Geri Dön

Anti swing up control of a single, double and triple link rotary inverted pendulum with nonlinear friction models

Doğrusal olmayan sürtünme modelleriyle tek, çift ve üç bağlı dönel ters sarkacın salınım önleyici kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 670426
  2. Yazar: ZIED BEN HAZEM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ZAFER BİNGÜL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 298

Özet

Dönel ters sarkaç sistemi, kontrol teorisi alanındaki temel problemlerden biridir. Dönel ters sarkaç sistemleri, kontrol mühendisliğinde modern kontrol teorisinin uygulanması için bir örnek deneysel düzenek olarak kullanılmaktadır. Roketlerin, uyduların ve uçakların türbülanslı hava akışı içerisindeki konumlarının kontrolü, insansı robotların benzetimi esnasında model olarak sarkaç sistemleri kullanılmaktadır. Döner ters sarkaç sistemi, kontrolü daha zor hale getiren son derece doğrusal olmayan ve açık döngülü kararsız bir sistemdir. Doğrusal olmaması nedeniyle kontrol açısından ilgi çekici bir konudur. Döner ters sarkaç sistemi, eklemlerdeki sürtünmelerden kaynaklanan bir doğrusal olmayan davranışlar sergiler. Yaygın kontrol yaklaşımları, geri besleme denetleyicileri ile sistemin kontrolünde istenen performansları elde edilebilmesi için sistemin eklemlerindeki sürtünmeler hakkında net bir bilgi ve doğru sürtünme tahmini modeller gerektirir. Bununla birlikte, sürtünmelerin yüksek doğrusal olmayan ifadeleri içermesi, kararlı durum hatalarına, sınır döngülerine ve sistemin kötü performansı göstermesine neden olmaktadır. Sistemin tepkisi üzerinde doğrudan etkisi vardır ve dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, sürtünme tahmini, sistemin kontrol performansını ve dinamik davranışını iyileştirme potansiyeline sahiptir. Bu tezin amaçlarından biri, üç bağlı ters dönel sarkaçtaki doğrusal olmayan sürtünmeleri tahmin etmektir. Bu araştırmada, üç bağlı döner sarkacın eklem sürtünme katsayılarını tahmin etmek ve uyarlamalı sürtünme modelleriyle karşılaştırmak için yeni nöro-bulanık sürtünme tahmin modelleri geliştirilmiştir. Uyarlanabilir sürtünme modellerinin ve nöro-bulanık sürtünme tahmin modellerinin farklı versiyonları, aşağıdaki sürtünme tahmin modellerinin her birine dayalı olarak oluşturulmaktadır: Konservatif olmayan sürtünme modeli, doğrusal sürtünme modeli ve doğrusal olmayan sürtünme modeli. Bu sürtünme çalışmasının amacı, zor ve ani büyük değişiklikleri içeren geniş bir hareket yörüngesinde hem hıza hem de ivmeye bağlı olan eklem sürtünme modellerini elde etmektir. Önerilen nöro-bulanık sürtünme tahmin modellerinde, üç bağlı döner ters sarkacın eklem hızları ve ivmeleri, radyal tabanlı bir sinir ağı kullanılarak eğitilen nöro-bulanık systemin, girdi değişkenleri olarak kullanılmıştır. Nöro-bulanık sürtünme tahmin modellerini doğrulamak için üç bağlı dönel ters sarkaç sistemi üzerinde bazı deneyler yapılmıştır. Sürtünme modellerinin tahmin performansının belirlenmesi için her bir eklem sürtünme modelinden elde edilen konum simülasyon sonuçları ile deney düzeneğindeki kodlayıcılar arasındaki toplam kök ortalama kare hataları hesaplanmıştır. Konum kökü ortalama kare hatalarına dayalı olarak, nöro-bulanık sürtünme tahmin modelleri, nörobulanık sürtünme tahmin modellerinden daha iyi tahmin sonuçları üretmiştir. Yeni nöro-bulanık sürtünme tahmin modelleri arasında, nöro-bulanık doğrusal olmayan sürtünme tahmin modeli en iyi sonuçları vermektedir. Bu tezin bir diğer amacı, stabilizasyon ve salınım önleyici kontrol problemleri için doğrusal olmayan kontrolörler geliştirmektir. Orantılı integral türev, doğrusal kuadratik regülatör ve salınım tabanlı doğrusal kuadratik regülatör denetleyicileri, tek bağlı dönel ters sarkacın stabilizasyon