Geri Dön

Pnömatik konum kontrolü

Pneumatic position control

  1. Tez No: 98399
  2. Yazar: SALİH CİHAN
  3. Danışmanlar: PROF.DR. AHMET KUZUCU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1999
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 88

Özet

PNÖMATİK KONUM KONTROLÜ ÖZET Gerçek sistemler nonlineerdir ve lineer olmayan diferansiyel denklemlerle ifade edilirler. Bir nokta veya referans konum civarında linearizasyon metodları gibi lineer analiz ve dizayn metodlarm da gerçek sistem modeline lineer yaklaşımlar genellikle kazançları elde etmek için kullanılırlar. Bu metodların dezavantajı, lineer yaklaşımlar artar ve lineer yaklaşım noktasından fazla uzaklaşılırsa gerçek sistem performansı elde edilemez. Bununla birlikte lineer olmayan diferansiyel denklemlerin analitik çözümleri lineer olanlara göre çok daha zordur. Bu nedenle, lineer olmayan diferansiyel denklemleri çözmek ve sistem performansını elde etmek için bilgisayar ortamında sayısal integrasyon ve simülasyon tekniği kullanılır. Bu metodlar yardımıyla gerçek sistem performansı, nonlinearite korunurken minimum hata ile elde edilebilir. Bu metodlar ayrıca yüksek çözüm hızına sahiptirler. Bu çalışmada 4. mertebe pnömatik sistem dinamik modeli ve geri beslemeli kontrolü için FORTRAN programlama dilinde bir bilgisayar programı yazılmıştır. Böyle bir sistemin analitik çözümü termodinamik akış, yük ve dış kuvvetlerin değişimi, röle lineer olmayan sürtünme kuvvetleri havanın sıkıştırılabilirliği, valf kesit alan değişimi, nonlineariteler nedeniyle mümkün olmaz. Bu nedenle simülasyon programında, pnömatik sistem lineer olmayan dinamik model durum uzayı denklemlerinin çözümünde Runga-Kutta IV sayısal integrasyon metodu kullanılmıştır. Sajmülasyon uygulamalarında yük, rezervuar basıncı pnömatik silindir boyutları ve başlangıç şartlan gibi parametreler deneysel sistemle aynı alınmıştır. Fs statik sürtünme değeri, deneysel sistemde basınç ölçümleriyle belirlenmiştir. Bilgisayar simülasyonunun amacı, kapalı çevrimli kontrol algoritmaları ile pnömatik sistem performansını belirlemektir. Pnömatik sistem konum kontrolü için bilinen bütün sistem parametreleri ve yaklaşımlar ile pnömatik sistem 4. mertebe bilgisayar benzetimi ile İkili Kontrol, Basınç Geribeslemeli PD Kontrol, Hız Geribeslemeli tkili Kontrol, Kayan Rejimli Kontrol ve Darbe Genişliği Modülasyon algoritmaları denenmiştir. Bu kontrol algoritmalarında ölü bölge ve pulse periyod değişimleri için sistem performansı incelenmiştir. Pnömatik sistemler endüstride yaygın olarak kullanılırlar. Pnömatik sistemlerin kullanılmasının temel nedeni havamn temiz ve ucuz bir kaynak olması ve kolayca teminidir.Hava, güç uygulamalarında elektrik hareket kontrol sistemlerinde olduğu gibi ağır görevler için kullanılabilir ve pnömatik sistemler kullanıldığı takdirde karmaşık dişli ağır motorlar kullanılmasını gerektirmez. Buna ek olarak, pnömatik sistemler direk sürüm mekanizmalarıyla kuvvet kontrol uygulamalarım yerine getirmek için kullanılabilir. Buna karşın birçok pnömatik kontrol uygulaması açık çevrim kontrol modunda iki limit konumda çalışır ve mekanik hareket mekanik durdurucular yardımıyla durdurulur. Pnömatik konum kontrol uygulamalarının temel amacı, süsrücüde herhangi bir durdurucu olmaksızın konum hassasiyetine ulaşmaktır.Bununla birlikte kapalı çevrimli konum kontrol uygulamalarında temel problem havamn sıkıştırılabilmesi, zayıf sönümleme