Mekatronik sistemler için yenilikçi öz-ayarlamalı hız gözlemcisi ve gürbüz denetleyici tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of novel self-tuning velocity observer and robust controller for mechatronic systems
Yazar: HAZİN İNCİ
Danışman: PROF. DR. AYDOĞAN SAVRAN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, Euler Lagrange tipi sistemlerin denetiminde kullanılabilecek, doyum işlevi tabanlı, öz-ayarlamalı, yenilikçi gürbüz denetleyici ve hız gözlemcisinin tasarımları, kararlılık analizleri, benzetim ve deneysel çalışmaları sunulmuştur.
Önerilen gürbüz denetleyici ve hız gözlemcisi, özellik olarak benzer avantajlara ve güçlü yönlere sahiptir. Her iki tasarımda da doyum işlevi kullanılmıştır. Denetlenen veya gözlemlenen sistemin model bilgisine ihtiyaç duymamaktadırlar. Geliştirilen öz-ayarlama yöntemleri sayesinde kazançların ayarlanması hususunda herhangi bir güçlük yaşatmamaktadırlar. Önerilen öz-ayarlama algoritmalarıyla uyarlamalı bir şekilde kazançları ayarlanmaktadır.  Kararlılıkları, Lyapunov kararlılık kriteri ile kanıtlanmıştır. Benzetim ve deneysel çalışmalarla, başarımları ortaya konmuştur.
Tasarlanan denetleyicinin başarımı, bir top-robot sistemi aracılığıyla deneysel olarak test edilmiştir. Robotun dengeleme denetimi ve sıfırdan farklı bir referans takibi denetimi, tasarlanan gürbüz denetleyici ile etkin bir şekilde  sağlanmıştır. Top-robot gibi doğası gereği oldukça kararsız bir robotik sistemin denetiminde, kayan kipli denetim yöntemlerine kıyasla daha iyi başarım gösterdiği, elde edilen deneysel sonuçlarla ifade edilmiştir.
Önerilen hız gözlemcisi top-robot ve düzlemsel robot kolu sistemlerinde, ölçülen açı bilgilerini kullanarak hız bilgisini gözlemlemek amacıyla deneysel olarak test edilmiş ve elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Ayrıca, hız ölçümlerinin olmadığı sadece açı ölçümleri olan bir dönel ters sarkaç sisteminin denetiminde kullanılan denetleyiciye, hız bilgilerini sağlamak için önerilen hız gözlemcisi kullanılmış ve sistem denetiminin başarıyla sağlanmıştır.

Abstract:
In this thesis, the design, stability analysis, simulation and experimental studies of a saturation function based self-tuning novel robust controller and velocity observer have been presented that could be used in the control of Euler Lagrange type systems.
The proposed robust controller and velocity observer have similar advantages and strengths. In both designs, the saturation function has been used. They do not require model knowledge of the system being controlled or observed. Thanks to the developed self-tuning methods, they do not cause any difficulty in tuning the gains. Their gains are adaptively tuned with proposed self-tuning algorithms. Their stability is proved by Lyapunov-based arguments. Their performance is demonstrated by simulation and experimental studies.
The performance of the designed controller is experimentally tested through a ballbot system. The robot's balancing control and non-zero reference tracking control are effectively achieved with the designed robust controller. The experimental results show that the designed robust controller performs better than sliding mode control type methods in controlling a highly unstable robotic system such as a ballbot.
The proposed velocity observer is experimentally tested in ballbot and planar robot manipulator systems to observe the angular velocity informations using measured angles and the results are presented. In addition, the proposed velocity observer is used to provide velocity information to the controller used in the control of a rotary inverted pendulum system that has no velocity measurements but only angle measurements, and it is demonstrated that the control of the system is successfully achieved.