Hidrolik simülatörlerin kontrolü
Control of hydraulic simulators
Yazar: UFUK DURSUN
Danışman: PROF. DR. AFİFE LEYLA GÖREN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Hidrolik simülatörler, bir ürünün çalışma şartlarında maruz kaldığı yükleri laboratuvar ortamında ilgili ürüne yeniden uygulayan test sistemleridir. Bu sayede ürünün ömür ve yorulma analizlerinde daha gerçekçi çözümler elde edilmiş olur. Deneme yanılma ile ürün geliştirmenin maliyetli olduğu alanlarda, özellikle savunma, otomotiv, uzay ve havacılıktaki ARGE çalışmalarında, çalışma şartlarının benzetiminin oluşturulması sayesinde ürün geliştirme maliyetleri oldukça düşer. İvme veya gerilme olarak ölçülen çalışma yükleri yorulma açısından incelenip, işlenerek kontrol sisteminin takip edilecek yörüngesi haline getirilir ve bu yük işaretleri test edilen ürüne sıklıkla hidrolik eyleyicilerle verilmektedir. Hidrolik eyleyicilerin olumlu özelliği yüksek güçlere çıkabilmesidir. Buna rağmen, servovalf yapısının doğrusal olmayan karakteristiği sebebi ile kontrol edilmesinde sorunlar yaşanır. Temel olarak yörünge takip problemi olan kontrol sorunu konusunda literatürde pek çok yöntem bulunmaktadır. Piyasada kullanılan hidrolik simülatörlerin tamamına yakınında model temelli yineleyerek öğrenmeli kontrol (Iterative Learning Control- ILC) yönteminin farklı çeşitleri kullanılmaktadır; bu yöntem, kapalı çevrimli doğrusal hidrolik konum kontrolü, açık çevrim ters model ivme/gerilme kontrolü ve ILC aşamalarından oluşmaktadır. ILC sonucunda elde edilen optimize edilmiş hidrolik silindir konum referans işareti, ürün testinde kullanılmak üzere kaydedilir ve ürün bu referans işaretleri kullanılarak çalışma şartlarındaymış gibi test edilir. 
Bu tez kapsamında test sistemlerinin özel bir alanı olan hidrolik simülatörler için model temelli ILC tasarımı gerçekleştirilmiştir. Sistem dinamiklerinin belirlenmesi ve sistem analizi için hidrolik simülatörün matematik modeli oluşturulmuştur. Ele alınan tüm sistem dinamikleri kullanılarak MATLAB- SIMULINK modeli oluşturularak, sistem parametrelerinin sayısal değerleri deney düzeneğinde kullanılan sistem elemanlarının teknik dokümanları kullanılarak ve gerçek sistemden alınan ölçümler kullanılarak belirlenmiştir; bu sayede tasarım için gerçekçi bir çalışma ortamı sağlanmıştır. Oluşturulan sayısal benzetim ile gerçek sistem model doğrulama testleri yapılmıştır. Sistem belirsizliklerini ve sistem doğrusallığının yüksek olması için test numunesi kütle-yay sistemi olarak seçilmiştir, bu sayede servovalfin doğrusallığının sistem performansına etkisinin daha iyi gözlenebilmesi sağlanmıştır. Kontrol algoritmasının ilk aşaması olan hidrolik silindirin konum kontrolü için sistem modelleme aşamasında elde edilen doğrusal olmayan matematik model kullanılarak iki farklı yöntem ile kontrolör tasarımı yapılmıştır. Birinci yöntemde servovalfin doğrusal olmayan matematik modeli belirli çalışma noktaları etrafında Taylor serisi açılımı kullanılarak doğrusallaştırılmış ve test sistemi için ayrık transfer fonksiyonu oluşturulmuştur. İkinci yöntemde servovalfin matematik modelinde doğrusallığı bozan matematiksel ifade geribesleme ile doğrusallaştırma yöntemi ile elimine edilmiştir, geribesleme ile doğrusallaştırma sonucu ortaya çıkan doğrusal valf modeli kullanılarak test sistemine ait ayrık transfer fonksiyonu oluşturulmuştur.  