توصيفگر ها :
عملگر پيزوالكتريك , هيسترزيس , كنترلكننده تطبيقي بدون مدل نمونهداده , كنترلكننده مد لغزشي , رويتگر حالت افزوده
چكيده فارسي :
حول در ساخت سيستمهاي حركت با دقت بالا در محدوده نانومتر/ميكرومتر منجر به استفاده روزافزون عملگرهاي هوشمند شده است.
مزيتهاي منحصربهفرد عملگر پيزوالكتريك، مانند دقت بالا، پاسخ سريع، نسبت نيرو به وزن بالا و اندازه كوچك، باعث شدهاند براي كاربردهاي تعيين دقيق موقعيت مناسب باشد. با اين وجود، رفتار غيرخطي ذاتي پيزوالكتريك (هيسترزيس) عامل اصلي كاهش دقت عملكرد است. علاوه بر آن وجود ديناميكهاي فركانسبالا در ساختار عملگر، عملكرد سرعتبالاي آن را محدود ميكند. براي دستيابي به عملكرد مناسب عملگر پيزوالكتريك كليد حل مسئله، مدلسازي مناسب و طراحي الگوريتم كنترلي موثر است. يكي از چالشهاي اساسي روشهاي كنترلي مبتني بر مدل، مدلسازي دقيق و شناسايي سيستم تحت كنترل است. بنابراين، مبناي اولين هدفگذاري، كنترل بدون مدل عملگر پيزوالكتريك است. چالش ديگر در ارتباط با اجراي ديجيتال كنترلكنندهها است؛ اجراي ديجيتال خاستگاه نويز و تاخير زماني است كه موجب كاهش عملكرد سيستم كنترل ميشود. بنابراين، مبناي دومين هدفگذاري انتخاب روش طراحي نمونهداده و طراحي كنترلكننده مناسب بر اساس اين روش است. براي دستيابي به اين هدف گام مهم بهدست آوردن يك مدل نمونهداده براي عملگر پيزوالكتريك است. در نهايت، براي افزايش عملكرد كنترلكننده در فركانسبالا، طراحي كنترلكننده مناسب با در نظر گرفتن تاخير زماني صورت ميگيرد. يكي از تكنيكهاي افزايش عملكرد سيستم كنترل استفاده از يك روش تخمين مناسب جهت تخمين نامعينيها و اغتشاشهاي خارجي است. رويتگر حالت افزوده يك روش كاربردي موثر و مقاوم است كه به اطلاعات كمي از سيستم نياز دارد، بنابراين در اين رساله از اين رويتگر در جهت دستيابي به سرعت عملكرد بالاتر همراه با دقت رديابي قابل قبول استفاده ميشود. مسئله ديگر كه در اين رساله به آن توجه شده، حفظ سيگنال كنترل در محدوده مجاز براي محافظت از عملگر است.
در اين رساله، چهار الگوريتم كلي، كنترل مد لغزشي مبتني بر رويتگر حالت افزوده در حوزه زمانپيوسته، كنترل تطبيقي بدون مدل مبتني بر رويتگر حالت افزوده با در نظر گرفتن محدوديت نرخ تغييرات سيگنال كنترل، كنترل مد لغزشي تطبيقي بدون مدل با در نظر گرفتن تاخير سيستم كنترل و كنترل مد لغزشي تطبيقي بدون مدل مبتني بر رويتگر حالت افزوده با در نظر گرفتن تاخير سيستم كنترل و محدوديت نرخ تغييرات سيگنال كنترل در حوزه روشهاي مبتني بر نمونهبرداري، براي رسيدن به هدف كنترلي مطرحشده معرفي ميشوند. همچنين، اثبات پايداري سيستم كنترل حلقهبسته و نتايج آزمايشگاهي هر چهار الگوريتم ارائه ميشود. براي ارزيابي عملكرد الگوريتمهاي كنترلي پيشنهادي، آزمايشها با هدف رديابي سيگنال مرجع سينوسي، تركيبي و مربعي انجام شدهاند. بيشينه خطاي مطلق، ريشه ميانگين مربعات خطا، مقدار اوج و زمان همگرايي خطا به محدودهاي نزديك صفر، بهعنوان ابزارهاي سنجش عملكرد الگوريتمهاي كنترلي استفاده ميشوند.
چكيده انگليسي :
The advancement in the development of high-precision motion systems in the nanometer/micrometer range has led to the increased utilization of smart actuators. The unique advantages of piezoelectric actuators (PEAs), such as high precision, high force-to-weight ratio, low weight, and fast response, make them suitable for applications requiring precise positioning. However, the inherent nonlinear behavior of piezoelectric actuators, known as hysteresis, is the primary factor limiting performance accuracy. Additionally, the presence of high-frequency dynamics in the actuator structure restricts its performance only in high frequencies. To obtain the desired performance, proper modeling and designing an effective controller is necessary.
Advancing model-based control methods poses a critical challenge in accurately modeling and identifying the controlled system.
Therefore, the primary objective here is to model-free control for piezoelectric actuators. Another significant hurdle lies in the digital implementation of controllers; digital control introduces noise and time delay, leading to a reduction in control system performance. Therefore, the second objective focuses on a sampled-data design approach and designing a suitable controller based on this method. A pivotal step toward achieving this objective involves developing a sampled-data model for the piezoelectric actuator. Finally, to enhance controller performance at high frequencies, the design of an appropriate controller, considering the time delay of the control system, is undertaken. One noteworthy technique for elevating control system performance involves using a suitable estimation method to estimate uncertainties and external disturbances. The extended state observer (ESO) is an effective and robust method. In this thesis, the ESO is employed to achieve heightened performance speed alongside acceptable tracking accuracy. Another noteworthy consideration in this thesis is maintaining the control signal within permissible bounds to safeguard the actuator.
In this thesis, four comprehensive algorithms are introduced to address the specified control objectives:
a continuous-time sliding mode control (SMC) based on ESO, a sampled-data model-free adaptive control (SDMFAC) based on sampled-data ESO (SDESO) considering input rate constraints, a sampled-data model-free adaptive sliding
mode control (SDMFA-SMC) subject to time delay, a SDMFA-SMC based on SDESO considering both control system delays and input rate constraints.
Furthermore, the thesis presents experimental results for each of the four algorithms. To evaluate the performance of the proposed control algorithms, experiments are conducted to track sinusoidal reference signals.
To gauge the effectiveness of control algorithms, we assess their performance using key indexes: maximum absolute error (MAE), root mean square error (RMSE), peaking value, and convergence time of the error to a zone around zero. These indexes provide a clear evaluation of how well the algorithms minimize tracking errors, offering a comprehensive understanding of their performance in approaching high-frequency tracking.