Esnek mekaniksel sistemlerde dalga temelli kontrol
Wave based control in flexible mechanical systems
Yazar: DOĞAN OSMAN KASA
Danışman: PROF. DR. ATİLLA BİR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Dalga analizi = Wave analysis ; Dalga denklemleri = Wave equations ; Dalga modeli = Wave model ; Dalga teoremi = Wave theorem ; Esnek mekanizmalar = Complient mechanisms ; Esnek robot kolu = Flexible robot arm ; Esnek sistemler = Elastic systems ; Esneklik = Flexibility ; Esneklik problemi = Elasticity problems ; Mekanik sistemler = Mechanical systems

Özet:
İnsan varolduğu sürece ağır işleri yaptıracak akıllı mekanik sistemlere ve robotlara her zaman ihtiyaç duyacaktır. Dünya kaynaklarının hızla tükendiği günümüzde daha az enerjiyle, verimi ve konforu artırmaya yönelik çalışmalar hız ve önem kazanır. Verimliliği doğrudan etkileyen en önemli faktörlerden biri esnekliktir. Mekanik sistemler ve robotlar için esneklik, bazen, insanlarla temas halindeyken güvenliği sağlamak için gereklidir. Bazen de vinç kızakları, çok uzun bağlantı parçaları ya da uzay kontrol mekanizmalarında olduğu gibi, tasarım kısıtlamalarının istenmeyen sonuçları şeklinde ortaya çıkar. Robotlarda esneklik ise, geleneksel sert ve bükülmez endüstriyel robotların aksine; daha hafif, daha az enerjiye ihtiyaç duyan, daha hızlı robotları ifade eder. Esnek robotlar daha küçük eyleyici ile daha fazla yük taşıma kapasitesine sahip, daha güvenli ve daha küçük robotlardır. Ancak bu üstünlüklerinin yanında, zayıf oldukları nokta aşırı duyarlılıklarıdır. En küçük bir dış etkiden aşırı derecede etkilenen, akılcı tasarım ve kontrol sistemleriyle kazandıkları dinamik üstünlüklerini kaybeden, uzun süre salınım oluşturan sistemlerdir. Esnek sistemler, karmaşıktır ve yeterince iyi modellenemez. Sistem dinamiği, sistem yapısına ve yüke bağlı olarak değişir. Modellenebilseler bile, karmaşık modellerin; komut şekillendirme, kayan kipli kontrol, modal kontrol, kutup atama metodu, PD kontrol, bang-bang kontrolü, durum uzayında dinamik geribesleme, min-max kontrol ve diğer dinamik yaklaşım yöntemlerinde kullanılması oldukça zordur.Esnek sistemlerin kontrolünde, birbirine bağlı iki değişken, konum ve aktif salınım aynı anda kontrol edilmeye çalışılır. Sistemin bir yandan istenen konuma götürülmesi sağlanırken, diğer yandan aktif salınımı sönümlenmeye çalışılır.Alışılmış kontrol yöntemleri, bu çalışmada ele alınan yeni yaklaşımın dışında, tüm problemlerin çözümünde tatmin edici sonuçlar vermez. Bir eyleyicinin tek bir kütleyi hareket ettirdiği salınımlı basit bir sistemde, bir noktadan diğer bir noktaya hareketi sağlayan kontrol davranışları birbiriyle karşılaştırıldığında bile, hayret verici çok sayıda problemle karşılaşılır. Bu tek eyleyicili kütle-yay sisteminde kuvvet ya da konum türünden tanımlanan giriş işareti, gerçek hatta ideal olabilir, eğer uygulanan işaret gerçekse farklı dinamik davranış limitleri tanımlamak gerekir. Kontrol açık veya kapalı çevrim olabilir, yerleşme zamanı ve kabul edilebilir salınım süreleri ve sürekli hal hataları göz önüne alınarak sürekli hal tanımlanabilir. Değerlendirmede geçiş zamanı, izleme doğruluğu, hatta belirlenen değişkenin integrali ölçüt olarak alınabilir. Sonuç olarak uygulamanın tüm önemli değişkenleri düşünülerek ve izlenerek çözüme ulaşılmaya çalışılır. Ayrıca tüm bu değişkenler gözlemlenirken mekanik sistemi kontrol eden uzmanın göz ardı ettiği değişkenler, ölçme elemanları, bunların yerleri ve hatta töleransları, sistem kararsızlıkları, töleransları, işi yerine getirme kolaylığı, gerçek zamanlı hesaplama ihtiyacı ve benzeri sorunlar da önem kazanır. Serbestlik derecesi ne kadar artarsa iç içe geçmiş değişken sayısı daha da artarak karmaşık bir hal alır.

Abstract:
As long as human exists, smart mechanical systems and robots will always be needed to make heavy and difficult works done. Nowadays the world is quickly running out of resources, so improvement works for high efficiency and comfort with less energy is getting importance and accelerate day by day. One of the most important factor directly affecting productivity is flexibility. Flexibility for mechanical systems and robots is necessary sometimes in contact with people to provide safety. And sometimes it appears as design constraints in the form of undesirable consequences such as crane gantries, very long coupling parts or space control mechanisms. Flexibility in robots signifies, in contrast to the traditional rigid industrial robots, lighter and faster robots which require less energy. Flexible robots are capable of carrying more load with a smaller actuators. They are more safety and smaller according to traditional robots. In addition to these advantages, their weakness is hypersensitiveness. These kind of systems are long-term vibrating systems caused by an external extremely smaller effect so they lose their dynamic superiorities acquired by intelligent designs and control systems.Flexible systems are so complex and can not be modelled good enough. Their system dynamics change depending on structures of systems and loads. If they were able to be modelled, these complex models wouldn?t be used in the control approaches such as command shaping, sliding mode control, modal control, pole assignment method, PD control, bang-bang control, state space, dynamic feedback, min-max control and other dynamic approaches.In the control of flexible systems, interconnected two variables, position and active vibration are tried to be controlled at the same time. On the one hand system is to be driven to desired position, and on the other hand active vibration is tried to be damped. Conventional control methods, except the new approach explained in this study, don`t give satisfactory results solving control problems. When the control behaviours of a vibrating control system which ensures a displacement form one point to another point, are compared with each other, it is faced to surprising many problems. In this mass-spring system controlled by a single actuator, actual reference input signal can be defined as a force or a position. This input signal can be real or even ideal. But if this actual signal is real, different dynamic behaviour limits should be defined. Controlling may be open or closed loop, a steady-state condition can be defined by taking into consideration settling time, acceptable vibration times and steady state errors. In evaluation, transit time, tracking accuracy, and even integral of defined variables can be taken as criteria. Consequently, it is tried to be reached solution of the application by considering and monitoring of all relevant variables. During all variables are observing, variables ignored by controlling expert, measurement equipments, their locations, and even their tolerances, system instabilities, tolerances, work to perform easily, real-time computing needs and other issues come into prominence. How much increased degree of freedom, number of intertwining variables become more complicated by increasing.