Oluşturulan transfer fonksiyonlarına ait kutup- sıfır yapısı incelenerek tasarımın kolaylaştırılması amacıyla model indirgemesi yapılmıştır. Yapılan incelemede iki sistem için kutup- sıfır yapısının aynı olduğu, sistem ileri yol kazancının yapılan doğrusallaştırma türüne bağlı olduğu gözlenmiştir. Kontrolör tasarımı için perfor-mans kriterleri literatür araştırması ve deney düzeneği limitleri göz önünde bulundurularak belirlenmiştir. Tasarım kriterlerine göre indirgenmiş transfer fonksi-yonları kullanılarak P tipi geribeslemeli ayrık kontrolör tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan kontrolörler SIMULINK modeli üzerinde denenerek performans testleri yapılmıştır. Çalışma noktası etrafında doğrusallaştırılmış model ve geribesleme ile doğrusallaştırma sonucu elde edilen modeller açık çevrim davranışları açısından incelendiğinde geribesleme ile doğrusallaştırılmış sistemin tüm çalışma bölgeleri için doğrusallığının daha iyi olduğu gözlenmiştir. Kapalı çevrim konum kontrol performansları için yapılan testlerde çalışma noktalarından uzaklaşıldıkça geribesleme ile doğrusallaştırılmış kontrolörün daha iyi sonuç verdiği gözlenmiştir. Her iki konum kontrollü sistem için model temelli ILC tasarımı yapılmıştır. İlk olarak; her iki sistem için sistem tanıma prosedürü uygulanmıştır. Sistem girişi konum referans işareti ve sistem çıkışı test numunesi ivmesi olmak üzere sisteme, bant sınırlamalı beyaz gürültü uygulanmış ve sistem çıkışı kaydedilmiştir. Sistem model yapısı transfer fonksiyonu olarak seçilmiş, sistem mertebesi gerçeklenebilirlik göz önünde bulundurularak yapılan denemelerle belirlenmiş ve MATLAB System Identification Toolbox kullanılarak transfer fonksiyonuna ait model parametre değerleri belirlenmiştir. İki kapalı çevrimli sistem için de aynı transfer fonksiyonu elde edilmiştir, elde edilen model kullanılarak sayısal benzetimde model doğrulama işlemi yapılmış ve model doğrulanmıştır. Sistem tanıma sonucunda oluşturulan transfer fonksiyonu ZPETC (Zero Phase Error Tracking Control) algoritması kullanılarak terslenmiştir.  ZPETC model tersleme konusunda sıklıkla kullanılan bir yöntem olup, sistem sıfırlarını z düzleminde birim çember dışında ve içinde olmak üzere kabul edilebilir ve edilemez olarak iki gruba ayırmakta, kabul edilemez sıfırların model tersleme aşamasında yaratacağı kararsızlık sorunu sebebi ile faz etkilerini giderecek şekilde birim çember içerisine sıfır ataması yapmaktadır. Model tersleme sonucu elde edilen ayrık transfer fonksiyonu sistem ileri yoluna eklenerek ters model kontrolör olarak kullanılmıştır. Örnek bir saha ivme verisi ters model kontrolörün girişine uygulanmış çıkışında konum referans işareti elde edilerek konum kontrollü iki sisteme de uygulanmıştır. Ters model kontrol esnasında konum referans işaretleri ve test numune ivmesi ILC içerisinde kullanılmak üzere kaydedilmiştir, bu sayede ILC için sıfırıncı iterasyon yapılmış olmaktadır. Bir önceki iterasyonda elde edilen test numune ivmesi ile sahadan toplanan ivme verileri karşılaştırılarak hata işareti elde edilmiş, hata işareti ters model kontrolör aracılığıyla konum referans işaretine dönüştürülerek bir önceki iterasyonda elde edilen konum referans işareti ile toplanarak kapalı çevrimli sistemlere uygulanmış ve oluşan konum referans işaretleri ve test numune ivmesi her iterasyon için kaydedilerek  minimum hata oranını sağlayacak konum referans işaretine ulaşılmaya çalışılmıştır. Hata oranı tanımı hata işaretinin RMS (Root Mean Square) değerinin, saha verisinin RMS değerine oranı olarak tanımlanmış olup, minimum hata oranı kullanıcı veya tasarımcı tanımlıdır. Sayısal benzetimde yapılan ILC uygulaması sonucunda iterasyona bağlı olarak hata oranı düşürülmüştür. ILC ile yapılan 10 iterasyonluk iyileştirme sonucunda test için kullanılacak konum referans işaretine ulaşılmıştır. Sayısal benzetim sonucunda çalışma noktasında doğrusallaştırılmış ve geribesleme ile doğrusallaştırılmış iki sistem içinde ILC performanslarının aynı olduğu gözlenmiştir.
Uygulama amacı ile örnek bir hidrolik simülatör oluşturulmuştur. Kontrol yazılımı Labview ortamında hazırlanmıştır. Konum kontrolü için tasarlanan kontrolörler ve sayısal benzetimde sistem tanıma ve model tersleme ile elde edilen ters model kontrolör, Labview Control& Simulation Toolkit kullanılarak gerçeklenmiştir. Sayısal benzetim oluşturulurken gerçek sistem elemanlarının teknik dokümanları kullanılmış ve model iyileştirmeleri gerçek sistem verileri ile yapılmıştı. Konum kontrolör tasarımı ve ILC tasarımı sistem parametreleri ve sayısal benzetim kullanılarak yapılmıştı. Tasarımda öngörülen modelleme hataları uygulamaya hata oranında fark oluşması olarak yansımıştır. 10 iterasyonluk ILC uygulaması sonucunda her iki kapalı çevrimli sistemde hata oranı düşürülerek iyileştirilmiş konum referans işaretlerine ulaşılmıştır. Uygulama aşamasında da çalışma noktasında doğrusallaştırılmış ve geribesleme ile doğrusallaştırılmış iki sistem içinde ILC performanslarının yaklaşık olarak aynı olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
Hydraulic simulators can be described as test systems which achieve reapplication of loads which are sustained to a product on the corresponding product. By this means, further realistic solutions have been obtained in working life and fatigue analyses of the product. Product development costs could be substantially reduced in areas that product development is too expensive by trial and error such as research and development of military defense, automotive, aeronautics and space through generating simulations of operating conditions. Field loads measured as acceleration and strain are examined, converted to the path of control system that will be followed by processing and these load signals will be iteratively given to hydraulic actuators. The favorable feature of hydraulic actuators is the capability of rising to high power. In spite of that, problems occur in controlling because of nonlinear characteristics of servo valve structure. There are several available methods in literature on the subject of control problem which is basically a problem of trajectory follow. In almost all hydraulic simulators used on the market different types of model-based ILC (Iterative Learning Control) are used; this method consists of closed loop hydraulic position control, open loop inverse model control of acceleration/strain and ILC. As a result of ILC, optimized position reference signal of hydraulic cylinder is recorded in order to be used in product test later and product is tested using reference signals as if it is present under working conditions. Within the context of this thesis, control with model-based ILC of hydraulic simulators that is a special area of test systems is focused. In the stage of hydraulic cylinder position control two different feedback controllers have been designed. First, a linear mathematical model around working point has been generated; secondly, a linear feedback mathematical model has been generated and considering these models feedback controller designs have been fulfilled. In the stage of position control, nonlinear structure of valve characteristics has been eliminated by feedback linearization and thus the system has been relatively linearized. Performance of model-based ILC has been analyzed in terms of both controllers; for this purpose, dynamic equations of hydraulic simulators have been derived, numerical simulations have been constituted and model parameters has been detected by comparing to real system data. Control algorithm design has been completed for both feedback controllers and results have been shared after the implementation of the obtained control algorithm on numerical simulation and the real system.
In this thesis, which is an area of special hydraulic test systems for simulators were model-based ILC design. Determination of the hydraulic simulator for the analysis of system dynamics and mathematical model of the system was established. Dealt with the dynamics of the entire system using the MATLAB-SIMULINK model was created, the numerical values of the system parameters using the experimental setups and the actual system used in the technical documentation of the system components are determined using measurements taken, so you were to design a realistic working environment. Numerical simulation model validation tests were carried out with the actual system is created. Linearity of the uncertainties of the system and the system to be highly mass-spring system is chosen as the test sample, so that the linearity of power valves better observation of the effect on system performance is provided. The first phase of the control algorithm hydraulic cylinder position control system for the non-linear mathematical model obtained from the modeling stage and the controller has been designed using the two different methods. The first method, the nonlinear mathematical model of Servovalf certain operating points and the test system is linearized using Taylor series expansion around the discrete transfer function was created. Mathematical model of the second method, the linearity of power valves with feedback linearization method disrupts the mathematical expression has been eliminated, as a result of feedback linearization and linear valve of the discrete transfer function model was established using the test system. Transfer functions are created in order to facilitate the design of the pole-zero structure of the model reduction were examined. Pole-zero structure of the examination is the same for both systems, depending on the type of linearization of the system has been observed that the way forward earnings. Performance criteria for the design of the controller are determined by considering the limits of literature and experimental setup. Design criteria for the reduced transfer functions of discrete feedback controller has been designed using the P-type. SIMULINK model will be tested on the performance tests are designed controllers. Linearized model around the operating point and the feedback obtained from the linearization models are analyzed in terms of the behavior of open-loop feedback system is linearized with better linearity was observed for all study areas. Closed-loop position control performance tests conducted to study the points of the distance to the observed better results with feedback linearized controller. Each two-position control system has been designed for the model-based ILC. First, the system identification procedure was applied to both systems. The system input and system output reference position signal of the test sample to the acceleration of the system, the band-limited white noise has been applied and the system output. Selected as the transfer function of the structure of the system model, the system made by considering the realization of order System Identification Toolbox for MATLAB trials were identified and model parameter values were determined by using the transfer function. Closed-loop transfer function is the same for both systems are derived from the numerical simulation model validation has been carried out using the model and the model was confirmed. As a result of the recognition system transfer function ZPETC (Zero Phase Error Tracking Control) algorithm inverted. A common procedure in ZPETC inversion pattern and the system zeros outside the unit circle in the z plane and including unacceptable separates into two groups, will create unacceptable phase inversion pattern of zeroes to eliminate phase effects due to the instability issue zero inside the unit circle assignment operate. Model inversion path forward as a result of the addition of discrete inverse transfer function of the system model is used as a controller. The controller input field acceleration model applied to a sample output of the reverse position data were obtained from the reference position signal control system was applied to the two. Inverse model control and test samples during the acceleration position reference signal recorded to be used in ILC, is thus made for ILC iteration zero. With the acceleration of the test sample is obtained from the previous iteration acceleration data collected in the field were obtained by comparing the sign of the error, the error indication via inverse model controller is converted to the reference position signal obtained from the previous iteration applied and the position of the reference position reference signals collected and closed-loop systems and testing minimum error rate of acceleration of the sample will be recorded for each iteration tried to obtain reference position signal. Description of the error rate error signal RMS (Root Mean Square) value of the RMS value of the data field is defined as the ratio of the minimum error rate is defined in the user or designer. Numerical simulation iteration, depending on the error rate has been reduced as a result of implementation of the ILC. As a result; of improvements made by ILC 10 iterations are used to test reference signal has been reached. Linearized with the linearized operating point as a result of the numerical simulation and the feedback it has been observed that the performance of the two systems in the ILC.
A hydraulic simulator created with the purpose of the application example. Labview control software environment has been prepared. Controllers aredesigned for position control and numerical simulation model of system identification and inverse model inversion controller is implemented using obtained by Labview Control & Simulation Toolkit. Numerical simulation for creating technical documentation elements of the real system and the model is made with data from the actual system improvements. Location ILC controller design and system design parameters and was made using numerical simulation. The difference in design as the occurrence of the unspecified error rate is reflected in the application of modeling errors. 10 iterations closed-loop system, both as a result of application of the ILC improved by reducing the error rate reached position reference signal. Linearized with the work at the application stage and the feedback linearized about the performance of the two systems is the same as that in the ILC has been observed.