Optimizasyon algoritmaları kullanılarak üç boyutlu yazıcının modele dayalı denetimi
Model-based inspection of the three-dimensional printer usingoptimization algorithms
Yazar: AHMET PARLAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ AYTAÇ ALTAN
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Üç boyutlu (3B) biyo-yazıcılar, rejeneratif tıp ve doku mühendisliği alanlarında özellikle kulak, burun ve yüz-çene protezlerinin biyo-baskılarında yoğun şekilde kullanılmaktadır. Modelden modele farklılık gösteren baskı hataları yapay doku ve organların biyo-baskısında sıklıkla görülmektedir. Modelin yüzeyinde meydana gelen hatalar yazdırılacak organın verimli kullanımına engel olmaktadır. Yapay doku ve organ biyo-baskısı sürecinde meydana gelen hataların en aza indirilebilmesi için 3B yazıcının kontrolcü performansının iyileştirilmesi gerekmektedir. Bu tez çalışmasında, yapay doku ve organların biyo-baskısı için Balina Optimizasyon Algoritması (Whale Optimization Algorithm-WOA) tabanlı yeni bir uyarlanabilir PID kontrolcü geliştirilmiştir. Yerel minimumlardan kaçınmak ve kontrolcünün geçici durum yanıtını iyileştirebilmek için WOA algoritması tercih edilmiştir. Önerilen algoritmanın yakınsama hızı PID kontrolcünün parametrelerinin hızlı ve doğru şekilde ayarlanabilmesine olanak sağlamaktadır. Geliştirilen WOA tabanlı uyarlanabilir PID kontrolcünün performansı, performans metriklerinden biri olan zaman ağırlıklı karesel hatanın integrali (Integral of Time multiplied Squared Error-ITSE) yardımıyla ölçülmüştür. 3B yazıcı için önerilen kontrolcünün performansı, klasik PID ve Genetik Algoritma (Genetic Algorithm-GA) tabanlı PID kontrolcülerin performansı ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlardan, önerilen WOA tabanlı uyarlanabilir PID kontrolcünün 3B yazıcının geçici tepkisini önemli ölçüde iyileştirdiği ve yazdırılan burun ve kulak gibi organlardaki yüzey hatalarını ve baskı sürelerini en aza indirdiği görülmektedir.
Önerilen WOA tabanlı uyarlanabilir kontrolcü algoritması özgün olarak tasarlanan 3B yazıcı üzerine gömülerek kulak ve burun gibi organların baskıları alınmıştır. Yazdırılan organ baskıları klasik PID ve GA tabanlı PID kontrolcü algoritmaları ile yazdırılan modeller ile kıyaslanmıştır. WOA tabanlı uyarlanabilir PID kontrolcünün diğer kontrolcü algoritmalarına kıyasla hem baskı süresinde hem de yüzey hatalarının en aza indirilmesinde oldukça başarılı olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Three-dimensional (3D) bio-printers are used extensively in regenerative medicine and tissue engineering, especially in bio-printing of ear, nose and face-chin prostheses. Printing errors that differ from model to model are frequently seen in the bio-printing of artificial tissue and organ. Errors occurring on the surface of the model prevent the efficient use of the organ to be printed. The controller performance of the 3D printer needs to be improved so that errors in the artificial organ and tissue bio-printing process can be minimized. In this thesis, a novel adaptive PID controller based on Whale Optimization Algorithm (WOA) has been developed for bio-printing of artificial tissues and organs. The WOA algorithm is preferred to avoid local minima and to improve the transient response of the controller. The convergence speed of the proposed algorithm allows the parameters of the PID controller to be tuned quickly and accurately. The performance of the developed WOA based adaptive PID controller has been measured with the help of Integral of Time multiplied Squared Error (ITSE), which is one of the performance metrics. The performance of the proposed controller for the 3D printer has been compared to the classical PID and Genetic Algorithm (GA) based PID controllers' performance. From the experimental obtained results, it can be seen that the proposed WOA based adaptive PID controller significantly improves the transient response of the 3D printer and minimizes surface defects in the printed organs such as the nose and ear.
The proposed WOA-based adaptive controller algorithm has been embedded on the originally designed 3D printer, and prints of organs such as ears and nose have been taken. Printed organ prints have been compared with models printed with classical PID and GA based PID controller algorithms. It has been observed that the WOA-based adaptive PID controller is quite successful in both printing time and minimizing surface defects compared to other controller algorithms.