Skip to main content
SUPERVISOR
ایمان ایزدی نجف آبادی (استاد راهنما) محسن اکرامیان (استاد مشاور) فرید شیخ الاسلام (استاد راهنما)
 
STUDENT
Sayedfakhreddin Alem
سیدفخرالدین عالم

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393

TITLE

Sliding Mode Control Based on Hysteresis Observer for Piezoelectric Actuators
In the last two decades, industrial and research applications which needed to high-precision positioning have grown rapidly and widely. Piezoelectric actuator is one of the most useful choices in this field. Despite the high resolution, linear and nonlinear dynamics of this actuator, such as hysteresis, could decrease the closed-loop control system performance. Hence, very diverse research has been done about the modeling and control of it. The purpose of this study is hysteresis compensation and precise position control of this actuator. The Bouc-Wen model and sliding mode control method are used for this goal. Most of the similar studies consider the hysteresis as an uncertainty or disturbance. This leads to a conservative controller and decrease in control system performance. The main innovation of this study is hysteresis compensation using its momentary value and closed-loop system stability analysis. The hysteresis is an internal state of system, and is not measurable. In this thesis, for hysteresis observation the high-gain observer is proposed and designed, firstly. Also, the observer-based controller and joint stability analysis are presented. For situation where the mass, stiffness and damping coefficient of the model are unknown, the control rule using the parameter adaptation is presented and its effectiveness is shown. For robustness against the unstructured uncertainty, sliding mode observer and controller are proposed and stability is proven. The sign function in sliding mode control could lead to chattering in actuator output and control signal. This phenomenon reduces the response quality and might result in failure of mechanical parts. Whereas using the functions such as saturation could reduce this problem, but it does not fundamentlly resolve it. Chattering is completely eliminated by the presented method. One of the problems of sliding mode control is the large control gain due to stability requirements, which leads to performance loss. For preventing this problem, the gain is adaptively estimated proportional to the closedloop system error. In summary, hysteresis compensation using its momentary value, joint stability analysis of observerbased controller, robustness against the structured and unstructured uncertainty, chattering elimination and adaptation of the controller gain are the advantages of the presented methods. The proposed methods are validated using simulation and experimental results. The experimental tests are done using the real actuator, laboratory setup and LabVIEW software. Also, the results are compared to other methods using quantitative criteria. Key Words : 1- Piezoelectric actuator, 2- Hysteresis phenomenon, 3- Observer-based controller, 4- Joint stability proof, 5- Chattering, 6- Sliding mode control
در دو دهه اخیر کاربردهای صنعتی و پژوهشی که نیاز به کنترل دقیق موقعیت‌ دارند، رشد سریع و گسترده‌ای داشته‌اند. عملگر پیزوالکتریک یکی از پرکاربردترین گزینه‌ها در این حوزه است. با وجود تفکیک‌پذیری بالا، دینامیک‌های خطی و غیرخطی موجود در این عملگر مثل پسماند می‌توانند منجر به افت دقت سیستم کنترل حلقه‌بسته شوند. از این‌رو در زمینه مدل‌سازی و کنترل آن پژوهش‌های بسیار متنوعی انجام شده‌است. هدف از این تحقیق، جبران پسماند و کنترل دقیق موقعیت این عملگر است. یرای این کار از مدل Bouc-Wen و روش کنترل مد لغزشی استفاده می‌شود. عمده پژوهش‌های مشابه، پسماند را به عنوان یک نامعینی یا اغتشاش در نظر می‌گیرند. این کار منجر به محافظه‌کارانه شدن کنترل‌کننده و افت عملکرد سیستم کنترل می‌شود. نوآوری اصلی این پژوهش، در جبران پسماند با استفاده از مقدار لحظه‌ای آن و چگونگی تحلیل پایداری سیستم حلقه‌بسته است. پسماند یک حالت داخلی سیستم بوده و قابل اندازه‌گیری نیست. در این رساله برای تخمین متغیر پسماند ابتدا رویت‌گر بهر‌ه‌بالا پیشنهاد و طراحی می‌شود. همچنین قانون کنترل مبتنی بر این رویت‌گر و اثبات پایداری توام سیستم ارائه می‌گردد. برای شرایطی که ضرایب جرم، سختی و میرایی مدل، نامشخص باشند، قانون کنترل با استفاده از تطبیق برخط پارامتر ارائه و کارایی آن نشان داده می‌شود. برای مقاوم کردن سیستم در برابر نامعینی غیرساختاری، رویت‌گر مد hy; لغزشی و کنترل‌کننده مبتنی بر این رویت‌گر پیشنهاد و پایداری آن اثبات می‌شود. تابع علامت در روش کنترل مد لغزشی می‌تواند منجر به پدیده نوسان فرکانس‌بالا در خروجی عملگر و سیگنال کنترل شود. این پدیده افت کیفیت پاسخ و استهلاک یا خرابی قطعات مکانیکی را در پی دارد. استفاده از توابعی مثل اشباع اگرچه منجر به کم‌رنگ شدن این پدیده می‌شود اما مشکل را به صورت اساسی حل نمی‌کند. در روش پیشنهادی این رساله با تصحیح قانون کنترل، نوسان فرکانس‌بالا به طور کامل حذف می‌شود. یکی دیگر از مشکلات روش کنترل مد لغزشی بزرگ شدن بیش از حد بهره کنترلی به دلیل الزامات پایداری است که منجر به افت عملکرد سیستم می‌شود. جهت جلوگیری از این مشکل، مقدار بهره متناسب با خطای سیستم حلقه‌بسته به صورت تطبیقی تخمین زده می‌شود به طور خلاصه، جبران دقیق پسماند با استفاده از مقدار لحظه‌ای آن، ارائه تحلیل پایداری توام کنترل‌کننده مبتنی بر رویت‌گر، مقاوم بودن در برابر نامعینی ساختاری و غیرساختاری، حذف نوسان فرکانس‌بالا و توانایی تطبیقی شدن بهره کنترل‌کننده از مزایای روش‌های ارائه‌شده در این رساله است.روش‌های پیشنهادی براساس نتایج شبیه‌سازی و عملی صحه‌گذاری می‌شود. آزمایش‌های عملی با استفاده از عملگر واقعی، سخت‌افزار آزمایشگاهی و نرم‌افزار LabVIEW انجام می‌شود. همچنین با ارائه معیارهای کمی، نتایج رساله با روش‌های دیگر مورد مقایسه قرار می‌گیرد. واژه های کلیدی: 1- عملگر پیزوالکتریک، 2- پدیده پسماند، 3- کنترل کننده مینی بر رویتگر، 4- اثبات پایداری توام، 5- نوسان فرکانس بالا، 6-کنترل مدل لغزشی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی