Comparative evaluation of four control algorithms for nonlinear systems

Abstract

Bu tezde, iki eklemli doğrudan sürülebilir bir robot kolu ve bir kimyasal bioreaktör sistemi için dört farklı denetim stratejisi tasarımı yapılmıştır. Algoritmalar bu iki sistem üzerinde Simulink adlı özel bir programlama ortamını ve Matlab dosyalarını kullanarak denenmiştir. Benzetim amaçlı gerçekleştirilen denetleyiciler hesaplanmış-girdi denetleyicisi, biçim tabanlı uyarlamalı denetleyicisi, değişken yapılı denetleyici, optimal denetleyicidir. Bu denetleyicilerin teorik altyapıları da tartışılmıştır. Denetleyici yapılar dış bozucular ve taşınan yük koşullan veya parametrik varyasyon altında yörünge izleme yetenekleri temel alınarak farklı denetim parametreleri için kurulmuş ve test edilmiştir. Robot kolu ve bioreaktör sistemi için benzetim sonuçlan, tüm denetim metodlannın dış bozucu, taşınan yük veya parametre değişimi koşullannı içermeyen ideal şartlar altında mükemmel performans sergilemeye muktedir olduklarını göstermektedir. Bununla beraber, çalışma durumları dış bozulmalann ve parametre değişimlerinin mevcut olduğu şartlara döndürüldüğünde, değişken yapılı denetleyici ve optimal denetleyici hesaplanmış-girdi denetleyicisinden daha iyi performans sergilemekte iken, hesaplanmış-girdi denetleyicisi yetersiz fakat idare eder bir yörünge izleme yeteneği göstermiştir. Yörünge izleme hatalarının karesel ortalamalarının karekökü karşılaştırıldığında, dış bozucu ve taşınan yük veya parametre değişimi koşulları altındaki en iyi performansın biçim tabanlı uyarlamalı denetim metodunu kullanarak elde edildiği gözlenmiştir.

In this thesis, four different control strategies are designed for a two-link SCARA (Selectively Compliant Assembly Robot Arm) type robotic manipulator and a chemical bioreactor system. The algorithms are tested on these plants through simulations using Simulink Environment and M-Files. The controllers which are implemented for simulation purposes are the computed-input controller, model reference adaptive controller, variable structure controller and optimal controller. The theoretical background of these controllers are also discussed. The controllers are built and tested on the basis of their tracking abilities under external disturbances, payload or parametric variation for a specific set of control parameters. The simulation results for robotic manipulator and bioreactor system have shown that all four methods are capable of performing excellently under ideal conditions which do not include any external disturbance, payload or parameter variation. However, as the case studies are switched to the conditions where some external perturbations and parameter variations exist, the computed-input method has shown an unsatisfactory but tolerable tracking ability while variable structure controller and optimal controller have exhibited better performance than computed-input method. Having compared the RMS tracking errors, it was observed that the best performance under external disturbance and payload or parameter variaiton conditions, was obtained by using model reference adaptive control method.