kontrolü için geliştirilmiştir. Ayrıca, çift ve üç bağlı dönel ters sarkacın stabilizasyon kontrolü için bulanık tabanlı doğrusal kuadratik regülatör ve bulanık tabanlı doğrusal ikinci dereceden gauss kontrolörleri geliştirilmiştir. Stabilite kontrolünün amacı, hem bulanık tabanlı doğrusal kuadratik regülatör hem de bulanık tabanlı doğrusal ikinci dereceden gauss kontrolörlerinin dinamik performansını incelemek ve bunları sırasıyla klasik doğrusal kuadratik regülatör ve doğrusal ikinci dereceden gauss kontrolörleriyle karşılaştırmaktır. Kontrolörlerin kontrol performansını belirlemek için, yerleşme süresi, pik aşımı, sabit durum hatası, maksimum piki ve eklem konumlarının toplam kök ortalama kare hataları hesaplanır. Ayrıca, kontrolörlerin dinamik tepkileri, iç ve dış bozucu etkiler altında sağlamlık (gürbüzlük) analizine dayalı olarak karşılaştırılmıştır. Kontrolörlerin kontrol performansını göstermek için bazı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırmalı sonuçlara dayanarak, hem bulanık tabanlı doğrusal kuadratik regülatör hem de bulanık tabanlı doğrusal ikinci dereceden gauss kontrolörlerinin dinamik yanıtları, sırasıyla klasik doğrusal kuadratik regülatör ve doğrusal ikinci dereceden gauss kontrolörlerinin dinamik yanıtlarından daha iyi sonuçlar üretmektedir. Dahası, sağlamlık sonuçları, iç ve dış bozucu etkiler altındaki bulanık tabanlı doğrusal kuadratik regülatör ve bulanık tabanlı doğrusal ikinci dereceden gauss kontrolörlerinin etkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca, tek bağlı ters dönel sarkaç, çift bağlı ters dönel sarkaç, ve üç bağlı dönel ters sarkaç için bir salınım önleyici kontrolü geliştirilmiştir. Salınım önleyici kontrolörlerin kontrol performansını belirlemek için, eklem konumlarının yerleşme süresi, sabit durum hatası, maksimum piki ve eklem konumlarının toplam kök ortalama kare hataları gibi farklı kontrol parametreleri hesaplanmaktadır. Karşılaştırmalı sonuçlara göre, doğrusal kuadratik regülatör kontrolörü tek bağlı ters dönel sarkaç için klasik orantılı integral türev kontrolöründen daha iyi sonuçlar vermiştir. Dahası, çift bağlı döner ters sarkaç ve üç bağlı döner ters sarkacın anti-salınım kontrolü için yeni bir radyal temel nöro-bulanık tabanlı doğrusal karesel regülatör denetleyici geliştirilmiştir. Bu araştırmanın amacı, radyal temel nörobulanık tabanlı doğrusal kuadratik düzenleyici denetleyiciyi incelemek ve onu bulanık tabanlı doğrusal karesel düzenleyici ve doğrusal karesel düzenleyici denetleyicileri ile karşılaştırmaktır. Önerilen radyal temel nöro-bulanık tabanlı doğrusal kuadratik düzenleyici denetleyicilerde, doğrusal karesel düzenleyici kazanımlarıyla çarpılan kullanılarak eğitilmektedir. İki radyal temelli sinir ağının çıktıları, bulanık denetleyicinin giriş değişkenleri olarak kullanılmıştır. Radyal temel neuro-fuzzy denetleyicinin yeni mimarisi, klasik uyarlanabilir nöro-bulanık çıkarım sisteminden daha iyi kontrol performansı elde etmek için geliştirilmiştir. Salınım önleyici kontrolörlerin kontrol performansını göstermek için simülasyon ve deney sonuçları verilmiş ve karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmalı sonuçlara göre, radyal temel nörobulanık tabanlı doğrusal kuadratik düzenleyici salınım önleyici denetleyicisi, bulanık tabanlı doğrusal kuadratik düzenleyici ve doğrusal kuadtarik düzenleyiciden daha iyi sonuçlar vermektedir. Ayrıca, geliştirilen üç denetleyicinin performansı, harici bozucu etkiler altındaki sağlamlık analizine dayalı olarak karşılaştırılmıştır. Burada elde edilen sonuçlar, radyal temel nöro-bulanık tabanlı doğrusal karesel regülatör antisalınım denetleyicisinin titreşim bastırma özelliği açısından diğerlerinden daha iyi performans ürettiğini göstermektedir.

