Geri Dön

Model reference input shaped neuro-adaptive sliding mode control of gantry crane

Model referans girişi şekillendirildi nöro-uyarlamalı kayan kipli gezer köprülü vinç kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 634366
  2. Yazar: MOHAMMED ABDO AHMED SAAD AL-BALTA
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. YAPRAK YALÇIN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 89

Özet

Malzeme Taşıma Sistemleri (MHS), endüstriyel işlemleri desteklemek ve üretim hatları ve üretim bölümlerindeki yükleri işlemek için kullanılan endüstriyel işlemlerin çok önemli bir parçasıdır. Portal vinçler, Büyük Ray Montajlı Taşıma Cihazlarına (LRMHD) ait olan bu sistemlerden biridir. Portal vinçler, farklı endüstriyel tesislerde ezici yüklerin taşınmasında, nakliye yüklerinin istiflenmesinde ve tehlikeli maddelerle uğraşırken yaygın olarak kullanılmaktadır, bu tür uygulamalarda yüksek nakliye doğruluğu gereklidir. Bununla birlikte, vinç sistemleri, istenmeyen geçici ve artık salınımlardan muzdarip, işçilerin yaşamlarını tehlikeye atmak veya taşınan yüke ve çalışma ortamındaki çevre tesislere zarar vermek gibi ciddi sorunlara neden olabilecek esnek sistemlerdir. Ayrıca alanın üretim hacminin azaltılmasına neden olabilir. Salınımlar, esnek yapılara sahip dinamik sistemlerde ana sorunlardan biridir. Salınımların bastırılması vinç sistemlerinin kontrolünde en önemli sorun olduğundan, sallanma açısını mümkün olduğunca küçük tutarken, yükün hızlı ve hassas bir şekilde konumlandırılması amacıyla, önceki on yıllar boyunca birçok anti-salınım vinç kontrol tekniği önerilmiştir. Bunlar pasif yaklaşımdaki sönümleyiciler veya aktif yaklaşımdaki geri beslemeli kontrolcülerin kullanımına ilişkin yöntemlerdir. Diğer bir yaklaşım, sisteme verilen girdiyi şekillendirerek bu salınımları baskılayabilen ileri beslemeli kontrolün kullanılmasıdır. Giriş şekillendirme, ilk olarak 1950'lerde OJM Smith tarafından önerilen bir açık çevrim kontrollördür. Bu kontrollör sistemin dinamiklerini göz önünde bulundurarak üretiği darbe işaretleri ile sisteme uygulanması istenen girişi birleştirerek, yani giriş işaretini darbe işaretleri ile şekillendirerek hareket sırasında ve sonrasında oluşan salınımları söndürür. Bu işlem, sıfırları konumlarına çok yakın koyarak orijinal sistemin kutupların iptal edilmesiyle aynı etkiye sahiptir. Giriş şekillendirme kontrolünün en iyi performansını elde etmek için, impuls genlikleri ve zaman konumları, sistemin doğal frekansına ve sönüm oranına göre temel düzgün bir şekilde belirlenmelidir. Giriş şekillendirme kullanılarak tatmin edici bir sistem yanıtı alınabilse de, açık çevrim bir yöntemdir, bu kontrolör bozuculara ve sistemin parametre belirsizliklerine karşı dayanıklı değildir. Herhangi bir kontrol probleminde, kontrolörü tasarlamak için kullanılan matematiksel model ile sistemin gerçek modeli arasında farklılıklar söz konusu olmaktadır. Bu farklılıklar, belirsiz parametrelerin, doğrusal kabul edilmiş doğrusal olmayan dinamiklerin veya dış bozucuların varlığından kaynaklanabilmektedir. Sistemden istenen performansı elde etmek için, tasarlanan kontrolör, bu farklılıklardan etkilenmeyecek kadar dayanlıklı olmalıdır. Kayan kipli kontrol, parametre belirsizliklerine ve dış bozukluklara karşı dayanıklılığı nedeniyle tercih edilen doğrusal olmayan kapalı çevrimli kontrol yöntemlerinden biridir, bu kontrolör 1950'lerin başında Emelyanov ve birkaç araştırmacı tarafından önerilmiştir. Bu yöntemle ile dayanıklığı garantilenmiş bir kontrolör tasarlayabilmek için dış bozucuların ve belirsizliklerinin değişim aralıklarının bilinmesi gerekmektedir ve bu çoğu durumda belirlenmesi güç olabilmektedir. Bu nedenle bu belirsizliklerin değişim aralığı olduğundan fazla şeçilmektedir genellikle. Bu da yüksek kontrollör kazançlarının kullanılmasını gerektirmekte bu da eyleyiciler ve sisteme zarar verebilecek olan istenmeyen çatırtı (chattering) etkisine neden olmaktadır. Bu tezde, harekete bağlı salınımların azaltılmasında giriş şekillendirme kontrolünün başarısını ve kayan