kabiliyeti, mekanik sürtünmelerin belirsizliği ve güçlü nolinearitedir. Bilgiyar kontrollü yeni kontrol ixstratejilerinin amacı düşük otomasyon maliyeti ve dizayn basitliğine ulaşmak ve yukarıda belirtilen sorunları aşmaktır. Son yıllarda pnömatik kontrol uygulamaları robot manipülatör uygulamaları alanında temellenmiştir. Yeni pnömatik konum kontrol stratejileri genellikle bu uygulamalarla gelişmiştir. Oransal valiler ikili valflere göre daha pahalıdır. Eğer pnömatik sistemlerde ikili valf kullanılırsa otomasyon maliyeti düşer fakat konum hassasiyeti elde edilemez. Yeni kontrol stratejilerinin diğer bir amacı ikili valflerle kontrol edilen sistemlerde konum hassasiyeti elde etmektir. İkili valflerle kontrol edilen sistemlerde yüksek konum hassasiyetine ulaşmada dinamik davranış detayları önemli olmaktadır. Bu çalışmada çift etkili, tek serbestlik dereceli, silindirik ve simetrik bir pnömatik silindirin 4. mertebe bilgisayar benzetim modeli elde edilmiştir. Pnömatik sistem genel şeması Şekil Öl' de gösterilmiştir. Hf. ti- n.kontrol hacmi P T V M u Şekil Ö. 1 : Pnömatik sistem genel yapısı Pnömatik sistem davranışını karakterize eden durum uzayı değişkenleri, X(l) = X konum, X(2) = X = v hız, X(3) = Pj birinci hazne basıncı ve X(4) =P2, ikinci hazne basıncı olmak üzere 4. mertebe durum uzayı denklemleri ; dX{\) dt X(l) = X(2 ^P- = X(2) = +-14XQ) - 4 *(4) - Fd{t)] dt MdX(3) dt X(3) Xw+X(l) RT C -X(2)X(3) + (^-^Ls)Yl dX(4) dt X(4) = ^20-^0) RT C X{2)X(A)-{~^s)Y2 dir. Fd(t) sürtünme kuvvetleri için mekanik sürtünme modeli Fd(t) : Fcsign(X(t)) + BX(t) Fe(t) Fssign(Fe(t)) X(t)*0 ise X(t) = 0ve \Fe(t)\Fs ise dir. Simülasyon programı FORTRAN programlama dilinde yazılmış ve durum uzayı denklemleri Runga-Kutta IV sayısal integrasyon metodu ile çözülmüştür. Simülasyon programı dört kısımdan oluşmaktadır. Sabitler ve parametre değerleri ana programda girilir. Kontrol sinyal değeri kontrol alt programında hesaplamr. Durum uzayı denklemleri sistem altprogramında yer almaktadır. Durum uzayı denklemleri sayısal olarak Runga-Kutta IV alt programında integre edilir. Simülasyon programının genel akış diyagramı Şekil Ö.2 ' de gösterilmiştir. Dosya tanımlamaları ve hafıza atamaları Sistem bilgilerinin okunması Sabitlerin hesaplanması Başlangıç şartlan 1 ?> Kontrol alt-programı RUNGA-KUTTAIV Alt- programı Sonuçların dosyaya kaydedilmesi Sistem Alt programı Şekil Ö.2 Simülasyon programı genel akış diyagramı xıPnömatik sistem performansı bilgisayar benzetimi yoluyla aşağıdaki kontrol algoritmaları için araştırılmıştır.. İkili Kontrol. Basınç Geribeslemeli PD Kontrol. Hız Geribeslemeli ikili Kontrol. Kayan Rejimli Kontrol. Darbe Genişliği Modülasyonu İkili Kontrol de valf alam tamamen açık veya kapalıdır. Kontrol sinyal değeri u = signixjw, - x) = sign(e) ifadesi ile hesaplamr. İkili Kontrol referans konum etrafında sürekli salınıma neden olur. Eğer ölü bölge aralığı artırılırsa yük hareketi durur fakat konum hassasiyeti elde edilemez. Basınç Geribeslemeli PD Kontrol'de valf alanları kontrol sinyal değerleri ile orantılı olarak değişir. Bu kontrol algoritmasında kontrol sinyal değeri; u = Kpe + Kr e+ KBeB ile hesaplamr. Kontrol kazançları uygun seçilirse konum hassasiyeti kolaylıkla elde edilir ve sistem cevabı hızlıdır. Referans konuma oturma zamam oldukça kısa olacaktır. Valf alanları u=+l ve u=0 kontrol sinyal değerleriyle sınırlandırılmıştır. Bu kontrol algoritmasında basınç geri beslemesi