ARİF ANKARALI, HÜSEYİN ARSLAN, Hamza DİKEN

Zaman gecikmeleriyle birlikte bozucu etkilere maruz kalan bir dc servomotorun geribeslemeli kontrolü

Kablosuz kontrol sistemlerinde, kontrol sinyallerin iletiminde oluşan zaman gecikmeleri sistemin kararlı bir cevap üretmesini zorlaştırır. Özellikle ileri hatta ve geribesleme hattında oluşan toplam gecikmelerin etkisi nedeniyle, kontrol edilen sistemde kararlılık problemleri oluşur. İnsansız hava araçlarında, uzay manipülatörlerinde ve insansı robotlar gibi elektromekanik sistemlerde bulunan servomotorların, uzaktan gönderilen kontrol sinyalleriyle gerçek zamanlı kontrolünde, gecikme zamanlarının etkisi oldukça önemlidir. İleri hatta bilgisayar yazılımlarının koşturulma süreleri, verilerin ara birimlerde depolanma süreleri, antenler üzerinden kablosuz gönderilme-alınma süreleri ve ilave donanımlar üzerinden geçerken oluşan gecikmeler kontrol sinyallerinin toplam gecikme zamanını oluşturmaktadır. Benzer şekilde geri besleme hattında da ölçülen konum/hız geribesleme sinyallerinin, ters yönde donanımlar üzerinden benzer işlemlerle geçerken oluşan toplam gecikmeler sözkonusudur. Bu makalede, PID ile kontrol edilen bir DC motorun her iki yönde de oluşan sabit zaman gecikmeleri için davranışı detaylı bir şekilde incelenecektir. Zaman gecikmelerinin sistem davranışı üzerindeki etkilerini inceledikten sonra, modele Smith kestiricisi ilave edilerek servomotorun cevabında oluşacak ve istenmeyen davranışların minimize edilmesi sağlanacaktır. İlave olarak, kontrol edilen sistemdeki bozucu etkilerin kestirilerek düzeltilmesi için yeni bir Smith algoritması modele ilave edilmiştir. Bozucu etkinin hesaba katıldığı ve katılmadığı durumlar için geliştirilen Smith kestiricilerin ayrı ayrı başarıları, PID kazanç değerleri optimize edilmiş bir kontrolcüyle sürülen düşük güçlü bir servomotor üzerinde benzetimlerle gösterilmiştir.

Feedback control of a dc servomotor with time delays subjected to disturbance signals

The time delay imposed in the wireless control systems makes it difficult to guarantee stable response in many cases. Especially, delays in feedforward path combined with feedback path may result in some stability problems of the controlled system response. For the remote control of servomotors used on unmanned aerial or underwater vehicles, space manipulators and humanoid robots time delays has got great importance in real time remote control of those systems. The time delay in the feedforward path may be caused by computer control algorithm processing, buffering, transmitting process of control signals through antenna, receiving process of control signals through antenna on the vehicle and the complementary hardware processing. Similarly, on the feedback path, position feedback signal measured by encoder is transmitted in reverse order of the control signal with some delay time. In this paper, the PID control of a DC servomotor with constant time delays will be discussed in detail. After specifying the effects of the delays in the system, Smith predictor will be added to the model to minimize the undesired effects on the output response of the servomotor. For the wireless control of the servomotors actuating some mechanical systems, a modified Smith predictor is designed to drive the system efficiently to take care of the disturbance effects coming from the dynamics of the driven parts. The success of the calculated predictors together with the tuned PID controller and the controllable range for disturbance to controller signal ratio are shown on a low power DC servomotor by simulations.

PDF

___

Ki-Won Song, Gi-Sang Choi, and Gi-Heung Choi, Tracking Position Control of DC Servo Motor in LonWorks/IP Network , International Journal of Control, Automation, and Systems, vol. 6, no. 2, pp. 186- 193, 2008.
Qing Zhao and Chuwang Cheng, State Feedback Control for Time Delayed Systems with Actuator Failures, Proceedings 01 the American Control Conference, Denver, Colorado June 4-6, 2003.
Qing-Chang Zhong, Robust Control of Timedelay Systems, Springer Verlag London Limited 2006
Katsuhiko Ogata, Modern Control Engineering, Prentice Hall, 2010
Rogelio Luck and Asok Ray, Experimental verification of a delay compensation algorithm for integrated communication and control systems,Int. J. Control, Vol. 59, No.6, 1357-1372, 1994
Toshio Furukawa and Etsujiro Shimemura, Predictive control for systems with time delay, Prentice Hall, 2010
Milena Anguelova and Bernt Wennberg, State elimination and identifiability of the delay parameter for nonlinear time-delay systems, Automatica 44, 1373-1378, 2008
http://www.maxonmotorusa.com/maxon/ view/ catalog/
Han-Qin Zhou, Qing-Guo Wang and Liu Min, Modified Smith predictor design for periodic disturbance rejection, ISA Transactions, V. 46, 493- 503, 2007
Chien-Liang Lai and Pau-Lo Hsu, Design the Remote Control System With the Time-Delay Estimator and the Adaptive Smith Predictor, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol. 6, No. 1, 2010
A. Terry Bahill, A Simple Adaptive SmithPredictor for Controlling Time-Delay Systems, Control systems magazine, 16-22, 1983
Joao P. Hespanha, Payam Naghshtabrizi, and Yonggang Xu,A Survey of Recent Results in Networked Control Systems, Proceedings of the IEEE, Vol. 95, No. 1, January 2007
K.S. Fu, R.C. Gonzales and C.S.G. Lee, Robotics: Control, Sensing and Vision, McGraw Hill Book Company, 1987
Arif Ankarali, Fuzzy Logic Velocity Control of a Biped Robot Locomotion and Simulation, Int J Adv Robotic Sys., 2012, Vol. 9, 1-10,2012
Katsuhiko Ogata, System Dynamics and Control, Prentice Hall, 2010
Arif Ankarali and Hüseyin Arslan, "Smith Predictor Application on Wireless Dc Servomotor Control", 16. Mational Machine Theory Symposium, Atatürk University, Engineering Faculty, 12-13 June, 2013, Erzurum, TURKEY