Esnek sistemlerin kontrolü için yapay zeka teknikleri ile girdi şekillendirici tasarımı
Designing of input shaping using artificial intelligent techniques for flexible systems
Yazar: HASAN HÜSEYİN BİLGİÇ
Danışman: PROF. DR. AHMET YAPICI ; PROF. DR. HAKAN YAVUZ
İskenderun Teknik Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Esnek ve hafif sistemlerin kullanımı, rijit ve ağır sistemlerin kullanımı ile karşılaştırıldığında yüksek operasyon hızı, düşük elektrik tüketimi, üretim ve ilk yatırım maliyetlerinde azalma vb. gibi birçok avantajı da beraberinde getirmektedir. Ancak esnek sistemler dinamik sistemlerdir ve hareketleri sonucunda büyük miktarlarda artık titreşim oluşur. Bu artık titreşim genel olarak açık çevrim veya kapalı çevrim kontrol teknikleri ile giderilmeye çalışılır. Tez çalışmaları kapsamında esnek sistemlerde oluşan artık titreşimin azaltılması veya giderilmesi amacı ile açık çevrim denetim sistemlerinden Girdi Şekillendirme teknikleri tasarlanmış ve deneysel uygulamaları yapılmıştır. Ayrıca değişken çalışma koşullarında ortaya çıkan büyük genlikli artık titreşimleri minimize etmek için uygun girdi şekillendirici seçimi amacıyla Bulanık Mantık Tabanlı bir Karar Destek Sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan sisteminin yüksek genlikli artık titreşimlerin minimize edilmesinde başarılı sonuçlar verdiği görülmüştür.
Açık çevrim uygulamalarının sistem cevabında yetersiz kaldığı durumlar için kapalı çevrim denetim sistemlerinden LQR kontrolcü tasarımı yapılmıştır. Euler-Lagrange eşitlikleri ile elde edilen matematiksel model yardımı ile sistemin durum uzay modeli MATLAB/Simulink ortamında oluşturulmuştur. Daha sonra ön tasarımı yapılan LQR kontrolcü kazanç matrisi Arı Algoritması ile optimize edilmiştir. Kontrolcü tasarımında motor pozisyonunun ve esnek uzuv uç açısının minimum sapma ile hareketinin sağlanacağı LQR kontrolcü tasarımı amaçlanmıştır. Önerilen yöntemin başarısını araştırmak amacıyla sistem performansı literatürdeki benzer çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Sonuçlar grafikler halinde sunularak detaylı incelemesi yapılmıştır. Sonuç olarak sunulan yöntemin deneysel doğrulama ile desteklenebildiği görülmüş ve farklı mühendislik sistemleri ve farklı kontrolcü tasarımları için de oldukça iyi bir kontrolcü yaklaşımı olabileceği anlaşılmıştır. Ek olarak, esnek sistemler için açık çevrim ve kapalı çevrim denetim sistemlerinin uygulaması ile denetleyiciler arasındaki farklar ve uygun sisteme göre tercih edilmesi gereken denetleyici seçimi için öneriler de sunulmuştur. Önerilen yöntemlerin başarısı ve gerçek sistemlerde uygulanabilirliği Quanser doğrusal gezer vinç ve esnek uzuv deney cihazları ile doğrulanmıştır.

Abstract:
In comparison with the use of rigid and heavy systems, the use of flexible and lightweight systems provides advantages such as high operating speeds, reduced electricity consumption and reduced initial investment costs of production as well as many others. However, flexible systems are dynamic systems, and as a result of their movement, there is now a great deal of residual vibration. This residual vibration is generally attempted to be suppressed by open loop or closed loop control techniques. Within the scope of this study, input shaping techniques have been designed and experimental applications have been performed based on open loop control systems aiming at reducing or eliminating residual vibration in such flexible systems. In addition, a Fuzzy Logic based Decision Support System is designed to select the appropriate input shaping technique to minimize the large amplitude residual vibrations in dynamic operating conditions. It has been seen that the designed system has been successful in minimizing the large amplitude vibrations.
For situations where open loop applications are insufficient in system response, an LQR controller design has been made from closed loop control systems. With the help of mathematical model obtained by Euler-Lagrange equations, the state space model of the system is created in MATLAB/Simulink. Then, the pre-design LQR controller gain matrix is optimized with the Bees algorithm. The design of the LQR controller is intended to provide motor position and movements with minimum deviation of the end point of the flexible limb in controller design. In order to investigate the success of the proposed method, the system performance was compared with similar studies in the literature. The results are presented in graphical form and detailed assessment is made. As a result, the proposed method has been confirmed by experimental verification and it is predicted that it can be a useful controller design approach for different engineering systems and different controller designs. In addition, some advises are also provided for the selection of appropriate controllers for flexible system in application of the open loop and closed loop cases as well as selection of control systems. The successful performance of the proposed methods and their applicability in real systems has been verified by the Quanser gantry crane and flexible link systems.