basınç hatasını sıfırlamak için yapılır. Yük titreşimsiz hareket eder. Hız Geribeslemeli İkili Kontrol temelde bir ikili kontrol algoritmasıdır. İkili Kontrol'den farkı kontrol algoritmasında hız geribeslemesi eklenmiş olmasıdır. Valf alam İklili Kontrol' de olduğu gibi tam açık veya tam kapalıdır. Kontrol sinyal değeri Uj = 1 * sign(KP (X(l W - XÇ)j ) - Kr X(l), ) ile hesaplamr. Sistem performansı -1/Kv oram ve ölü bölge aralığına bağlıdır. Kv sıfır alınırsa İkili Kontrol algoritması elde edilir. Bu kontrol algoritması küçük hız geri besleme değerleri için pratik değildir. Bununla birlikte Kv kazancı uygun seçilirse salınım sayısı azalmakta, salınım genliği ve periyodu küçülmektedir. Konum hassasiyeti ölü bölge aralığına bağlı olarak artırılabilmektedir. Bu kontrol algoritmasında referans konum da durma diğer kontrol algoritmalarına kıyasla daha kısa zamanda olabilmektedir. Kayan Rejimli Kontrol, Hız Geribeslemeli İkili Kontrol algoritmasıyla aynı kontrol algoritmasına sahiptir. Bu kontrol algoritmasında Kv kazancı Hız Geribeslemeli İkili Kontrol algoritmasıdan daha büyük seçilir. Bu kontrol algoritmasında, kayma düzlemi içerisinde bozucu kuvvetlerin geniş değişim aralığına karşı sistemin kararlılığı korunur, e-e düzleminde sistemin performans eğrisi anahtarlama doğrusu boyunca orjine hareket eder ve sönümleme etkisi altındaymış gibi davranır, aşma genliği oluşmaz. Referansa oturma zamam ve anahtarlama sayısı daha fazladır.Kv uygun seçilirse konum hassasiyeti artar. xııDarbe Genişliği Modülasyonunda hata sinyaline bağlı bir a lineer fonksiyonu tanımlanmıştır. Pulse periyodu içerisinde valfin açık veya kapalı kalma süreleri bu fonksiyona bağlı olarak belirlenir, a fonksiyonu a, = 0.5 + 0.4w* olarak tanımlanmıştır. Burada u ui = Kpe +Kve dir. Valfin açık kalma süresi a fonksiyonuyla değişir. Eğer a artarsa açık kalma zamanıda artar. Valfin açık kalma süresi referans konum civarında azalır. Bu form içerisinde açık ve kapalı kalma süresinin ayarlanmasıyla sistemin davranışı oransal valfle kontrole benzer. Pulse periyodu kısa seçilirse anahtarlama sayısı artar. Büyük pulse periyodu bu tip kontrol için pratik olmaz. Simülasayon sonuçlarına göre, sistem hareketi İkili Kontrol de sabit genlikli salınım yapar. Kontrol algoritmasında büyük ölü bölge aralığı seçilirse sistem hareketi durur fakat konum hassasiyeti elde edilmez. Basınç Geribeslemeli PD Kontrol de kısa referansa oturma zamanı ve yüksek konum hassasiyeti küçük ölü bölge aralığı ile Kv kazancı değiştirilerek elde edilir. Basınç geribeslemesi salınmışız durmayı sağlamakta,kazançlann uygun seçilmesiyle yüksek konum hassasiyeti ve kısa durma zamanı elde edilmektedir. Hız Geribeslemeli İkili Kontrol de temel olarak PD kontrole benzer Konum hassasiyeti ve kısa referansa oturma zamanı uygun ölü bölge aralığı ve Kv kazancı seçilmesiyle elde edilebilir. Kv kazancının büyük seçilmesiyle sistem Kayan Rejimli Kontrol moduna girer. Bu kontrolde, sistem aşma olmaksızın referans konumda durmaktadır. Küçük ölü bölge aralığı ile konum hassasiyeti artırılabilir. Kayan Rejimli Kontrol de referansa oturma zamam Hız Geribeslemeli İkili Kontrole göre daha büyüktür. Darbe Genişliği Modülasyonunda hareketi referans konum civarında küçük bir aşma genliği ile durur. Konum hassasiyeti salınımsız elde edilebilir. Referansa oturma zamam kısadır. Bu kontrol algoritmasının sonuçları PD kontrol algoritmasının sonuçlarına benzemektedir. xııı

