Sıralı Kontrol; Giriş Şekillendirme (Input Shaping) ve PID Kontrolü Bir Araya Getiren Yeni Bir Kontrol Yöntemi

Öz

Dinamik sistemler çalışmaları esnasında titreşimlere sebep olur ve çeşitli bozucu etkilere maruz kalır. Sistemlerin maruz kaldığı bu etkiler hem sistemin performansını, hem de ömrünü negatif yönde etkiler. Bu etkilerin yok edilmesi ve sistemin çıkışının istenilen referans değerine hızlı ve kararlı bir şekilde getirilmesi için bu sistemler çeşitli kontrol yöntemleriyle denetlenmelidir. Bu kontrol yöntemleri üç ana grupta toplanabilir: Hızlı yanıt veren ancak bozucu etkilere karşı çaresiz açık çevrim kontrol yöntemleri, nispeten yavaş ancak bozucu etkilere karşı dayanıklı kapalı çevrim kontrol yöntemleri ve her iki yöntemin avantaj ve dezavantajlarını bir araya getiren hibrit kontrol yöntemleri. Bu çalışmada bu üç kontrol yönteminden farklı olarak, açık ve kapalı çevrim kontrol yöntemlerini sıralı bir şekilde bir araya getirerek her iki kontrol yönteminin avantajlarını barındırıp, dezavantajlarından kurtaran yeni bir kontrol yönteminin matematiksel alt yapısı oluşturmuştur. Bunu gerçekleştirmek için öncelikle portal vinç sisteminin kinematik denklemleri elde edilmiş, sonrasında sistem MATLAB Simulink üzerinde modellenmiştir. Sisteme öncelikle herhangi bir kontrol yöntemi uygulanmadan giriş uygulanarak sistemin temel karakteristikleri elde edilmiştir. Daha sonra sisteme nispeten yeni bir kontrol yöntemi olan ve temelinde sisteme uygulanan giriş sinyallerinin sebep olduğu titreşimleri yok etme prensibi yatan giriş şekillendirme yöntemlerinden en basiti olan sıfır titreşim giriş şekillendirme kullanılmıştır. Kapalı çevrim kontrol yöntemi olarak üzerinde uzun yıllar çalışılmış ve güvenilirliği kanıtlanmış PID kontrol kullanılmıştır. Modellenen sisteme açık çevrim, kapalı çevrim ve hibrit kontrol yöntemleri uygulanarak sistemin çıkış karakteristikleri incelenmiştir. Sonrasında sisteme bozucu etki uygulanarak farklı kontrol yöntemlerinin performansları incelenmiştir. Son olarak elde edilen sonuçlardan daha başarılı bir performansa sahip olması amaçlanan sıralı kontrol yönteminin matematiksel varlığı çeşitli kabullerle kanıtlanmıştır. Ardından bulunan sıralı kontrol yönteminin her durumda diğer yöntemlerden üstün olmasını sağlamak adına yapılması gereken geliştirmeler için önerilerde bulunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Giriş şekillendirme,PID Kontrol,Hibrit Kontrol,Sıralı Kontrol

Sequenced Control; A New Control Method That Combines Input Shaping and PID Control

Öz

ynamic systems cause and are subject to various vibrations and disturbances that not only reduce their lifespan, but also affect the overall performance in a negative way. To remove these effects and ensure the systems’ output is within desired limits, these systems must be controlled using various control methods. These methods can be grouped under three major categories: Open loop control methods that have fast response time but are helpless against disturbances, closed loop control methods that are relatively slower but are resistant to disturbances, and hybrid methods that combine both the advantages and the disadvantages of both. In this study, mathematical foundations of a new control method is developed that combines the advantages of both methods without having their disadvantages. To achieve this goal, a gantry crane system is mathematically modelled using a pendulum analogy, then it is simulated on MATLAB Simulink interface. Afterwards the system is given input without any control method being applied to determine its characteristics. Then the system is controlled using the relatively new control method called “input shaping” which is based on eliminating the vibrations caused by the input signal from the output signal. PID controller is chosen as the closed loop control method as it is proven many times over the years, to be robust and reliable. The output characteristics of the system are attained for open loop, closed loop and hybrid control methods. Then the system is subjected to disturbance, to compare the performances of each control method. Finally a new control method which is as fast as input shaping and resistant to disturbances is developed under certain assumptions. Then solutions are provided to make sequenced control superior to other control methods under all circumstances.

Anahtar Kelimeler

• Input Shaping,PID Control,Hybrid Control,Sequenced Control

Kaynakça

1. Franklin, G. F., Powell, J. D., Emami-Naeini (1994). A., Feedback Control of Dynamic Systems. Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 3rd edition.
2. Gürleyük, S. S., Cinal, Ş. (2005). Dinamik Sistemlerde Titreşimi Azaltmak için Yöntemler ve Sistem Parametre Değişiminin Çalışma Verimine Etkisi, Elektrik Mühendisliği 11. Ulusal Kongresi, Cilt II, İstanbul, 504-507.
3. Huey, J. (2006). The Intelligent Combination of Input Shaping and PID Feedback Control School of Mechanical Engineering Georgia Institute of Technology (PhD Thesis), Georgia, Atlanta 285p.
4. Kuo C. B. (1995). Otomatik Kontrol Sistemleri, Prentice-Hall, New Jersey Ogata, K. (1998). System Dynamics. Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Prentice Hall, 3rd edition.
5. Roth, B.,Wiederrich J. L. (1974). Design of low vibration cam profiles, Conference on cams and cam mechanisms, Liverpool UK.
6. Singhose, W., Singh, T. (2002). Tutorial on Input Shaping / Time Delay Control of Maneuvering Flexible Structures, American Control Conference 2002.
7. Seering, W., Singer N. (1990) Preshaping command inputs to reduce system vibration. J. Dynam Syst Measure Control March: 76-82.
8. Seering, W, Singer, N., Singhose, W. (1999). Comparison of filtering methods for reducing residual vibration, European Journal of Control 1999 5:208-218.

9. Singer, N., Singhose, W., Porter, L. J., Tuttle T. D. (1997). Vibration reduction using multi-hump input shapers. J Dynam Syst Measure Control; June: 198-205.
10. Smith, O. J. M. (1957). Posicast Control of Damped Oscillatory Systems, Proceedings of the IRE, vol. 45, no. September, pp. 1249–1255.
11. Solihin, M. I., Wahyudi (2007). Sensorless Anti-swing Control for Automatic Gantry Crane System Model-based Approach, International Journal of Applied Engineering Research Vol.2, No.1 pp. 147–161.
12. Tumari M., Shabudin, L., Zawawi, M., Shah, A. (2013). Active sway control of a gantry crane using hybrid input shaping and PID control schemes, 2nd International Conference on Mechanical Engineering Research, 50 012029.
13. Stefano, M.-L. (1981). Optimal Design of PID Regulators, International Journal of Control, vol. 33, no. 4, pp. 601–616.
14. Yüksel, İ. (2011) Otomatik Kontrol Sistem Dinamiği ve Denetim Sistemleri, Nobel Yayınevi, 400s.