Tek uzuvlu esnek manipülatörün artık titreşimlerinin baskılanmasında optimizasyon tabanlı bir kontrol algoritmasının geliştirilmesi
Development of an optimisation-based control algorithm for suppressing residual vibrations of a single-link flexible manipulator
Yazar: SEZGİN ESER
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVDA TELLİ ÇETİN
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve  Dinamiği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Denetim = Control ; Euler-Bernoulli çubuğu = Euler-Bernoulli beam ; Manipülatör = Manipulator ; Optimizasyon = Optimization ; Yapay arı kolonisi algoritması = Artificial bee colony algorithm

Özet:
Bu tez çalışmasında tek uzuvlu esnek bir manipülatör için sistem enerjisine dayanan bir kontrolcü geliştirilmiştir. Esnek uzvun modellenmesinde Euler-Bernoulli kirişi dikkate alınmıştır. Sistemin indirgenmiş dinamik modeli ise Varsayılan Modlar Metodu kullanılarak elde edilmiştir. Konum ve titreşim kontrolü, sistemin tek kontrol girişi olan motor torku ile gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen kontrolcüde üç adet bağımsız parametre yer almaktadır. Bağımsız parametreler için uygun değerlerin belirlenmesinde Yapay Arı Kolonisi Algoritması kullanılmıştır. Algoritma ile tüm bağımsız parametreler aynı anda optimizasyon sürecine alınmış ve uygun tork değeri belirlenmiştir. Ek olarak, esnek manipülatörün farklı uç kütleye sahip olduğu durumlarda da kontrolcünün uygulanabilir olması için bir algoritma geliştirilmiştir.

Geliştirilen kontrolcünün performans incelemesi için MATLAB yazılımında simülasyon hazırlanmıştır. Performans incelemesi, hedeflenen açısal konuma ulaşma süreleri, açısal konumda meydana gelen aşmalar, hareket sırasında meydana gelen uç nokta salınımları, açısal hız değerleri ve ihtiyaç duyulan maksimum tork değerleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, tork ifadesinde yer alan tüm parametrelerin optimizasyonuna ilişkin sonuçlar, parametrelerin farklı kombinasyonlar ile optimize edildiği ve tüm parametrelerin uygun sabit değerlerde seçildiği durumlara ilişkin sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. İkinci adımda, geliştirilen kontrolcü, katsayıları Yapay Arı Kolonisi Algoritması ile optimize edilmiş klasik PD kontrolcü ile karşılaştırılmıştır. Üçüncü adımda, geliştirilen kontrolcünün literatürde yer alan bir kontrolcü ile performans karşılaştırması gerçekleştirilmiştir. Dördüncü ve son adımda ise farklı uç kütle durumları için geliştirilen kontrolcünün performansının değerlendirilmesi amacı ile farklı uç kütle durumlarına ilişkin simülasyon sonuçları incelenmiştir. 

Geliştirilen kontrolcü ile farklı uç kütle değerleri için dahi hedeflenen açısal konuma hızlı ve düşük aşma değerleri ile ulaşılmış ve hareket sırasında meydana gelen salınım hareketleri sönümlenmiştir. Kontrolcünün farklı uç kütle durumlarında dahi başarılı bir kontrol gerçekleştirdiği, ek olarak optimizasyon sürecinde kısa döngüler sonucunda uygun parametrelerin elde edilebildiği sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
In this thesis, a controller based on system energy has been developed for a single link flexible manipulator. The flexible link is considered as Euler-Bernoulli beam and its lumped dynamic model is based on Assumed Mode Method. Position and vibration control are realised with a single controller as motor torque. The controller has three parameters that must be selected. Artificial Bee Colony Algorithm is performed to obtain suitable parameter values. All three parameters are optimised simultaneously with the algorithm and the suitable torque values are achieved. In addition, to extend the controller for different payload conditions, an algorithm is developed and added to the control process.

MATLAB simulations are applied to illustrate the performance of the controller. Performance investigation is carried out over settling time, overshoot percentages, tip point vibration and maximum torque values. First, results achieved with all parameter optimisation are compared with the results achieved with combined parameter optimisation and the results achieved with constant proper parameters. In the second step, results are compared with PD control which controller coefficients are also optimised with Artificial Bee Colony Algorithm. In the third step, the performance of the controller is compared with a reference method. In the last step, simulations are applied with different payload conditions to illustrate the performance of the algorithm developed for different payload conditions.

Simulations show that the flexible manipulator achieves the position objective in a small amount of time without overshoot and exhibits satisfactory performance in terms of vibration suppression even with different payload conditions. In addition, Artificial Bee Colony Algorithm finds the suitable values within short cycles in the optimisation process.