Skip to main content
SUPERVISOR
Yadollah Zakeri hoseinabadi,Jafar Ghaisari,Eman Ezadi
یداله ذاکری حسین ابادی (استاد مشاور) جعفر قیصری (استاد راهنما) ایمان ایزدی نجف آبادی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Aliakbar Davoodi Beni
علی اکبر داودی بنی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Modelling of Piezoelectric Actuator and Control and Implementation of a Precision Positioning System
In electrical systems, electric motors are the most common actuators In some applications that extra precision e.g., micrometer and nanometer, is required, conventional motors can’t be used; because of their structural disability. In applications that need extra precision such as precision positioning systems (molecule scale microscopies, for example) new actuators are used. These actuators based on smart materials such as magnetostrictives, piezoelectrics, and shape memory alloys (SMAs). Piezoelectric actuators have been used widely in precision positioning applications, due to their advantages including fast response time, large mechanical force and simple setup. However, existence of nonlinearities such as hysteresis and creep and also vibrational dynamics make control of piezoelectric actuators challenging. Therefore, modeling and analysis of nonlinearities and vibrational dynamics play an important role in performance of control systems in precision positioning applications. In this study, first, mathematical model of a piezoelectric actuator is derived and implemented in MATLAB. Then, the obtained model is validated in comparison with actual output of piezoelectric actuator. To achieve actuator model, hysteresis is modeled and placed in cascade with linear dynamics of piezoelectric actuator. For this purpose, suitable model and appropriate identification algorithm for hysteresis is selected and implemented. Next, control structures that have been used to control piezoelectric actuators are studied and kashida; TEXT-ALIGN: justify; TEXT-KASHIDA: 0%; MARGIN: 0cm 0cm 10pt; unicode-bidi: embed; DIRECTION: ltr" Precision positioning, piezoelectric actuator, hysteresis, creep, vibrational dynamics, nonlinear identification, adaptive control.
موتورهای الکتریکی متداول‌ترین عملگرها برای ایجاد جابجایی توسط انرژی الکتریکی محسوب می‌شوند. اما در کاربردهایی که دقت بالا و در حد میکرومتریا نانومتر، مورد نیاز باشد، این دسته از عملگرها، به دلیل ناتوانی‌های ساختاری در رسیدن به این میزان دقت، غیرقابل استفاده هستند. در کاربردهایی همچون میکروسکوپ‌های مقیاس مولکولی و تجهیزات بررسی ویژگی‌های پرتوهای لیزر، که به میزان دقت بالایی نیاز دارند، عملگرهای مبتنی بر مواد هوشمند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. این عملگرها، شامل عملگرهای پیزوالکتریک، عملگرهای مغناطیسی و عملگرهای مبتنی بر آلیاژهای حافظه‌دار و شکل‌پذیر می‌شوند. عملگرهای پیزوالکتریکیا به اختصار موتورهای پیزوالکتریک، به دلیل سهولت در راه‌اندازی، نیروی نسبتاً بالا نسبت به ابعاد، سرعت و دقت مناسب کاربرد بیش‌تری نسبت به دیگر عملگرهای مرسوم در این حوزه به دست آورده‌اند. باوجود ویژگی‌های مثبت یاد شده برای این دسته از عملگرها، وجود دینامیک‌های لرزشی و پدیده‌های غیرخطی، نظیر هیسترزیس و خزش باعث بروز مشکلاتی در کنترل سیستم‌های استفاده کننده از این عملگرها می‌شود. از این رو، شناسایی و تحلیل این پدیده‌ها نقش اساسی در تحلیل رفتار سیستم و طراحی کنترل‌کننده خواهد داشت. در این پایان نامه، پس از شناسایی، مدل‌سازی و تحلیل دینامیکی رفتار یک موتور پیزوالکتریک، مدل این موتور در محیط نرم‌افزار MATLAB پیاده‌سازی شده و سپس، صحت مدل ارزیابی شده‌ است. برای رسیدن به مدل موتور، پدیده‌ی غیرخطی هیسترزیس به صورت جداگانه شناسایی شده و به صورت متوالی در کنار مدل خطی موتور پیزوالکتریک قرار گرفته است.بدین منظور، باید مدل مناسب برای توصیف پدیده‌ی هیسترزیس انتخاب شده و پارامترهای مدل شناسایی شوند. در ادامه، سیستم‌های کنترلی که تاکنون برای غلبه بر پدیده‌های نامطلوب موجود در پاسخ عملگرهای پیزوالکتریک ارائه شده است، بررسی شده و سه ساختار کنترلی مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا، کنترل‌کننده‌ی PI در ساختار حلقه بسته طراحی و پیاده‌سازی شده است. سپس، یک روش کنترلی پیش‌خور وفقی با هدف حذف اثرات نامطلوب پدیده‌ی هیسترزیس پیشنهاد شده و نتایج آن مورد بررسی قرار گرفته است.در ادامه، عملکرد سیستم کنترل پیشنهادی با یک سیستم کنترلی مشابه مقایسه شده است. نکته‌ی قابل توجه در سیستم کنترلی پیشنهادی، کاهش قابل توجه محاسبات به همراه بهبود نسبی عملکرد سیستم کنترل است.سپس،یک سیستم کنترل با ساختار تلفیقی طراحی شده است. این ساختار، تلفیقی از ساختار کنترل حلقه بسته و پیش‌خور است. در این ساختار، از جبران‌ساز هیسترزیس به عنوان کنترل‌کننده‌ی پیش‌خور، و از کنترل‌کننده‌ی PI به عنوان کنترل‌کننده‌ی مسیر فیدبک استفاده شده است. در انتها نتایج این ساختار با ساختار حلقه بسته مقایسه شده است. واژه های کلیدی: کنترل موقعیت دقیق، موتور پیزوالکتریک، هیسترزیس، خزش، دینامیک های لرزشی، شناسایی غیرخطی، کنترل وفقی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی