Cascaded Control

También llamado: cascade control, nested-loop control, inner-outer loop control
Categoría: Control › Feedback control
Etiquetas: feedback-control, pid, flight-control, motor-control, control-architecture

Una estructura de control con lazos de realimentación anidados, en la que un lazo externo calcula la consigna para un lazo interno más rápido, como posición sobre actitud sobre velocidad angular del cuerpo en un dron.

Definición

Control en cascada (cascaded control) divide un problema de control en lazos de realimentación anidados. El lazo externo regula la magnitud lenta que interesa al usuario, como la posición, y su salida no es un comando para el actuador, sino una consigna para un lazo interno que regula una magnitud intermedia más rápida, como la velocidad, la actitud o la corriente. Cada lazo solo tiene que ocuparse de una parte de la dinámica, lo que hace que los controladores sean más sencillos de diseñar y ajustar, y el lazo interno rechaza las perturbaciones, como una ráfaga o un par de carga, antes de que lleguen a la variable externa.

La estructura funciona mejor cuando el lazo interno es mucho más rápido que el externo. Así, el lazo externo puede tratar al interno como si siguiera su consigna de inmediato. Una regla práctica habitual es hacer que cada lazo interno tenga un ancho de banda varias veces mayor que el del lazo que lo rodea, a menudo en un factor de entre cinco y diez. Los lazos se ajustan de dentro hacia fuera: primero el lazo más interno, después cada lazo externo con los internos cerrados. Los límites deben transmitirse entre niveles, por ejemplo un ángulo de inclinación o una corriente máximos, y los lazos externos necesitan anti-windup para no seguir integrando el error mientras el lazo interno está saturado.

Dos ejemplos son casi universales en robótica. Los accionamientos de motores eléctricos usan un lazo de corriente (par) dentro de un lazo de velocidad dentro de un lazo de posición. Los controladores de vuelo de multirrotores usan un controlador de posición que entrega una aceleración deseada, que se convierte en un empuje total y una actitud deseada; un controlador de actitud entrega entonces comandos de velocidad angular del cuerpo; y un controlador de velocidad angular produce pares que un mezclador convierte en comandos individuales para los motores. Los lazos externos pueden ser controladores PD, PID o basados en modelos, y el nivel de posición se sustituye a veces por control predictivo basado en modelo, manteniendo los lazos internos de actitud y de velocidad angular. La limitación del control en cascada es que ignora el acoplamiento entre niveles: las maniobras agresivas que exigen prestaciones cercanas al ancho de banda del lazo interno, o las dinámicas fuertemente acopladas, pueden tratarse mejor con controladores que consideren todo el sistema a la vez.

Por qué importa

La mayoría de los drones comerciales, los accionamientos de motores y muchas articulaciones de robots se controlan con lazos en cascada, por lo que los ingenieros se encuentran con esta estructura siempre que ajustan, depuran o amplían hardware real. Entender la separación de anchos de banda y las interfaces entre lazos explica muchos problemas habituales, desde un seguimiento de posición lento hasta oscilaciones causadas por un lazo interno mal ajustado.

Aplicaciones clave

Controladores de vuelo de multirrotores con lazos de posición, actitud y velocidad angular
Accionamientos de servomotores con lazos de corriente, velocidad y posición
Control de las articulaciones de brazos robóticos y robots con patas
Control de procesos, como la regulación de temperatura y de caudal
Combinación de un lazo externo predictivo basado en modelo con lazos internos rápidos de seguimiento

En la práctica

En un dron de carreras, el planificador de un equipo envía referencias de posición, velocidad y aceleración. Un lazo de posición PD externo que funciona a menor frecuencia calcula una aceleración deseada, le suma la gravedad y la aceleración de prealimentación, y convierte el resultado en un empuje colectivo y una dirección de empuje deseada. Un lazo de actitud proporcional interno convierte el error de actitud en comandos de velocidad angular del cuerpo, que el lazo de velocidad angular del controlador de vuelo sigue a una frecuencia mucho mayor usando la realimentación del giroscopio. Cuando el dron oscila en vuelo estacionario, el equipo vuelve a ajustar primero el lazo de velocidad angular por sí solo, después el lazo de actitud y solo entonces las ganancias de posición, en lugar de ajustar el lazo externo para compensar un lazo interno mal ajustado.

Ideas erróneas comunes

Cualquier controlador puede apilarse en una cascada — la estructura depende de que el lazo interno sea considerablemente más rápido; sin esa separación los lazos interactúan y pueden volverse inestables
Los lazos en cascada pueden ajustarse en cualquier orden — los lazos internos deben ajustarse primero, porque el comportamiento del lazo externo depende de cómo responde el interno
El control en cascada está superado frente al control predictivo basado en modelo — muchos sistemas basados en MPC siguen ejecutando lazos internos en cascada de actitud, velocidad angular o corriente, y el MPC solo sustituye el nivel externo

Quién debería saberlo

Ingenieros de drones y de control de vuelo
Ingenieros de control de motores y accionamientos
Ingenieros de robótica que ajustan controladores de articulaciones y de bases móviles
Estudiantes que aprenden control por realimentación práctico

Tecnologías relacionadas

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