İntegratörlü süreçler için I-PD denetleyici tasarımı ve asimetrik sistemlerin röle geri besleme ile modellenmesi
I-PD controller design for integrating processes and identification of asymmetrical systems by relay feedback
Yazar: FUAT PEKER
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM KAYA
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında integratörlü süreçlerin kontrolü ve asimetrik ısınma ve soğuma sistemlerinin röle geri besleme ile modellenmesi ve kontrolü üzerine çalışmalar yapılmıştır. İntegratörlü süreçlere, yani transfer fonksiyonlarında bir veya birden fazla integratör içeren süreçlere, endüstride sıklıkla rastlanmaktadır. Bu tez çalışmasında, integratörlü artı birinci dereceden artı ölü zamanlı (IFOPDT) ve çift integratörlü artı birinci dereceden artı ölü zamanlı (DIFOPDT) süreçler için hem ayar noktası takibi hem de giriş yük bozucuyu yok etmek için integral-oransal türev (I-PD) denetleyici parametrelerinin optimal bir şekilde hesaplanmasını sağlayan analitik ifadeler türetilmiştir. Ayar noktası izleme ve giriş yük bozucuyu yok etmek için optimal ayarlama formüllerine, zaman momenti ağırlıklı integral performans kriterlerinin en aza indirilmesiyle ulaşılmıştır. Elde edilen I-PD ayarlama formülleri, sürecin transfer fonksiyonu parametreleri, yani kazanç, zaman gecikmesi ve zaman sabiti cinsindendir. Önerilen yöntemin kullanımını göstermek için simülasyon örnekleri verilmiştir. Önerilen yaklaşımın mevcut oransal-integral-türev (PID) ve I-PD denetleyici tasarım yöntemlerine göre üstün kapalı döngü performansını ortaya koymak için literatürdeki bazı çalışmalarla karşılaştırmalar yapılmış olup, önerilen tasarım yönteminin pratik uygulaması, deneysel bir düzenek üzerinde bir arabanın konumu kontrol edilerek gösterilmiştir. İntegratörlü süreçlerle ilgili bu tez çalışmasında yapılan bir başka çalışma ise bu tür süreçlerin maksimum hassasiyete (Ms) dayalı kontrolüne odaklanmaktadır. Bu çalışmada ise saf integratörlü artı ölü zamanlı (PIPDT), çift integratörlü artı ölü zamanlı (DIPDT) ve IFOPDT süreçler için I-PD denetleyicileri, doğrudan sentez yaklaşımından faydalanılarak tasarlanmıştır. Önerilen tasarım yöntemi, integratörlü süreç ve faz ileri/geri filtreli I-PD denetleyiciden oluşan kapalı çevrim sistemin karakteristik denkleminin istenen karakteristik denklemle karşılaştırılmasına dayanmaktadır. Çalışmada, Ms ile belirtilen, istenen sağlamlığa/gürbüzlüğe göre I-PD denetleyicinin ve faz ileri/geri filtresinin parametrelerini belirlemek için basit ve analitik ayarlama kuralları türetilmiştir. Elde edilen formüller, süreç transfer fonksiyonu parametrelerini ve istenen Ms'yi ayarlamak için kullanılan bir ayar parametresini içermektedir. Yine, önerilen yöntemin faydaları, simülasyon örnekleri ve deneysel bir düzenekte araba konumu kontrolünün pratik bir uygulaması ile gösterilmiş olup, önerilen yönteminin avantajlarını açık bir şekilde göstermek için literatürdeki bazı PID ve I-PD tasarım teknikleriyle karşılaştırmalar sağlanmıştır. Bu tez çalışmasında ayrıca, asimetrik ısınma ve soğuma sistemlerinin röle geri besleme ile modellenmesi ve oransal integral-
xx
oransal türev (PI-PD) denetleyiciler ile kontrolü gerçekleştirilmiştir. Asimetrik ısınma ve soğuma sistemleri, süreç endüstrisinde yaygın olan bir lineer olmayan sistem tipidir. Bu sistemler, ısınma ve soğuma modları olmak üzere iki çalışma fazından oluşur ve her çalışma modu farklı bir dinamik karakteristiğe sahiptir. Modelleme işleminde, iki adet birinci dereceden artı ölü zamanlı (FOPDT) süreç modeli elde etmek için durum-uzayı yaklaşımına dayalı röle geri beslemeli modelleme tekniğinden yararlanılmıştır. Sistem modellendikten sonra, kullanıcı tarafından seçilen kazanç ve faz payı özelliklerine uygun olarak iki grup PI-PD denetleyici parametresi elde edilip, kazanç-ayarlamalı bir PI-PD kontrol stratejisi ile sistem kontrol edilmiştir. Yine, önerilen modelleme ve kontrol yöntemlerinin kullanımını ve faydalarını göstermek için bazı simülasyon örnekleri verilmiş olup hem modelleme hem de kontrol yöntemi için, önerilen tekniklerin avantajlarını net bir şekilde göstermek için benzer bir çalışma ile karşılaştırmalar yapılmıştır.

