Sliding-mode control for high-precision motion control systems

Abstract

ÖZET Günümüzde kullanılan mekanik sistemlerde yüksek hassasiyetti hareket iletimi bir gereksinim haline gelmiştir. Performans gereksinimlerinin daha sıkılaşmasıyla birlikte, PID gibi klasik kontrol yöntemleri tatmin edici sonuçlar verememektedir. Literatürde birçok kontrol yaklaşımı önerilmesine rağmen sistem parametrelerindeki belirsizlikler, bozucu etkenler ve yüksek dereceli sistem dinamiği içeren kontrol problemleri, mühendisler için hala büyük bir sorun teşkil etmektedir. Kayma Kipli Kontrol teorisi, parametrik belirsizliklere ve dışarıdan gelen bozucu etkenlere karşı kararlılık sağlayarak kontrolör tasarımında sistematik bir yaklaşım sunmaktadır. Bu tezde Kayma Kipli Kontrol'ün arkaplanındaki kavramlar kısaca gösterilecektir. Ayrık zamanlı Kayma Kipli Kontrol ve sürekli Kayma Kipli Kontrol tanımlan gösterilecektir. Bu tanımlar ayrık zamanlı Kayma Kipli Kontrol tasarımı ve dayanıklılık analizi ile desteklenecektir. Bu tezde ayrık zamanlı Kayma Kipli Kontrol üzerine kurulan basitleştirilmiş bir metodoloji sunulacaktır. Bu tezin çözümlemeyi amaçladığı ana noktalar sürtünme ve sisteme ait doğrusal olmayan özelliklerdir. Bu tezin anahatlan aşağıdaki gibi özetlenebilir:. İçinde sürtünme ve doğrusal olmayan özellikler barındıran sistemlere ayrık zamanlı Kayma Kipli Kontrol'ün uygulanması. Bu sistemler şu bileşenleri içerir; doğrusal olmayan histerezis davranışı sergileyen kumanda aygıtları ve yüksek sürtünme kuvvetiyle karşı karşıya olan vida mekanizması. Son olarak kontrolör, yüksek oranda karmaşıklığa sahip olan altı serbestlik dereceli bir Stewart platformuna uygulanacaktır.. Ayrıca, nominal sistem bozucu etken gözlemleyicisi üzerine kurulu bozucu etken kompanzasyonu yöntemi yardımı ile performansın iyileştirildiği gösterilecektir.

ABSTRACT In many of today's mechanical systems, high precision motion has become a necessity. As performance requirements become more stringent, classical industrial controllers such as PID can no longer provide satisfactory results. Although many control approaches have been proposed in the literature, control problems related to plant parameter uncertainties, disturbances and high-order dynamics remain as big challenges for control engineers. Theory of Sliding Mode Control provides a systematic approach to controller design while allowing stability in the presence of parametric uncertainties and external disturbances. In this thesis a brief study of the concepts behind Sliding Mode Control will be shown. Description of Sliding Mode Control in discrete-time systems and the continuous Sliding Mode Control will be shown. The description will be supported with the design and robustness analysis of Sliding Mode Control for discrete-time systems. In this thesis a simplified methodology based on discrete-time Sliding Mode Control will be presented. The main issues that this thesis aims to solve are friction and internal nonlinearities. The thesis can be outlined as follows:. Implementation of discrete-time Sliding Mode Control to systems with nonlinearities and friction. Systems include; piezoelectric actuators that are known to suffer from nonlinear hysteresis behavior and ball-screw drives that suffer from high friction. Finally, the controller will be implemented on a 6-dof Stewart platform which is a system of higher complexity.. It will also be shown that performance can be enhanced with the aid of disturbance compensation based on a nominal plant disturbance observer. IV