Kestirilen eşdeğer kontrol sinyali ile modelden bağımsız kayan kipli kontrol
Model free sliding mode control with estimated equivalent control signal
Yazar: MEHMET BUĞRAHAN KALAYCI
Danışman: PROF. DR. İLHAMİ YİĞİT
Yozgat Bozok Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Benzetim = Simulation ; Doğrusal olmayan sistemler = Nonlinear systems ; Kayan kipli denetim = Sliding mode control ; Sistem tanıma = System identification ; Ters sarkaç = Inverted pendulum

Özet:
Kayan kipli kontrol doğrusal olmayan ileri bir kontrol tekniği olup kontrol sinyali anahtarlama ve eşdeğer kontrol sinyalleri olmak üzere iki kısımdan oluşur. Eşdeğer kontrol sinyalinin elde edilebilmesi için kontrol edilen sistemin modeline ihtiyaç bulunmaktadır. Ancak bir sistemin modellenme sürecinde, modelleme için yeterli zamanın olmaması, sistemi parçalarına ayıramama, modelleme hataları, karmaşık sistemlerin modelleme zorluğu, modeldeki belirsizlikler ve doğrusal olmayan sistem modelinden eşdeğer kontrol sinyalinin analitik olarak elde edilmemesi gibi çok sayıda güçlükler ile karşılaşılabilmektedir. Böyle durumlarda sistem kapalı kutu olarak kabul edilip sistemin giriş ve çıkış sinyallerinden yararlanılarak sistem tanılama yöntemleri ile model belirleme yollarına başvurulabilmektedir. Bu çalışmada, modellemenin güçlüklerini sorun olmaktan çıkarıp kayan kipli kontrolün yaygın ve pratik bir şekilde kullanılabilmesi amacıyla eşdeğer kontrol sinyalinin sistem tanılama ile kestirimi yoluna gidilmiştir. Önerilen kontrolcünün tatmin edici performans sergilediği basit ters sarkaç sistemi üzerinde hem teorik hem de deneysel olarak kanıtlanmıştır. Eşdeğer kontrol sinyalini elde edebilmek için doğrusal olmayan bir sistem olan basit ters sarkaç sisteminin ARX (AutoRegressive with eXogenous) modeli, sistemin girdi ve çıktı verileri kullanılarak en küçük kareler yöntemi ile elde edilmiştir. Sistemin ARX modeli tekrarlı en küçük kareler (RLS) yöntemi ile hem çevrimiçi hemde çevrimdışı olmak üzere iki ayrı durum için elde edilmiştir. Oluşturulan ARX modeli ile kesikli zamanda kayan kipli kontrol için eşdeğer kontrol sinyali elde edilerek sistemin modelden bağımsız kayan kipli kontrolü gerçekleştirilmiştir. Önerilen yöntem kullanılarak elde edilen benzetim ve deney sonuçları, klasik PID kontrol ve klasik sürekli zaman kayan kipli kontrol yöntemleri kullanılarak elde edilen sonuçlar ile ayrıntılı bir şekilde karşılaştırılmıştır. Geliştirilen yöntemin beklenilenin üzerinde performans gösterdiği açık bir şekilde görülmüş, endüstriyel uygulamalar için yenilikçi bir kontrolcü olarak önerilmiştir.

Abstract:
Sliding mode control is an advanced nonlinear control technique and consists of two parts: switching and equivalent control signals. To obtain the equivalent control signal, a model of the controlled system is needed. However, in the modeling process of a system, many difficulties may be encountered such as insufficient time for modeling, inability to disassemble the system, modeling errors, modeling difficulties of complex systems, uncertainties in the model, and the inability to analytically obtain the equivalent control signal from the nonlinear system model. In such cases, the system can be considered as a black box and system identification methods and model determination methods can be applied by using the system's input and output signals. In this study, estimation of the equivalent control signal by system identification was used to eliminate the difficulties of modeling and to use the sliding mode control widely and practically. The satisfactory performance of the proposed controller has been proven both theoretically and experimentally on the simple inverted pendulum system having nonlinear behaviour. To obtain the equivalent control signal, the ARX (AutoRegressive with eXogenous) model of the simple inverted pendulum system was obtained by using the least squares method handling the input and output data of the system. The ARX model of the system was obtained using the iterative least squares (RLS) method for both online and offline cases. With the created ARX model, the equivalent control signal for the discrete-time sliding mode control is obtained and the model free sliding mode control of the system is realized. The simulation and experimental results obtained using the proposed method are compared in detail with the results obtained using classical PID control and classical continuous time sliding mode control methods. It was clearly seen that the developed method outperformed the expectations and it was recommended as an innovative controller for industrial applications.