LPV modele dayanan kazanç programlamalı h∞ kontrolcü ile akıllı bir piezo kirişin titreşim kontrolü
Vibration control of a smart piezo beam by using the gain scheduling h∞ controller based on LPV model
Yazar: ABDULLAH TURAN
Danışman: DOÇ. DR. CEM ONAT ; DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Kurşun-Zirkonyum-Titanyum (PZT) yamaları ile donatılmış değişken parametreli akıllı bir konsol kirişin düzleme dik birinci eğilme titreşimini bastırmak için ağırlıklı geometrik merkez (AGM) yöntemi ile tasarlanan bir PID kontrolcünün etkinliği araştırılmıştır. Bunun yanında Lineer Parametre Değişimli (LPV) model temeline dayanan bir kazanç programlamalı H∞ denetleyicisi tasarlanmış ve uygulanmıştır. Çalışmada ayrıca sistemin sıfırlarını iptal eden yeni bir LPV modelleme tekniği de tanıtılmaktadır. Bahsedilen robust kontrolcü tasarımı birbirini izleyen üç adımda gerçekleştirilmiştir. Birinci adımda, serbest ucuna bir mikro servo motor aracılığıyla dönebilecek şekilde bir kütle eklenmiş kirişin değişken parametreli modeli deneysel olarak elde edilmiştir. İkinci adımda, değişken parametre modelini içeren orijinal bir LPV modeli elde edilmiştir. Son adımda ise, LPV modelinde kazanç programlamalı H∞ kontrolcü tasarlanmıştır. Elde edilen kontrolcü daha sonra hem simülasyonlar hem de deneysel doğrulama için kullanılmıştır. Sistemdeki parametre değişikliklerine yanıt olarak, önerilen kontrolcünün, sağlam bir performans sergileyerek kiriş titreşimlerini baskılayabildiği gösterilmiştir. Son olarak tasarlanan kontrolcünün sisteme uygulanmasıyla elde edilen kontrolcü ve sensör çıkış verileri Matlab/Araç kutusunda yapay sinir ağına öğretilerek kirişin ucuna entegre edilmiş, servo kol mekanizmasının açı tahmini benzetimsel olarak yapılmıştır.   
Uygulamada, önerilen LPV kontrolcü tasarım stratejisi, parametreleri zamanla çeşitli yük koşullarına göre değişen ve dolayısıyla ilgili sistemin pasif özelliklerini derinden etkileyen uçak kanatlarının titreşim kontrolü için işlem yapılabilir.

Abstract:
In this study, the effectiveness of a PID controller designed by weighted geometric center (WGC) method has been investigated to suppress the first out of plane bending vibration of a variable parameter smart beam equipped with Lead-Zirconium-Titanium (PZT) patches. Besides, a gain scheduling H∞ controller based on Linear Parameter Varying (LPV) model has been designed and applied. This study also introduces a novel LPV modelling technique which defalcates the zeros of the system. The mentioned robust controller design has been carried out in three successive steps. In the first step, the variable parameter model of the beam with an added mass at its free end can rotate through a micro servo motor has been experimentally obtained. In the second step, an original LPV model including the variable parameter model has been obtained. In the last step, H∞ controller with gain scheduling has been designed on LPV model. The obtained controller has been then used both for simulations and experimental verifications. It has been shown that in response to parameter changes in the system, the proposed controller is capable of suppressing the beam bending vibrations by also exhibiting a robust performance. Finally, the controller and the sensor output data obtained by applying the designed controller to the system have been taught to the artificial neural network in Matlab / Toolbox and the angle estimation of the servo arm mechanism integrated at the end of the beam has been performed both simulatively and experimentally.
In practice, the proposed LPV controller design strategy can be transacted for vibration control of aircraft wings, the parameters of which vary according to various load conditions changing in time and therefore deeply affects the passive characteristics of the system of interest.