Elastomer malzemeler için dinamik test sistemlerinin kontrolü
Control of dynamic test systems for elastomer materials
Yazar: GÖKTÜRK TAŞAĞIL
Danışman: DOÇ. DR. MUZAFFER METİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve Kontrol Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan kontrol = Nonlinear control ; Elastomerler = Elastomers ; Geri adımlamalı kontrol yöntemi = Back-stepping control ; Hidrolik = Hydraulics ; Servovalf = Servo valve ; Test sistemleri = Test systems

Özet:
Bu çalışmada, elastomer malzeme bileşenli makine parçalarının dinamik-mekanik testi ve karakterizasyonu için hidrolik eyleyicili bir elektrohidrolik servo test sistemi tasarlanmış, prototipi geliştirilerek imal edilmiş ve bu prototipin performansı deneysel çalışmalarla incelenmiştir. Konsept tasarım, dinamik modelleme-kontrol-simülasyonlar, prototip imalatı, kumanda ara yüzünün geliştirilmesi ve deneysel çalışmalar olmak üzere beş temel bölümden oluşan bu çalışmada esas olarak test sistemini farklı frekanslarda kontrol edebilecek algoritmanın geliştirilmesi üzerinde durulmuştur. Bunun için öncelikle konsept tasarımı yapılan sistemin matematiksel modeli geliştirilmiştir. Elastomer malzemenin mekanik karakterizasyonu için literatürde bulunan malzeme modellerinden faydalanılmıştır. Elektrohidrolik servo sistemin dinamik modelinin geliştirilmesinde de kullanılan ekipmanların katalog bilgilerinden ve literatürde yer alan servo valf model yaklaşımlarından faydalanılmıştır. Test edilecek parça ve elektrohidrolik servo sistemi içeren lineer olmayan genel modeli oluşturulduktan sonra piyasada yaygın kullanıma sahip PID kontrol algoritması ile MATLAB ortamında simülasyon çalışmaları yapılmıştır. PID algoritmasının sabit kazançlar ile farklı frekanslarda çalışması durumunda performansının istenilen seviyede olmadığı görülmüştür. Bunun üzerine test sistemini frekans değişimine karşı gürbüz bir şekilde kontrol edebilmek için lineer olmayan geri adımlamalı kontrol (LOGAK) algoritması geliştirilmiştir. PID ve LOGAK performanslarının karşılaştırmalı olarak sunulduğu simülasyon sonuçlarında, LOGAK'ın frekans değişimine karşı gürbüzlüğü ve üstün performansı ortaya konmuştur. Daha sonra elastomer malzemelerin mekanik karakterizasyonu için özel olarak geliştirilen bir arayüz kullanılarak, imal edilen prototip test sisteminde, geliştirilen PID ve LOGAK algoritmaları denenmiştir. Geliştirilen kontrol sinyalleri B&R Automation Studio platformuna Structure Text programlama dilinde yazılarak ve Automation PC'ye gömülerek çalıştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda test parçası olarak demiryolu araçlarında kullanılan bir burç elamanının dinamik-mekanik karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Her iki kontrol yapısının performansı ve gürbüzlüğü deneysel çalışmalarla da ortaya konarak geliştirilen LOGAK algoritmasının üstünlüğü gösterilmiştir. Sonuç olarak, prototipi geliştirilen test sisteminde, dinamik testleri yapılan elastomer bileşenli burcun mekanik karakterizasyonu DIN 53513 standardına göre üç farklı frekansta (0.5, 1, 2 Hz) elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, an electrohydraulic servo test system with hydraulic actuator was designed for dynamic-mechanical testing and characterization of machine parts with elastomer material components, its prototype was developed and manufactured, and the performance of this prototype was investigated through experimental studies. In this study, which consists of five basic parts: concept design, dynamic modeling-control-simulations, prototype manufacturing, development of the control interface and experimental studies, the development of an algorithm that can control the test system at different frequencies is mainly focused on. For this, firstly, the mathematical model of the system for which the concept design was made was developed. Material models available in the literature were used for the mechanical characterization of the elastomer material. In the development of the dynamic model of the electrohydraulic servo system, the catalog information of the equipment and the servo valve model approaches in the literature were used. After the non-linear general model including the part to be tested and the electrohydraulic servo system was created, simulation studies were carried out in MATLAB with the PID control algorithm, which is widely used in the market. It has been observed that the performance of the PID algorithm is not at the desired level if it works at different frequencies with fixed gains. Thereupon, a non-linear back-stepping control (NBSC) algorithm has been developed to control the test system robustly against frequency changes. In the simulation results, in which the performances of PID and NBSC are presented comparatively, the robustness and superior performance of NBSC against frequency change are revealed. Then, the developed PID and NBSC algorithms were tested in the prototype test system, using an interface specially developed for the mechanical characterization of elastomer materials. The developed control signals were written to B&R Automation Studio platform in Structure Text programming language and run by embedding in Automation PC. In experimental studies, dynamic-mechanical characterization of a bushing element used in railway vehicles was carried out as a test piece. The performance and robustness of both control structures have been demonstrated by experimental studies and the superiority of the developed NBSC algorithm has been shown. As a result, in the test system whose prototype was developed, the mechanical characterization of the bush containing the elastomer component, whose dynamic tests were performed, was obtained at three different frequencies (0.5, 1, 2 Hz) according to the DIN 53513 standard.