Kontrol kutupları ile karakterize edilen proseslerde mikrobilgisayar ile adaptif kontrol
Adaptive controller with microcomputer
Yazar: FÜSUN TUNALI
Danışman: PROF. DR. M. MÜNİR ÜLGÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü
Derece: Doktora, 1983
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Mikrobilgisayar ile adaptif kontrolü amaçlayan bu çalışmaya yön ve ren görüşler ;, - Günümüzde adaptif kontrol uygulamalarında amaç, endüstriyel alan da adaptif tekniklerin kolaylıkla kullanılabilirliğini sağlaya cak basit vğ ucuz yollar bulmaktır. Bu amaca hizmet edebilecek bir adaptasyon algoritmasının geliştirilmesi, -Aynı zamanda bu algoritmanın, mikrobilgisayarın yazılım ve. *dö-- ' nanımına uygun olacak biçimde geliştirilmesi, ? -,-??"- ' - Algoritmayı en. uygun ve en etkin biçimde yorumlayacak ve h'ızlr, çalışabilecek bilgisayar, programının yazılması, :?...--, - Yine bu algoritmaya uygun düşecek mikrobilgisayar' ve çevre birim-' lerinden kurulu donanımın oluşturulması* :" biçiminde sıralanabilir., " 1 Bu görüşlerden kalkarak, bu tezde gerçeklenen algoritmanın ana hat ları aşağıdaki gibi verilebilir: - Sistem kurulduğunda» kontrolör sistemi, kendisinden istenen dav ranış* verecek biçime getirecek yetenektedir. - Zamanla sistem parametrelerinin değişmesi ya da bozucu etkisi so nucunda değişen sistem davranışını sistemden istenen davranış bi çimine getirmek üzere kontrolör parametreleri devamla olarak â-.'.'. yarlanır. \' (IV - Sistemden istenen davranış, sistemin frekans band karakteristiği ya da buna eşdeğer olan zaman doneni davranışı ile karakterime edilebilmektedir. Sistemin davranışı ise uygun seçilecek bir test sinyaline cevabı izlenerek değerlendirilir ve buttan için dizge karakteristiklerinin tam olarak bilinmesine gerek yoktur. - Bütün bu İşlemleri yerine getirmek Özere bir mikrobilgisayar ve gerekli çevre donanımı kullanılmaktadır. Algoritmanın oluşturulması için öncelikle, sistemin davranışını belir leyecek kriterin saptanması ve buna göre kontrolör seçiminin nasıl yapıla cağı incelenmiş,: adaptasyonun gerçeklenmesi için kontrolör katsayılarının nasıl yenileneceği belirlenmiştir. Kontrolör parametrelerinin sistemin davranışına etkinliğini saptamak İÇİn algoritmada bir öğrenme aşaması bulunmaktadır. Öğrenme aşamasından sonra, sistem kendi haline bırakılır, ancak bu a- rada sürekli olarak sistem çıkışı, test sinyali uygulanarak gözlenir. Gözlem sonuçları istenenden farklı olursa, öğrenme aşamasında edinilmiş bilgiler kullanılarak adap t if kontrolörün yeni parametreleri saptanır ve sistem bu pa rametrelerle çalışır. Sistem parametrelerindeki değişmelerin bir adaptasyon işlemi sırasın da çok az değişeceği bilindiğine göre, adaptasyonun ilk denemede sağlanacağı açıktır. Ancak sistem parametreleri üzerindeki değişmeler büyük olursa, ilk denemede istenen sonuca erişllemez. Sonuca erişmek üzere denemelere devam edilir. Ancak bu denemelerde ilk atılan adım en büyüktür ve sonuca yaklaş tıkça adımlar küçülecektir.Tezde yukarıda anlatılan ilkelere göre çalışan adaptif kontrolör ön ce bir melez bilgisayarda simüle edilmiş ve karşılaşılabilecek tüm olasılık lar için irdelenmiş ve olumlu Sonuç alınmıştır. Simüİasyonla doğruluğu saptanan adaptif kontrolör mikrobilgisayarla gerçeklenmiştir. Gerekli olan bilgi aktarma aygıtı sisteme eklenmiştir. Gerçekleme sırasında donanım olarak endüstri standartlarına bağlı kalınmış tır. Algoritma için gerekli olan yazılım gerek çalışmanın hızını artırmak ve gerekse bilgisayar aritmetiğinin sorunlarını irdeleyebilmek açışından makiria dilinde gerçeklenmiştir. Mikrobilgisayar ila gerçeklediğimiz adaptif kontrolör çeşitli durum lar için denûrimiş ve beklenen sonuçlar alınmıştır.

Abstract:
The objective of this work which intents to use a microcomputer for adaptive control might be explain as follows : - The needs of industrial application in the field of adaptive control today, is to use a cheep and easy to use adaptive controller which can easily handle adaptive techniques. An adaptive control algorithm which is suitable the above consideration has been developed. - The algorithm, in the mean time, has been developed according to hard ware and sof tware ; requirement of a microcomputer. - During the implementation of algorithm with a microcomputer, the, fol lowing matters were also considered : 1° increase the operation speed o of controller ; 2 an effective programming technique. In the first step of adaptive control, process must be identified by adaptive controller. There are several methods may be used for this purpose either deterministic or stochastic. In this work a deterministic approach' has been choosen and it is based on the frequency response of a system. Since the measuring of the frequency response of a system is not easy, two time domain characteristics which are correspond to frequency response were used and they are the o.v.e r s ho o t and the peak time. Variation of the peak time and the magnitude of. overshoot indicate the change of system frequency response.VII The peak time and overshoot can- be controlled by a Pit) controller both directions in order to make desired values. The adaptive control algorithm which is presented in this work uses the above principle and consist of following features : - When an adaptive control system has been designed, it can properly work and the adaptive controller is capable to handle given process in order to establish the required response from the system. - System start to run after setting of coefficient (P,I,D) of controller. And this mode of controller is represented as (1,0,0) which means P=l, 1=0 and D=0. - The next step is dedicated for learning of process. In this step P,I,D are incremented as low as the process is not disturbed. The values of incire- mentatin of PID are also important question as far as applications are con cerned. In this research, AP,AI and AD are calculated in respect to system o '? o o.??'."' frequency response. When AP, AI and AD are added to the previous values, the new values willbe as below : P = P + AP. The overshoot and peak time of system for the new PID will be respec tively as follows ; A = A + AA o TA = V A\VIII The relationship between causes and effects, A - Aj RATIO PA = ---?<"- A ' A'P o TA4~ TA RATIO P alA UP o. A - A. RATIO I. = ---- ' ' A AI0 A. - A RATIO DA = --A AD ' o where A and T are required values, are calculated. These relations will i Ai be used in adaptation steps. - After learning process, the system is in the free running mode. Duriug this mode the response of system continuously observed and measured its peak time and overshoot whether or not in the given tolerance. - If one of them is not in the tolerance, adaptive controller switches to adaptation mode. The above table gives the possible causes for adaptation process {TABLE I).In this table, A_ : Overshoot is equal to desired overshoot A., At : Overshoot is higliej: tlum A,, A4- :' Overshoot is lower then A., T. : Peak time is equal to desired peak time T TA+ : Peak time is more then T., T.i : Peak time is less then T,, A Ais AiIX At A+ V V REQUIRED-: RESPONSE, 2° decrease 1 (1+) or increase" D (Di) increase I (It) or decrease D (D+) Firstly, increase P (PtJ * then, calculate the expected value of A, jump to either mode of l9, 2°, ox 3° according to result Firstly, decrease P (P4-) then, calculate the expected value of A and jump to either mode of 1°, 2°,ar 3° according to result TABLE I As ws see in the above table, P has the priority over I and D. In order to reach to required values, the adaptation process might be repeated a few time. But a new try give a better result then it was before. The required incrementation of P,I,D are calculated according to the learning step of algorithm Nand used the following equations : AP RATIO PT A. = AP. RATIO P. + A exp A ( A : Expected value of A ) AA = A. - A exp. i exp AA AD =- - - p.. RATIO D. AD =:-< - v RATIO D",r~. A* ' Mesp AI.» -* - r-«-P or AI - - - "*-"- p RATIO IA RATIO I.. A A The second part of this thesis is dedicated for simulation of the proposed adaptive control algorithm; For simulation of the algorithm, an Hybrid.Computer System (EAI-500) was employed. During the simulation work, the adaptive control algorithm which is drawn by this research was tested for all possible situation as well as the other important features of the research such as sampling time, not-disturb ed incrementation of P,I,D coefficients in the learning mode. Some test example are given in the thesis? The last section of the study is dedicated for implementation of al gorithm by means of a microcomputer and data acquisition device; This section is concentrated on these three topics; 1° Sampling time, 2° Computer arithmetic, 3° Digital noise. Sampling Time : In applications, the sampling time must be choosen neither short nor longi in contrast to theoretical result. For the sampling time calculation, /I T =K. s Qı max - 3 equation was choosen. Here, E stand for maximum max error that can be accepted and Q is frequency band '3 width with respect to - 3 dB. If the sampling time is taken longer then what this equation says, it gives us sampling error as we know.XI If the sampling time is taken shorter, it -causes a digital noise error and needs to much operation which means to much time for operation. Computer Arithmetic : In order to create a fast and low digital noise so'ftware for proposed adaptive control algo rithm, the microcomputer was programmed with machine language. All necessary arithmetic operation prog rams are written in fixed point arithmetic format. And mostly use 16 - or 32 bit aritmetic operation. Digital Noise : When ân analog signal is converted into, digital num ber, quantization and resolution are1 we 11 known problems.. In addition to these, especially, multi plication and division of two numbers Bring out er ror. These all errors are called as digital noise. In this research all of these problems are studied and try to keep the digital noise' as low as' possible.- The proposed adaptive controller has been designed base on. Motorola M 6800 microcomputer and used its family components, As data acquisition de vice Burr-Brown ADC and DAC (MP 7208-7216-7104) which is 12- bit converter, is used. The result of realization of adaptive controller which is presented in this thesis satisfied the theoretical and practical results*XII S E MB OL L E R C(s) R(s> c(t) Ç u M ü) k P I D T" o Sistem cevabının Laplace dönüş üğü Giriş işaretinin Laplace dönüşüğü Sistem cevabı Sönüm katsayısı Doğal frekans Aşım, aşım miktarı Aşıma erişme zamanı, aşım zamanı ya da tepe zamanı Gecikme zamanı Yükselme zamanı Yerleşme zamanı Çınlama genliği Çınlama frekansı -3 dB kriterine göre frekans band genişliği Salınım frekansı Kuramsal band genişliği. PID kontrolörün oransal katsayısı PID kontrolörün integral katsayısı PID kontrolörün türev katsayısı örnekleme zamanı Kuantalama yanılgısı Dizgenin ileri yol kazancı