Adaptive observer designs for friction estimation in position control of simple mechanical systems with time delay
Zaman gecikmeli basit mekanik sistemlerin pozisyon kontrolünde sürtünme kestirimi için adaptif gözlemci tasarımları
- Tez No: 685238
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER MORGÜL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 121
Özet
Sürtünme kuvveti/torku bazen kapalı_ döngü kontrol sistemlerinin tasarlanmasında ihmal edilmesine karşın sistemin performansında düşüşlere ve hatta kararsızlığa sebep olabilen en çok bilinen doğrusal olmayan bozucu etkenlerden biridir. Bu sebeple, sürtünmenin modellenmesi ve giderimi istenilen gürbüzlük ve performans ölçütlerine ulaşabilmek için önem arz edebilmektedir. Temel olarak, sürtünme giderimi model tabanlı ve model tabanlı olmayan yöntemler olarak iki gruba ayrılmaktadır. Sürtünmenin modellenmesi oldukça geniş bir araştırma alanı olup bu konuda farklı karmaşıklıklarda yaklaşımlar bulunmaktadır. Bunlar arasında Coulomb Modeli basit ama en temel yaklaşımlardan biridir. Fakat bazı durumlarda statik bir sürtünme modeli olarak, Coulomb Modeli hareketin farklı fazlarında dominant hale gelen kopma kuvveti, kayma-yapışma hareketi, kayma öncesi davranış ve sürtünme hafızasına bağlı gecikme gibi sürtünme etkilerini kapsamakta yetersiz kalabilmektedir. Genellikle LuGre Modeli gibi dinamik modeller daha kompleks olmalarının sonucu olarak bu etkileri tanımlamakta daha faydalı olmaktadırlar. Öte yandan, kullanılan sürtünme parametrelerinin sayısı bu durumlar için artmaktadır. Gerçekte modelin karmaşıklığı ve model parametrelerinin çıkarımı arasında bir ödünleşim vardır. Modeldeki parametreler ve sürtünme katsayıları örtüşmediği durumlarda istenilen sistem tepkileri elde edilemeyebilmektedir. Bu anlamda her bir model parametresinin hassas bir şekilde çıkarımının yapılması kullanılacak parametrelerin sayısı arttıkça zorlayıcı bir hal almaktadır. Üstelik bu parametrelerin bazıları ortam, sıcaklık, malzeme özellikleri ve pozisyon gibi sebeplerden ötürü zamanla değişebilmektedir. Bu nedenle model tabanlı olmayan adaptif yöntemler herhangi bir parametre tanılaması gerektirmedikleri için litaratürde oldukça popülerdir. Bu çalışmada gözlemci tabanlı sürtünme giderim yöntemleri üzerine yoğunlaşılmış ve bunlarla ilgili olarak kararlık şartları sunulmuştur. İlk olarak tanınan bir örnek olarak Friedland-Park Gözlemcisi sistemde zaman gecikmesinin olduğu ve olmadığı durumlar için ele alınmıştır. Sonrasında gözlemcinin kullandığı kestirim fonksiyonunun daha geniş bir kümeden seçilebilmesi için gerekli bazı koşullar belirtilmiştir. Gözlemciler sürtünme kestirimini hız ölçümlerini baz alarak yaptığı için özellikle bu ölçümlerin gecikmesi önemli olabilmektedir. Bu sebeple büyük gecikmeler için sayısal diferansiyel denklem çözümlerine veya Pade Benzetiminin tersine dayanan bir hız kestirimi yapısının kullanımı önerilmektedir. Ek olarak, hız ve sürtünme hatası dinamiklerinin beraber kullanıldığı yeni bir gözlemci tasarımı da özgün bir katkı olarak sunulmaktadır. Önerilen gözlemcilerin zaman gecikmeli ve zaman gecikmesiz kapalı pozisyon döngülerindeki performasını incelemek için MATLAB ortamında kapsamlı benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu amaçla, Smith kestirimi ve ITAE Endeksi tabanlı tasarımlar kullanılacak pozisyon kontrolcüsü için göz önünde bulundurulmuştur. Ayrıca, simülasyonların bazılarında dinamik parametrelerin etkisini görebilmek adına ortamdaki sürtünmeyi taklit etmesi amacıyla Coulomb modeli yerine LuGre modeli tercih edilmiştir. Bunların yanında, Arduino Uno mikrodenetleyecisi ile sürülen DC motor platformunda bazı deneyler yapılmıştır. Elde edilen sonuçların ışığında gözlemci tabanlı sürtünme giderimi özellikle gerçeklenen kontrolcü düşük bant genişliğine sahip olduğunda sistemin performansını arttırmaktadır. Ayrıca, bu gözlemci yapılarının herhangi bir parametre tanılaması gerektirmemeleri de uygulanabilirlik açısından bir avantajdır.
