SUPERVISOR
Eman Ezadi,Jafar Ghaisari
ایمان ایزدی نجف آبادی (استاد راهنما) جعفر قیصری (استاد راهنما)
STUDENT
Sarah Tayouri
سارا طیوری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Controller Design and Implementation for Piezoelectric Actuator in a Micro Positioning System
Due to the development of technology, actuators possessing high precision performances are increasingly needed more than before. Because of their high precision, fast expansion, and independence from the magnetic field piezoelectric actuators are superior in comparison to other actuatos based on intelligent materials. However, hysteresis, creep, and also vibration phenomena make control of piezoelectric actuators challenging. Among mentioned characteristics, the nonlinear hysteresis effect declines precision, bandwidth, and accuracy. In this thesis, a dynamical model for a piezoelectric actuator is obtained, and the parameters of the hysteresis, vibration, and creep are calculated. The Levenberg-Marquardt algorithm for identification of parameters of the Bouc-Wen, Normalized Bouc-Wen, and the C-H model i MATLAB have been proposed. Validation of the performance of obtained values has been tested by applying multi-sine wave as an input to the experimental setup. Next, the hysteresis model, creep, and vibration have been connected in series in order to explain the precision positioning system. Then, for each of the models a controller was designed, and implemented in LabVIEW. The purpose of the implementation of the controller is to have a tracking, which means that the piezoelectric actuator moves periodically in the direction of stacks placement. For the C-H model a feedforward controller i designed to compensate the hysteresis effect. Then, by adding a PID controller, a feedforward-feedback controller is designed for this model. The C-H model provides a good approximation of hysteresis, and is used in many references. However, this model describes only hysteresis, and does not show the linear dynamics of the piezoelectric actuator. The Bouc-Wen model, in addition to describing the hysteresis, models linear dynamics too. Therefore, this model was used to design nonlinear controllers. A sliding mode controller was designed for tracking of a sinusoidal path without chattering. Stability of the closed-loop system was proved using Lyapunov-like stability theorems. Then an adaptive backstepping controller was designed with the assumption of parameter uncertainity. Comparing to the sliding mode method, the complexity of this controller is higher; therefore, this structure showed a slow performance. To overcome these problems, the sliding mode controller has been added to the previous controller to increase the speed of the program. The proposed structure has made controller behavior softer, and improved its speed, and performance. A normalized Bouc-Wen model was then used with auto tunning optimized PID controllers. The proposed controllers are implemented on an experimental setup. Simulation and experimental results show satisfactory performance of the proposed control rules. Key Words: Piezoelectric Actuator, High Precision Positioning System, Parameters Identification, Hysteresis, Sliding Mode Controller, Adaptive Backstepping Controller.