Özet (Çeviri)

RIPS is one of the fundamental problems in the control theory field. To verify the modern control theory, RIPS may be considered as a better example in control engineering. It is the best model for the attitude control such as space booster, rocket, satellite, aircraft stabilization in the turbulent air-flow, humanoid robots, etc…. The RIPS is a highly non-linear and open-loop unstable system that makes the control more challenging. It is an intriguing subject from the control point of view due to its intrinsic nonlinearity. The RIPS include a nonlinearity due to the frictions in the joints. Common control approaches require a good knowledge of the frictions in the joints of the system and accurate friction estimation to obtain the desired performances of feedback controllers. However, the frictions have high non-linear values, which result in steady-state errors, limit cycles, and poor performance of the system. It has an influence on the system's response, and it should be considered seriously. Therefore, friction estimation has the potential to ameliorate the quality and dynamic behavior of the system. One of the aims of this thesis is to estimate the nonlinear frictions in the triple link rotary inverted pendulum. In this research, novel NFFEMs are developed to estimate the joint friction coefficients of three link rotary pendulum and compared with AFEMs. The different versions of AFEMs and NFFEMs are generated based on each of the following friction estimation models: NCFM, LFM, and NLFM. The aim of this friction study is to obtain joint friction models which depend on both velocity and acceleration in a large range of motion trajectory that involves difficult and sudden large changes. In the proposed NFFEMs, joint velocities and accelerations of the TLRIP are used as the input variables of the NF system trained by using a RBNN. Several experiments are conducted on the TLRIP system to verify the NFFEMs. In order to determine the estimation performance of the friction models, total RMSEs between position simulation results obtained from each joint friction model and encoders in the experimental setup are computed. Based on the position RMSEs, the NFFEMs produce better estimation results than the AFEMs. Among the novel NFFEMs, the NFNLM gives the best results. Another aim of this thesis is to develop non-linear controllers for the stabilization and anti-swing control problems. PID, LQR and swing-up based LQR controllers are developed for the stability control of the SLRIP. Moreover, FLQR and FLQG controllers are developed for the stability control of DLRIP and TLRIP. The aim of the stability control is to study the dynamic performance of both FLQR and FLQG controllers and to compare them with the classical LQR and LQG controllers, respectively. To determine the control performance of the controllers, Ts, PO, Ess, MP and the total RMSEs of the joint positions are computed. Furthermore, the dynamic responses of the controllers were compared based on robustness analysis under internal and external disturbances. To show the control performance of the controllers, several simulations were conducted. Based on the comparative results, the dynamic responses of both FLQR and FLQG controllers produce better results than the dynamic responses of the classical LQR and LQG controllers, respectively. Moreover, the robustness results indicate that the FLQR and FLQG controllers under the internal and external disturbances were effective. Furthermore, an anti-swing control of the SLRIP, DLRIP and TLRIP is developed. To determine the control performance of the anti-swing controllers, different control parameters are computed, such as Ts, MP, Ess, and RMSEs of the joint positions. Based on the comparative results, the LQR controller produces better results than the classical PID for the SLRIP. Moreover, a novel RBNFLQR controller is developed for an anti-swing control of the DLRIP and TLRIP. The objective of this research is to study the RBNF-LQR controller and to compare it with the FLQR and the LQR controllers. In the proposed RBNF-LQR controllers, the positions and velocities of state variables multiplied by their LQR gains are trained by using RBNNs architecture. The outputs of the two RBNNs are used as the input variables of the fuzzy controller. The novel architecture of the RBNF controller is developed in order to obtain better control performance than the classical ANFIS. To show the control performance of the anti-swing controllers, simulation and experiments results are given and compared. According to the comparative results, the RBNF-LQR anti-swing controller produces better results than FLQR and LQR. Furthermore, the performance of the three controllers developed was compared based on robustness analysis under external disturbance. The results obtained here indicate that the RBNF-LQR anti-swing controller produces better performance than others in term of vibration suppression capability.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    46286

    Aktif ota-C filtrelerinde uygun oto problemi

    The Suitable ota problem for second-order ota-c filters

    LEVENT ÖĞDÜM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1995

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. HAKAN KUNTMAN

  2. Tez No

    66592

    Trafik kazalarında teknik kontrol

    Technical problems in traffic accidents

    SEVİL PAMUKÇU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜVEN ÖZTAŞ

  3. Tez No

    66644

    Yeni bir inşaat malzemesi olarak geotekstiller

    Geotextiles as a new construction material

    Y.OKAN CİNDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geoteknik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. REMZİ ÜLKER

  4. Tez No

    734685

    Design of an OPAMP-RC lowpass filter in 22 NM FDSOI technology

    22 NM FDSOI teknolojisinde OPAMP-RC alçak geçiren filtre tasarımı

    ÖMER TAHA KELEŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. METİN YAZGI

  5. Tez No

    10614

    Doğu-batı ilişkileri ve nükleer güç

    Başlık çevirisi yok

    KADRİ KEMAL GÜNEŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1987

    Uluslararası İlişkilerAnkara Üniversitesi

    Kamu Yönetimi ve Siyaset Bilimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ORAL SANDER

Geri Dön