Özet (Çeviri)
Friction force/torque is a well known natural effect that can cause performance degradation or even instability in mechanical systems, although it sometimes can be disregarded in closed loop feedback design phase. Hence, friction modeling and cancellation methods can be vital to achieve desired robustness and performance criteria in position control problems. Basically, the topic of friction cancellation is divided into two main categories named model based and non-model based methods. Friction modeling is a broad area of research and there are lots of different modeling approaches in various complexities. Among these approaches, Coulomb Model is one the simplest yet fundamental models. Nevertheless, in some cases, being a classical static model, it is inadequate to exhibit the dominant friction components occurring at different motion stages such as break-away force, stick-slip motion, pre-sliding behavior or friction lag. Generally, dynamical models, i.e. LuGre Model, are more advanced as a result, they are better to describe such friction effects. Unfortunately, for these cases, the number of friction parameters are increased. In fact, there is a trade-o_ between model complexity and parameter identification. A desired system response may not be achieved when model parameters do not coincide with the existing friction coefficients. In this manner, precise identification of each parameter can be challenging when there are many of them. Besides, some of these parameters might be time varying due to environment, temperature, material properties, position, etc. Therefore, non-model based adaptive schemes are prevalent in the literature since these methods do not require any parameter identification. In this study, we focus on adaptive observer based friction compensation techniques and provide some stability conditions. First, we consider simple second order mechanical systems with or without time delay under Coulomb friction. To estimate the Coulomb friction, we first consider Friedland-Park observer. Then, some necessary conditions are stated to extend the estimation function in the observer structure to a larger class of functions. Especially measurement delay can be significant since observers estimate friction based on the velocity measurements. Therefore, it is proposed to employ a velocity predictor either based on numerical differential equation solvers or inverse Pade approximant when the existing time delay is large. What is more, a new observer design that considers friction and velocity error dynamics together is proposed as a novel contribution. Extensive MATLAB simulations are conducted to investigate the performances of proposed observers in a closed loop position control system with and without delay. To this end, Smith predictor and ITAE index-based designs are considered to utilize a position controller. In some of these simulations, LuGre model is preferred to mimic the actual friction instead of Coulomb friction in order to observe the effects of dynamic parameters. Moreover, some experiments are performed on DC motor platform driven by Arduino Uno microcontroller. Under the light of acquired results, observer based friction compensation improves the system performance even existing friction cannot be confined to Coulomb coefficient, especially when the implemented controller has low bandwidth. Also, in terms of practicability, it is an advantage that these observer structures do not require any parameter identification.
Benzer Tezler
- Sürekli mıknatıslı senkron motorda algılayıcısız kontrol yöntemini geliştirmeye katkılar
Contributions to improve the method of sensorless control of PMSM
GÖKHAN ALTINTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Design of a slip observer and road adhesion coefficient estimator for road vehicles
Yol araçları için kayma gözlemci ve yol adezyon katsayısı tahmıncısı tasarımı
ARASH HOSSEINIAN AHANGARNEJAD
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. S. ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI
- Kesir dereceli diferansiyelin doğrusal olmayan denetim yöntemlerine ve sinyal işleme tekniklerine uygulanması
Utilization of fractional order differentiation in nonlinear control methods and signal processing techniques
GÜRKAN KAVURAN
Doktora
Türkçe
2017
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİnönü ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CELALEDDİN YEROĞLU
- Asenkron motor için adaptif kesirli kayan kipli gözlemci tasarımı
Adaptive fractional order sliding mode observer design for induction motor
ERDEM İLTEN
Doktora
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBalıkesir ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN DEMİRTAŞ
- Farklı yüzeylere uyum sağlayabilen denge robotu için zeki ve adaptif kontrol algoritmalarının geliştirilmesi
Development of intelligent and adaptive control algorithms for balance robot capable of adapting different surfaces
ALİ ÜNLÜTÜRK
Doktora
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖMER AYDOĞDU