Abstract:
Within the scope of this thesis, studies were carried out on the control of integrating processes and relay feedback identification and control of asymmetrical heating and cooling systems. Integrating processes, that is, processes containing one or more integrators in their transfer functions, are frequently encountered in the industry. In this thesis, analytical expressions are derived for controlling integrating first order plus dead time (IFOPDT) and double integrating first order plus dead time (DIFOPDT) processes that allow optimal calculation of integral-proportional derivative (I-PD) controller parameters for both setpoint tracking and rejecting input load disturbance. Optimal tuning formulas for setpoint tracking and rejecting input load disturbance were achieved by minimizing of time moment weighted integral performance criteria. The resulting I-PD tuning formulas are in terms of the transfer function parameters of the process, i.e., gain, time delay and time constant. Simulation examples are given to demonstrate the use of the proposed method. In order to demonstrate the superior closed-loop performance of the proposed approach compared to the existing proportional-integral-derivative (PID) and I-PD controller design methods, comparisons are made with some studies in the literature, and the practical application of the proposed design method is demonstrated by controlling the position of a cart on an experimental setup. Another study conducted in this thesis on integrating processes focuses on the control of such processes based on maximum sensitivity (Ms). In this study, I-PD controllers for pure integrating plus dead time (PIPDT), double integrating plus dead time (DIPDT) and IFOPDT processes are designed using direct synthesis approach. The proposed design method is based on the comparison of the characteristic equation of the closed-loop system, which involves an integrating process and an I-PD controller with a phase lead/lag filter, with the looked-for characteristic equation. In the study, simple and analytical tuning rules are derived to determine the parameters of the I-PD controller and the phase lead/lag filter according to the desired robustness, represented by Ms. The resulting formulas contain the process transfer function parameters and a tuning parameter used to set the desired Ms. Again, the benefits of the proposed method are demonstrated with simulation examples and a practical application of cart position control in an experimental setup, and comparisons with some PID and I-PD design methods in the literature are provided to clearly demonstrate the advantages of the proposed method. In this thesis study, besides,
xxii
asymmetrical heating and cooling systems are identified by relay feedback and controlled by proportional integral-proportional derivative (PI-PD) controllers. Asymmetrical heating and cooling systems are a type of nonlinear system common in the process industry. These systems consist of two operating phases, heating and cooling modes, and each operating mode has a different dynamic characteristic. In the identification process, relay feedback identification method based on state-space approach was used to obtain two first order plus dead time (FOPDT) process models. After the system was identified, two sets of PI-PD controller parameters were gained in accordance with the gain and phase margin specifications selected by the user, and the system was controlled in a gain-scheduled PI-PD control strategy. Again, some simulation examples are given to demonstrate the use and benefits of the proposed identification and control methods, and comparisons are made with a similar study to clearly reveal the advantages of the proposed techniques for both the identification and control method.