Özet (Çeviri)

PNEUMATIC POSITION CONTROL SUMMARY Real dynamic systems are nonlinear and they are expressed with the nonlinear differential equations. In the linear analysis and design methods, linear approximations to the real systems models are generally used in order to gain,such as the linearization about one or set point methods. A disadvantages of these methods real system performance cannot be obtained if the linear approximations increas and that is far away from linearization point. However, nonlinear equations are much more difficult to solve than linear ones. Therefore, numerical simulation tecniques and numerical integration methods by computer are used in order to solve nonlinear equations. So that, the real system performance aided these methods is obtained with the minimum error while system nonlinearities are conserving. The other reason these methods have to the high solution speed. In this study, a computer simulation program in FORTRAN programming language has been written for the fourth-order pneumatic system dynamic model and its feedback control. An analytical solution of such a system is not available because of the nonlinearities associated with the orifice, gas compressibility, nonlinear friction forces, relay variations of payload and external forces, thermodynamic flow etc. Therefore, nonlinear dynamic model equations of the pneumatic system have been solved using the Runga Kutta IV numerical integration tecnique in the simulation program. At the simulation applications, the parametre values such as the initial conditions, pneumatic cylinder dimensions, payload, supply pressure are the same as with the experimantal system. Fs static friction value evaluated using measured pressure at the experimantal instrument. Object of the computer simulation is to determine performance of the pneumatic system with the closed loop control algoritms. Using all of the known system parameters and approches, On -Off control, PD control with pressure feedback, On-Off control with velocity feedback Sliding Mode Control and Pulse Width Modulation control algoritms for the pneumatic position control have been tested using the fourth - order computer simulation model of the pneumatic system. System performance has been examined for a change pulse period and dead zone parameters. Pneumatic systems are widely used in industry. The main advantages of using pneumatic systems are that air is clean, inexpensive and is readily available for use on the shop floor. Air can also provide high power for large loads in construst to electric motion control systems, no heavy motors with complex gearing are required ifa pneumatic system is used,In addition pneumatic systems can be used with direct- drive mechanisms for an easy implemantation of force control applications. Although, many pneumatic control applications are the open-loop control mode and mechanical motion is stopped helping mechanical stopers. The main object of pneumatic position control applications is to achive the position accurancy without using any mechanical stops in the actuator. However, the fundamental proplems in xivthe continuous position control applications with the closed-loop are the air compressibility, poor damping ability, significant mechanical friction and strong nonlinearities. Object new control stratejies pneumatic systems under computer control are to overcome these problems and to meet the demand of simple and low cost automation. In the recent years, pneumatic position control systems have been based on the field of pneumatic robot manipulators. The new pneumatic position control stratejies have been generally developped by these applications.Proportiontfl valves are very expensive than on-off valves. Using on-off valve in the pneumatic systems is low cost automation but position accurancy can not be obtained.The other object of new control stratejies is to obtain the position accurancy at the on-off controlled pneumatic systems. So that the details of dynamic beheviour reaching high position accurancy is important at the on-off valve controlled pneumatic systems. In this study, the fourth-order computer simulation model of a cylindric and symmetric linear pneumatic cylinder with one degree of freedom and double acting has been obtained. The structure of pneumatic system is seen in the Figure SI. II. Control Volume P T V u M Figure SI: Structure of the pneumatic system The state-space variables charectarizing the pneumatic system beheviour are position X(l) = X, velocity X(2) = X = v, pressure in the first control volume X(3) = Px and pressure in the second control volume X(4) =P2. The fourth order state- space equations of dynamical system including control signal are dXQ) dt = X{\) = X{2 ^P- = X(2) = ^-[A1X(3)-A2X(4)-Fd(t)] at M XVdt Here, the mechanical friction model for the friction forces is given as the following; Fd(t) = Fcsign(X(t)) + BX(t) Feit) if Fssign(Fe(t)) if if XQ)*0 X(t) = 0ve \Fe(t)\

Benzer Tezler

  1. Tez No

    543975

    Pnömatik konum kontrolü

    Pneumatic position control

    MERT TURGUT ŞENOL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mekatronik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET ERDİL

  2. Tez No

    165956

    Pnömatik konum kontrolü

    Pneumatic position control

    HASAN BASRİ ULAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Makine MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YÜCEL ERCAN

  3. Tez No

    223119

    Pnömatik konum kontrolü

    Pneumatic position control

    FETHİ NURTAÇ AKDAĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. AHMET KUZUCU

  4. Tez No

    75303

    Hassas ve katı pnömatik konum kontrolü

    Accurate and robuts pneumatic porition control

    İLKER MURAT KOÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET KUZUCU

  5. Tez No

    374691

    Pnömatik sistemlerde konum geri beslemesi yapılarak basınç ayarlaması ile hassas konum kontrolü

    Sensitive position control by pressure adjustment in pneumatic systems with position feedback

    HARUN GEZİCİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Mekatronik MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BİRHAN IŞIK

Geri Dön