PID ve kayan kipli  denetleyici kullanarak delta robot manipülatörün yörünge kontrolü
Trajectory control of delta robot manipulator using PID and sliding mode control
Yazar: VEYSEL KARAM YILMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT TİLKİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

PID VE KAYAN KİPLİ  DENETLEYİCİ KULLANARAK DELTA ROBOT MANİPÜLATÖRÜN YÖRÜNGE KONTROLÜ

Veysel Karam YILMAZ

Süleyman Demirel Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı

Danışman: Dr. Öğr. Üyesi 	Umut TİLKİ


Bu tez çalışmasında, Delta robot manipülatörlerin yörünge takibinde farklı denetleyici yapıları kullanılarak, bu denetleyicilerin performansının ölçülmesi ve karşılaştırmalı analizi üzerine bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Literatürde yapılan araştırmalarda endüstride yaygın olarak kullanılan Delta robot manipülatörlerin kontrolünde farklı denetleyici yapılarının kullanıldığı görülmüştür. Önerilen bu çalışmada, Delta manipülatörün yörünge takip kontrolünde geleneksel denetleyici yapılarından olan Oransal-İntegral-Türevsel (PID) ve anahtarlamalı denetleyici yapılardan birisi olan Kayan Kipli Denetleyici (SMC) yapısı kullanılarak, sistemin yörünge takibindeki hassasiyetinin analizleri yapılmıştır. SMC doğrusal olmayan bir sistemin dinamiklerini sürekli bir kontrol sinyali uygulayarak değiştiren ve sistemin davranışını bir kesit boyunca kaydırarak kesit üzerinde tutmaya çalışan doğrusal olmayan bir kontrol yöntemidir. Bu teknik belirsizlikler ve ölçülemez dış bozukluklar altında doğrusal olmayan sistemler için kontrol yaklaşımları tasarlamakta etkili bir yöntemdir. Bu çalışma kapsamında, Delta robotun dinamik modeli Solidworks kullanılarak çizilmiş, MATLAB/Simulink ortamına Simscape model olarak aktarılmıştır. Sistem MATLAB/Simulink ortamında, Delta robotun dinamik modeli için benzetim yoluyla elde edilen Simscape modeli, alçak geçiren filtre, kinematik denklemler, SMC ve PID denetleyici yapıları kullanılarak ayrı ayrı tasarlanmıştır. Tasarlanan bu iki ayrı yörünge takip sisteminde tork kontrolü yapılmıştır. Her iki sistemde aynı referans yörüngeler üzerinde test edilmiştir. Yörünge seçiminde ilk olarak Z ekseni sabit bir değerde tutulmuş ve iki boyutlu dairesel bir yörünge seçilmiştir. İkinci olarak ise Z ekseni değişken değerler alarak üç boyutlu dairesel bir yörünge seçilmiştir. Son olarak ise yay benzeri üç boyutlu bir yörünge seçilerek PID ve SMC kullanılan sistemlerin performansları ölçülmüştür. Denetleyici yapılarının birbirlerine karşı olan avantajları ve dezavantajları yapılan simülasyon çalışmaları ile ortaya koyulmuştur. MATLAB/Simulink uygulaması üzerinde tasarlanan sistemin X-Y-Z yörüngelerinde yaptığı hareketler ayrı ayrı elde edilerek referans, SMC, PID çözümlerine ait sonuçlar zamana bağlı karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Robot manipülatörün üst tablasına bağlı her bir aktif linke uygulanan tork büyüklüklerinin değişimleri de incelenmiştir. SMC ve PID denetleyici kullanılan sistemlerin X-Y-Z yörüngelerindeki hata değişim miktarları ayrı grafiklerde karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Kayan Kipli Denetleyici kullanılan sistem ve PID denetleyici kullanılan sistemin yörünge takibi grafik üzerinde karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Yörünge takip performansında Karekök Ortalama Hatası (RMSE) ve Ortalama Mutlak Hata (MAD) kullanılarak elde edilen sonuçlar tablo halinde verilmiştir SMC için kararlılık analizinde Lyapunov kararlılık analizi yaklaşımı kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar ışığında tasarlanan iki ayrı sistem performansı karşılaştırılmıştır. 
Anahtar Kelimeler: Kayan Kipli Denetleyici, PID, Tork kontrolü, Delta Robot, Simscape

Abstract:
ABSTRACT

M.Sc. Thesis

TRAJECTORY CONTROL OF DELTA ROBOT MANIPULATOR USING PID AND SLIDING MODE CONTROL

Veysel Karam YILMAZ

Süleyman Demirel University
Graduate School of Natural and Applied Sciences
Electrical and Electronics Engineering Department

Supervisor: Asst. Prof. Dr. Umut TİLKİ

Using different controller structures in trajectory tracking of Delta robotic manipulators, a study was conducted on measuring and comparative analysis of the performance of these controllers used. Research in literature has shown the use of different controller structures in controlling Delta robotic manipulators, which are widely used in the industry. In this proposed study, analyses of the system's precision in trajectory tracking using one of the traditional controller structures, Proportional-Integral-Derivative (PID), and one of the switched controller structures, the Sliding Mode Controller (SMC) structure, were performed in the Delta manipulator's trajectory tracking. The SMC is a nonlinear control method that changes the dynamics of a nonlinear system by continuously applying a control signal and attempts to keep the system's behavior on the cross-section by shifting it across a cross-section. This technique is an effective tool in designing control approaches for nonlinear systems under uncertainties and immeasurable external disturbance. As part of this study, the dynamic model of the Delta robot was drawn using Solidworks and transferred to the MATLAB/Simulink  environment as a Simscape model. In the System MATLAB/Simulink environment, the Simscape model obtained through simulation for the dynamic model of the Delta robot is used using low-pas filter, kinematic equations and SMC and PID controller structures designed separately. Torque control was performed on these two separate trajectory tracking systems that were designed. First, the Z axis was kept at a fixed value and a two-dimensional circular trajectory was selected. Secondly, a three-dimensional circular trajectory was selected by taking variable values for the Z axis. Finally, an arc-like three-dimensional trajectory was selected and the performances of the systems using PID and SMC were measured. Both systems tested on the same reference trajectory. The advantages and disadvantages of controller structures against each other have been demonstrated by simulation studies. The motions of the system designed on MATLAB/Simulink's X-Y-Z trajectorys are separately obtained and given in reference, SMC, PID time-dependent comparison. Variations of torque exchanges applied to each active link attached to the top table of the robot manipulator were also studied. The amount of error changes in the X-Y-Z trajectorys of systems used as SMC and PID controllers are given in comparison to separate graphics. The system using the SMC and the trajectory tracking of the system using the PID controller are compared to the graphic. Results obtained using Root Mean Square Error (RMSE) and Median absolute deviation (MAD) in trajectoryal tracking performance are tabulated. The Lyapunov stability analysis approach was used in the stability analysis for the SMC. Two separate system performances designed in light of the results achieved were compared.

 Keywords: Sliding Mode Controller, PID, Torque control, Delta Robot, Simscape