nonlinear control.