با پیشرفت و گسترش فناوری، نیاز به عملگرهایی که بتوانند جابه‌جایی را با دقت و عملکرد بالا انجام دهند؛ افزایش یافته است. در این بین عملگرهای پیزوالکتریک با داشتن ویژگی‌هایی نظیر دقت بالا، انبساط سریع، عدم وابستگی به میدان مغناطیسی و تولید نیروی بالا نسبت به سایر عملگرهای مبتنی بر مواد هوشمند برتری دارند. از عملگرهای پیزوالکتریک در کنترل پرتوهای لیزر در چشم پزشکی، کنترل ارتعاشات بال هواپیما و در میکروسکوپ‌های مقیاس مولکولی استفاده می‌شود. علیرغم کاربردهای گسترده‌ی این عملگرها، وجود چالش‌هایی چون دینامیک‌های لرزشی، پدیده‌ی خزش و پسماند، کنترل سیستم‌های استفاده‌کننده از آن‌ها را دچار مشکل می‌کند. در این بین وجود پدیده‌ی غیرخطی پسماند موجب کاهش دقت، پهنای باند و به‌طور کلی عدم صحت موقعیت خروجی سیستم موقعیت‌دهی دقیق می‌گردد. در این پژوهش، ابتدا مدل‌سازی عملگر پیزوالکتریک و شناسایی پارامتر مدلهای پسماند، لرزش و خزش انجام شده است. هدف از شناسایی پسماند این است که پارامترهای مدل به‌گونه‌ای تخمین زده شوند؛ که خروجی مدل در حد امکان به خروجی اندازه‌گیری شده نزدیک باشد. الگوریتم لیونبرگ-مارکارد برای شناسایی پارامتر مدلهای ،C-H Bouc-Wen وBouc-Wen نرمالیزه پیشنهاد شده است. با اعمال حاصل جمع چند سیگنال سینوسی به تجهیزات آزمایشگاهی و دریافت خروجی و مقایسه‌ی آن‌ها با خروجی مدل، صحت مقادیر به دست آمده ارزیابی شد. سپس مدلهای خطی خزش و دینامیک‌های لرزشی با استفاده از نرم‌افزار شناسایی MATLAB به دست آمدند. پس از شناسایی عملگر پیزوالکتریک و دست‌یابی به مدل‌ها، به شبیه‌سازی ساختار‌های مختلف کنترل‌کننده پرداخته شده است؛ سپس کنترلکنندههای پیشنهادی به منظور ارزیابی صحت عملکرد بر روی تجهیزات آزمایشگاهی پیاده‌سازی شدند. در ادامه، برای هر یک از مدلهای به دست آمده بر حسب نوع رفتار کنترل‌کننده‌ی مناسب طراحی و در نرم‌افزار LabVIEW پیاده‌سازی شده است. هدف از پیاده‌سازی کنترل‌کننده ردیابی یک مسیر سینوسی است بدین معنی که عملگر پیزوالکتریک عمود بر راستای قرار‌گیری پشته‌ها، به صورت تناوبی حرکت کند. برای مدل C-H به منظور جبران اثر پسماند ابتدا کنترل‌کننده‌ی پیش‌خور طراحی شد. سپس با افزودن کنترل‌کننده‌ی PID به مسیر فیدبک، کنترل‌کننده‌ی پیش‌خور-پس‌خور برای این مدل طراحی گردید. مدل C-H با تقریب خوبی پسماند را توصیف می‌کند و در بسیاری از مراجع مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ اما این مدل تنها به توصیف پسماند می‌پردازد و دینامیک‌های خطی عملگر پیزوالکتریک را نشان نمی‌دهد. مدل Bouc-Wen علاوه بر توصیف پسماند، دینامیک‌های خطی عملگر را نیز مدل می‌کند؛ بنابراین از این مدل برای طراحی کنترلکنندههای غیرخطی استفاده شده است. با در نظر گرفتن نامعینی جمع شونده در مدل Bouc-Wen به طراحی کنترل‌کننده‌ی مد لغزشی پیشنهادی به منظور ردیابی مسیر سینوسی بدون چترینگ پرداخته شد. سپس کنترل‌کننده‌ی گام به عقب تطبیقی با فرض نامعین بودن پارامترهای شناسایی شده، طراحی گردید. تطبیق یافتن پارامترها به مقادیر واقعی زمان‌بر است، از طرفی در مقایسه با روش مد لغزشی حجم برنامه و محاسبات این کنترل‌کننده بیشتر بود؛ بنابراین این ساختار عملکرد کندی داشت. برای رفع این مشکلات، کنترل‌کننده‌ی مد لغزشی به منظور افزایش سرعت اجرای برنامه و مقابله با اغتشاشات خارجی به کنترل‌کننده‌ی قبلی افزوده گردید. ساختار پیشنهادی موجب نرم‌تر شدن رفتار کنترل‌کننده و بهبود سرعت و عملکرد آن شد. در ادامه به دلیل محدودیت‌های مدل Bouc-Wen در پذیرش کنترل‌کننده‌ی خطی، از مدل Bouc-Wen نرمالیزه برای طراحی کنترل‌کننده‌ی PID بهینه خودتنظیم استفاده شده است. در آخر نتایج حاصل از پیاده‌سازی انواع کنترل‌کننده بررسی و مقایسه شدند. عملگر پیزوالکتریک، سیستم‌های موقعیت‌دهی دقیق، شناسایی پارامتر، کنترل‌کننده‌ی گام به عقب تطبیقی، کنترل‌کننده‌ی مد لغزشی.