kipli kontrolün dayanıklığını birleştirmeyi hedeflemiştir. Ancak çok geniş aralıklarda değişen parametreler için robust bir yanıt almak için SMC(sliding mode control) kazançlarını yüksek tutmak gerekmekte bu da chattering olayına neden olmaktadır. Bu problemi de aşmak için bu tezde vinç modelinin bilinmeyen kısmını tahmin etmek üzere adaptif radyal tabanlı fonksiyon (ARBF) sinir ağının kullanılmış ve bu yapı kullanılarak elde edilen uyarlamalı kayan kipli kontrolle (ARBFSMC) giriş biçimlendirme kontrolü entegre edilerek bir kontrol stratejisi sunulmuştur. Girş biçimlendirici, mümkün olan enfazla salınım bastırmayı veren bir model referans sistemden elde edilen taşıyıcı konum, hız ve ivme referanslarını şekillendirmek için kullanılmıştır. Bu amaçla, sıfır titreşim (ZV), sıfır titreşim türevi (ZVD) ve sıfır titreşim çift türevi (ZVDD) şekillendiricileri test edilmiş ve ZVDD, en yüksek salınım sönümlemeyi sağladığı için uyarlamalı kayan kipli kontrolle birlikte kullanılmak üzere seçilmiştir. ARBF'nin adaptasyon mekanizmaları, sistemin asimptotik kararlılığını garanti etmek için Lyapunov kararlılık yaklaşımı ile oluşturulmuştur ve önerilen kontrolörün etkinliği bazı sayısal simülasyonlarla doğrulanmıştır. İlk olarak, önerilen yöntem ile klasik SMC, sistemde genliğinin üst sınırı bilinen ya da uygun şekilde öngörüldüğü peryodik dış bozucular bulunduğu durum için karşılaştırılmıştır. Önerdiğimiz kontrollör daha iyi bir referans izleme performansı göstermiştir.Ayrıca, önerilen kontrolör, SMC'ye kıyasla salınım açısının maksimum değerinde% 80'den fazla azalma sağlamıştır ve daha düzgün kontrol işareti elde edilmiştir. Ayrıca, önerdiğimiz yöntemde çatırtı problemide mevcut değildir. İkinci olarak, dış bozucuların üst sınırlarının bilinmediği ve sınırlarının klasik şekilde tasarlanan SMC'nin kapasitesini aşan şekilde yanlış olarak belirlendiği durum için aynı karşılaştırma tekrarlanmıştır. Kasik SMC bu durumda başarılı sonuç vermemiştir çünkü klasik SMC tasarımında kontrolörün dayanıklılığını garanti edebilmek için bozucuların üst sınırlarına ilişkin bilmek gerekmektedir. Bilinmediği durumda dayanıklılığı garanti edebilmek için bu sınırlar oldukça büyük seçilmeye çalışılır ancak bu durumda eyleyicilere ve sisteme zara verebilecek büyük anahtarlama kazançlarının kullanılmasına ve çatırtı problemine neden olur. Öte yandan önerilen yöntemin performansı bu durumda da olumsuz etkilenmemiştir çünkü önerilen yöntemde model belirsizliklerinin ve bozucuların sınırılarına ilişkin bilgiye gerek duyulmamakta, bunların etkisi ya da değerleri ARBF yapay sinir ağı ile kestirilmektedir. Üçüncü olarak, önerilen kontrolör ile klasik SMC, system parametrelerinde değişim olduğu bir durum için test edilmiştir. Önerilen kontrolör system parametre değişimlerine karşı yüksek oranda dayanıklılık gösterirken, klasik SMC'nin performansı önemli oranda kötü etkilemiş, sistemde yüksek salınımlar görülmüş ve ip boyu referansı takip edilememiştir. Dördüncü olarak, önerilen kontrolörün parametre değişimlerine dayanıklılığı üç farklı grup parametre değişim durumu için daha ayrıntılı incelenmiştir. İlk grup, system parametrelerinde %100 oranında değişim oluşturularak belirlenmiştir. Bu durumda da önerilen kontrollör, sistem parametrelerine değişimlerine karşın yüksek bir dayanıklılık sergilemiş ve çıtırtı olayı da görülmemiştir. Son olarak, yüke etkiyen rüzgar ya da darbe gibi bozucu etkiler gözününde bulundurulmuştur. Önerilen kontrollör bu bozucuların etkisinide yüksek oranda bastırmış ve salınımları sönümlemiştir. Sonuç olarak, önerilen kontrolörün aşağıdaki avantajları vardır: • Önerilen yöntem uyarlamalı olduğundan geleneksel kayar mod kontrolü tasararımın aksine sistem parametrelerin tam olarak bilinmesini gerektirmez. • Önerilen yöntem, dış bozuculara ve parametre belirsizliklerine karşı oldukça dayanıklıdır ve çatırtı problemi ile dayanıklılık arasında bir seçimi gerektirmemektedir. • Sıfır titreşim çift türevi (ZVDD) şekillendirme kontrolü kullanımı nedeniyle salınımları yüksek oranda sönümlendirmektedir.

Özet (Çeviri)

Material Handling Systems (MHS) are a very important part of the industrial processes which are used to support the industrial operations and to handle the payloads in the production lines and manufacturing sections. Gantry cranes are one of these systems which belong to the Large Rail Mounted Handling Devices (LRMHD). Gantry cranes are broadly utilized in transporting overwhelming loads in different industrial facilities, stacking transport cargoes, and dealing with hazards materials, wherein such applications high transportation accuracy is required. However, crane systems are flexible systems that suffer from undesirable transient and residual oscillations, which can cause serious issues, such as endangering the worker's lives or causing damage to the transported payload and the surrounding facilities in the operating environment. Besides, it reduces the production volume of the field. Since oscillations suppression is the most issue in controlling crane systems, many anti-sway crane-controlling techniques were investigated over the preceding decades, with the objective of fast and precise positioning of the payload while keeping the sway angle as small as possible. Input shaping (IS) is one of the open-loop controllers used in cranes control, this controller has the ability to reduce the motion-induced oscillations of the system by producing an input shaper command which consists of a series of impulses that eliminates its own oscillations and convolve it with the desired input given to the system to result in shaped input. Even though a satisfying system response can be obtained using input shaping control, this controller is sensitive towards the external disturbances and parameters uncertainty affecting the system since it is an open-loop controller. Another controller used in cranes control is the sliding mode control (SMC), which is an efficient closed-loop controller that has a strong insensitivity to parameters uncertainty and strong external disturbance rejection. However, to guarantee the robustness of this controller, the bounds of the external disturbances and parameters uncertainty affecting the system should be known, which might not be easy to determine, that's why usually these bounds are overestimated which leads to the selection of high controller gains that lead to the undesirable chattering phenomenon that may damage the actuators and the system. Utilizing the merit of the input shaping control in reducing the motion-induced oscillations, and the robustness of the sliding mode control while avoiding the trade-off between controller robustness and chattering phenomenon, and eliminate the need to know the bounds of the unknown dynamics affecting the system such as the unmolded dynamics, parameters uncertainty, and external disturbances. This thesis presents a control strategy that integrates both a neuro-adaptive sliding mode control (NASMC) where an adaptive radial basis function neural network (ARBFNN) is utilized to estimate the unknown dynamics of the crane system, and the input shaping control, which is used to shape the trolley position, velocity and acceleration references gotten from a model reference to result in the highest possible suppression of the system sway angle. In this thesis, the results when using the zero vibration (ZV), zero vibration derivative (ZVD), and zero vibration double derivative (ZVDD) shapers are compared to select the one that results in the best system performance, where the ZVDD is selected since it resulted in the highest sway angle suppression. The adaptation mechanisms of the ARBFNN are established based on the Lyapunov stability theorem to guarantee the stability of the system, and the effectiveness of the proposed controller is verified through some numerical simulations. Firstly, the proposed controller is compared with the conventional SMC when the system is subjected to external periodic disturbances with known or properly estimated upper bounds, where the proposed controller showed higher tracking accuracy of the trolley and cable length references. Moreover, it resulted in more than 80% reduction in the maximum overshoot of the sway angle compared to SMC, also it has a smoother and chattering attenuated control forces. Secondly, the same comparison is repeated when the upper bounds of the external disturbances affecting the system are unknown and its bounds are incorrectly determined such that the actual bounds exceed the capability of the designed SMC. The system response showed that the SMC failed to control the system since the knowledge of the disturbances upper bounds is required when designing the SMC to guarantee controller robustness. On the other hand, the proposed controller maintained high tracking accuracy since the ARBFNN estimates these unknown dynamics affecting the system. Thirdly, the proposed controller showed strong robustness against the uncertainty of the system's parameters while the SMC performance is affected such that it has high oscillations in the sway angle and long convergence time of the trolley position. Moreover, it failed to derive the cable length response to the desired destination, which shows why the knowledge of the uncertainty bound is required when designing the SMC. Fourthly, the robustness of the proposed controller against the system's parameters uncertainty and unmodeled dynamics is further verified using three groups of system parameters, where the first group has a 100% parameters uncertainty. The proposed controller showed very strong robustness and insensitivity to the changes in the system's parameters and resulted in the desired system response without having a trade-off with the chattering phenomenon. Finally, the performance of the proposed controller is tested when the payload is subjected to external disturbance such as wind force or hit by another object, where the proposed controller highly suppressed the effect of these disturbances and dampened the system oscillation as compared with the uncontrolled system. As a conclusion, the proposed controller in this thesis has the following advantages: It does not require full knowledge of the system which is the case when designing the conventional sliding mode control. It has strong robustness against external disturbances, parameters uncertainty, and unmodeled dynamics of the system without having a trade-off between the controller robustness and the chattering phenomenon. It performs fast and precise positioning of the payload while effectively reducing the sway angle of the system due to the usage of the zero vibration double derivative (ZVDD) shaping control.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    268978

    Simulation of biped locomotion of humanoid robots in 3D space

    İnsansi robotlarin 3 boyutlu uzayda 2 ayakli hareketinin benzetimi

    GÖKCAN AKALIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. KEMAL ÖZGÖREN

  2. Tez No

    888130

    Hafif elektrikli araç uygulamaları için gömülü mıknatıslı senkron motorun tasarım ve optimizasyonu

    Design and optimization of permanent magnet synchronous motor for light electric vehicle applications

    KEVSER ÖZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT YILMAZ

  3. Tez No

    488413

    Investigation of the effect of beam and slab discontinuity on structural behavior in reinforced concrete buildings

    Betonarme binalarda kiriş ve döşeme süreksizliğinin yapısal davranış etkisinin incelenmesi

    MOHAMMAD KABIR KHURRAM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. NECATİ MERT

  4. Tez No

    485201

    Model predictive control of quadrotor UAV linear model

    Lineer model quadrotor İHA'nın model öngörülü kontrolü

    ARDEN KUYUMCU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. İSMAİL BAYEZİT

  5. Tez No

    837073

    Differential flatness-based fuzzy controller design for aggressive maneuvering of quadcopters

    Çok rotorlu hava araçlarının agresif manevra kontrolü için diferansiyel düzlük tabanlı bulanık kontrolör tasarımı

    ÇAĞRI GÜZAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. TUFAN KUMBASAR

Geri Dön