Maggy - Hands-On Control Learning With a Maglev System

Abstract

Denne oppgaven presenterer utviklingen av en avansert regulator for et magnetisk levitasjonssystem (maglev) kalt Maggy og som er beregnet for undervisnings av reguleringsteknikk. Maggys hovedmål er å gjøre det mulig for studenter å lære regulatorteori gjennom å løse oppgaver relatert til stabilisering av en svevende magnet, samt at den gir en praktisk tilnærming til læring av forskjellige regulatorstrategier. Maggy har flere ulineære egenskaper som gjør regulering til en unik utfordring samtidig som den er godt egnet til å utforske ulike regulatorer, både tradisjonelle og mer avanserte.

Oppgaven introduserer sentrale begreper knyttet til magnetisk levitasjon og reguleringsteknikk, samt korte introduksjoner til programmering av mikrokontrollere og seriell kommunikasjonsteori i del III og IV. Den er delt inn i to hoveddeler, en som beskriver utviklingen av en kontroller og analyse av systemstabilitet. Den andre delen er utelukkende fokusert på å utforske ulike måter for implementering av regulatoren, samt analyser for valg av en passende tilnærming for å gi regulatoren det beste grunnlaget for stabilitet. Mer spesifikt beskriver den analyser av forskjellige aspekter, for eksempel stabilitet og implementeringsmetoder for en lineariserende tilbakekoblingskontroller, samt korte introduksjoner til mer konvensjonelle regulatorer som PID og LQR. Gjennom eksperimentering blir regulatorenes ytelse målt i forhold til hverandre og brukt som en referanse for å vurdere ytelsen til den lineariserende tilbakekoblingskontrolleren.

Utvikling og eksperimenter gjøres hovedsakelig gjennom simulering i Simulink ved bruk av en forhåndsutviklet simulator i MATLAB, men en del av implementeringsanalysen inkluderer mikrokontrollerprogrammering. Funnene fremhever systemets kontrollerbarhet og stabilitet, samt potensialet for interaktive og engasjerende studentoppgaver for utdanning av fremtidige ingeniører.

This thesis presents the development of an advanced controller for a magnetic levitation (maglev) system that is called Maggy and is intended for educational purposes. The primary objective of Maggy is to enable students to learn, through facing the problem of stabilizing a levitating magnet, different control strategies in a hands-on approach to learn control theory. Maggy has multiple properties that make controlling it a unique challenge while also being suitable for exploring different modes of control, both traditional and more advanced ones.

The thesis introduces central concepts related to magnetic levitation and control, as well as brief introductions to programming microcontrollers and serial communication theory in Parts III and IV. It is divided into two main parts, one detailing the development of a controller and analysis of system stability. The other part is solely focused on exploring different modes of implementation for the controller and choosing a suitable approach to provide the best basis for stability for the controller. More specifically, it details analyses of different aspects, such as stability and implementation methods of a feedback linearizing controller, as well as brief introductions to more conventional control methods such as PID and LQR. Through experimentation, their performances are measured relative to each other and used as a reference for assessing the performance of the feedback linearizing controller.

Development and experiments are mainly done through simulation in Simulink using a pre-developed simulator in MATLAB, but part of the implementation analysis includes microcontroller programming. The findings highlight the system's controllability and stability and the potential for interactive and engaging student assignments in control engineering education.