Bir robot kolunda konum kontrolü için kullanılan pnömatik servo sisteme ait optimum dizayn parametrelerinin tayini
The Investigation of optimum design parameters of a pneumatic servo system used for the position control of manipulatör arm
Yazar: RECEP YENİTEPE
Danışman: PROF.DR. OSMAN YAZICIOĞLU
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 1995
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Manipülatör = Manipulator ; Parametre tahmini = Parameter estimation ; Pnömatik kontrol = Pneumatic control ; Robot kolu = Robot arm

Özet:
ÖZET Bu tezde, pnömatik tahrikli bir manipülatör kolu çalışılmıştır. Sistem, bir ucundan mafsallanmış diğer ucunda kütle olan bir koldur. Kol pnömatik bir silindirle tahrik edilmektedir. Pnömatik silindirin kontrolü ise, debi oransal bir valf ile yapılmaktadır. Sistemin kinematik analizi yapılarak, silindir yükselmesi y ile, robot kolunun X ekseni ile yaptığı 9 açısı arasında, kosinüs denklemi kullanılarak bir ilişki kurulmuştur. Bu ifade lineer olmadığından, küçük değişmeler için lineerleştirilmiştir. Daha sonra, sistemin enerji ifadeleri yazılmış ve Lagrange denklemleri kullanılarak, sistemin dinamik denklemleri çıkarılmıştır. Pnömatik sistemlerde dikkate alınması gereken sıkıştırılabilirlik de katılarak, sisteme ait Xv valf açıklığını robot kolu açısı G'ya bağlayan lokal transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Temel kontrol algoritmaları hakkında kısa bilgi verilerek, transfer fonksiyonu elde edilen pnömatik tahrikli robot kolunun kontrolü, oransal (P) ve oransal+türev (PD) kontrol algoritmaları için optimum kontrol katsayıları analitik metodlar kullanılarak elde edilmiştir. Elde edilen optimum parametrelerin geçerliliği, geçici cevap (transient) metodları ile kontrolü yapılmıştır. Transfer fonksiyonu bulunan ve P, PD kontrol için kontrol katsayıları belirlenen sistemin simülasyonu yapılmıştır. Elde edilen Kp ve Kd değerleri ile, değişik değerleri için sistemin basamak, rampa, sinusoidal cevaplan incelenmiştir. Sikloid açısal yörünge fonksiyonu kam mekanizmalarında çok kullanılır. Sikloid hareketin başlama ve bitiş noktalarında hız ve ivmenin sıfır olması nedeniyle, robotlar için iyi bir yörünge fonksiyonu olabilir. Laplace transformu VIteknikleri kullanılarak, sistemin sikloid fonksiyonuna cevabının simülasyonu yapılmış ve kolun konum kontrolü tartışılmıştır. Simülasyon için MATLAB 4.0 yazılımı kullanılmıştır. Deneysel çalışma kısmında ise, pnömatik tahrikli robot kolun bilgisayar destekli kontrolü gerçekleştirilmiştir. Sistemin kontrolünde 80286 kişisel bir bilgisayar, PCL 812PG çoklu bilgi giriş-çıkış kartı, 5 K'lık lineer bir potansiyometre, pnömatik silindir ve debi oransal valf gibi elemanlar kullanılmıştır. Bilgisayar, potansiyometre, ADC ve DAC den oluşan kapalı çevrimli bilgisayar destekli kontrol sistemi oluşturulmuştur. Potansiyometreden okunan analog konum değeri, ADC ile digitale çevrilerek kontrolöre, yani bilgisayara gönderilmektedir. Daha önce girilen referans değer ile karşılaştırılarak kontrolörden uygun bir kontrol sinyali üretilip, DAC ile sistem sürücü devresine sinyal gönderilmiştir. Deneysel çalışmada Turbo Pascal 7.0 ile yazılım oluşturulmuştur. Burada çeşitli kazanç ve referans değerlerinde sistemin basamak, rampa, sinusoidal ve sikloid girişlere cevapları elde edilmiştir. Elde edilen değerler daha sonra ASEASY programı kullanılarak grafikler haline getirilmiştir. Elde edilen simülasyon sonuçları ile deneysel sonuçlar irdelenmiş ve sonuçları tartışılmıştır. VII

Abstract:
SUMMARY THE INVESTIGATION OF OPTIMUM DESIGN PARAMETERS OF A PNEUMATIC SERVO SYSTEM USED FOR THE POSITION CONTROL OF A MANIPULATOR ARM In this thesis a pneumatically driven manipulator arm is studied. Single arm manipulator which has tip mass is modeled. The arm is actuated by means of a pneumatic cylinder and the cylinder is controlled with a proportional flow valve. In kinematics analysis of the system, relation between cylinder rise y to the arm angle 0 is set up by using cosines equation. Since this statement is nonlinear, it is linearised for the small deviations from the steady state position. In dynamic analysis section, energy equations of the system is derived and then by using Lagrange equations, dynamic equations of the system are derived. Adding the compressibility factor which is very important in pneumatic systems, local transfer function of the system which connects the valve opening Xv to the robot arm angle 6 is obtained. Basic knowledge about control algorithms are given. The pneumatically actuated robot arm which we obtained the transfer function, optimum control parameters for proportional (P) and proportional+derivative (PD) control algorithms are obtained analytically. The validity of the obtained optimum parameters are checked by using transient response methods. VIIISimulations of the system, which transfer function and optimum control parameters for P and PD control algorithms are already been obtained was investigated. Step, ramp and sinusoidal responses of the system for the obtained Kp and Kd and different values are investigated. Cycloidal angular trajectory function is extensively used in cam mechanisms. Since it has good characteristics like zero velocity and acceleration at the beginning and at the end of the path, it is appropriate to use as a trajectory function for manipulators. System response and the simulation to this input are also investigated by using Laplace transform technique. The results of the research are presented by graphics. The position of the arm tip is also discussed for the simulation purposes. Simulation software is written in MATLAB 4.0. In the experimental study, computer aided control of the pneumatically actuated robot arm is performed. A personal 80286 computer, a PCL 812 PG multi I/O lab card, a 5 K linear potentiometer, a proportional flow valve and a pneumatic cylinder are also used in experimental test rig. Computer, linear potentiometer, (Analog Digital Converter) ADC and (Digital Analog Converter) DAC are used to form the computer aided closed control circuit. Analog position value which is read from the linear potentiometer is changed into digital passing through the ADC. After that, the digitalised position value is compared with the reference position value in the controller. To make the error zero, appropriate control signal is produced and sent to the system drive unit which is pneumatic proportional flow valve by the controller. The software which is used in experimental computer aided control setup is written in Turbo Pascal 7.0. Experimentally, system responses to the step, IXramp, sinusoidal and cycloidai inputs are obtained for the different reference and difference gain values. The experimental results are plotted by using ASEASY program. Time vs position and time vs angular velocity graphics for the experimental setup is presented. Simulations and experimental results are investigated and the results are compared and discussed.