مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مقایسه عملکرد دو مدار نیوماتیکی متفاوت در حضور کنترل کننده غیرخطی با ضرایب بهینه

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
2 عضو هیات علمی دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی
3 استادیار دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی
4 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی،پردیس فنی مهندسی عباسپور،دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
در این مقاله کنترل موقعیت یک عملگر نیوماتیک با شیر سولنوئیدی قطع/وصل با تحریک PWM با استفاده از دو مدار نیوماتیکی متفاوت، انجام می‌شود. پس از استخراج معادلات دینامیکی حاکم، به‌منظور بررسی تاثیر مدار بر عملکرد سیستم، به معرفی این دو مدار نیوماتیکی پرداخته می‌شود. سپس به‌منظور کنترل موقعیت عملگر نیوماتیکی، برای هر دو مدار، کنترل‌کننده مود‌لغزشی و کنترل‌کننده تناسبی- انتگرالی- مشتق‌گیر طراحی می‌شوند. درادامه ضرایب بهینه کنترل‌کننده‌ها توسط الگوریتم ژنتیک با هدف کمینه کردن انرژی کنترلی و خطای موقعیت، تعیین می‌گردند. درنهایت با انجام شبیه‌سازی‌ها در سیمولینک متلب، عملکرد کنترل‌کننده‌های طراحی شده با ضرایب بهینه در حضور اغتشاش مورد ارزیابی و مقایسه قرار می‌گیرند. بر اساس نتایج به‌دست آمده، در مقایسه عملکرد دو مدار، برای مدار نیوماتیکی اول با دو شیر سولنوئیدی، می‌توان به توانایی سیستم در تعقیب بهتر و دقیق‌تر ورودی‌ مرجع سینوسی با فرکانس بالا، در حضور کنترل‌کننده غیرخطی مودلغزشی، درمقایسه با مدار نیوماتیکی دوم با تک شیر، اشاره کرد. خطای ردیابی موقعیت، در ورودی مرجع سینوسی با فرکانس پایین و در حضور کنترل-کننده کلاسیک تناسبی- انتگرالی- مشتق‌گیر، برای مدار نیوماتیکی با تک شیر، به مراتب کمتر از مدار نیوماتیکی دو شیر می-باشد، که نشان دهنده رفتار شبه خطی ورودی-خروجی عملگر، با این مدار نیوماتیکی است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Comparing performance of two different pneumatic circuits in the presence of nonlinear controller with optimal parameters

نویسندگان English

Vahideh Vahidifar 1
mostafa taghizadeh 2
Vahid Fakhari 3
Pedram Safarpour 4
1 MSc Student, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
2 Faculty Member, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
3 Assistant Professor, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, Shahid Beheshti University
4 Assistant Professor, Faculty of Mechanical and Energy Engineering, A.C., Shahid Beheshti University
چکیده English

In this paper, control position of a pneumatic actuator with the PWM solenoid on/off valves using two different pneumatic circuits performed. After deriving the governing dynamic equations, to investigate the circuit effect on system performance, mentioned two pneumatic circuits are introduced. Then in order to control the position of the pneumatic actuator, for both circuits, sliding mode and proportional-integral-derivative controllers are designed. In proceeding, optimum controller parameters are determined by genetic algorithm to achieve minimum control energy and position error. Finally, by performing simulations in Matlab Simulink, performance of designed controllers with optimal parameters is evaluated and compared in the presence of disturbance. According to the obtained results, by comparing the performance of two circuits, it is observed that the first pneumatic circuit with two solenoid valves can track the high-frequency sine reference input better and more precisely in the presence of a nonlinear sliding mode controller. The position tracking error in low-frequency sine reference input using a classic proportional-integral-derivative controller, for a single-valve pneumatic circuit is considerably less than that of a pneumatic circuit of two valves. This indicates the input-output quasi linear behavior of the pneumatic actuator in a single-valve circuit.

کلیدواژه‌ها English

Pneumatic actuator
Position Control
Sliding mode controller
PWM Excitation
genetic algorithm
[1] P. R .Moore, J. S. Pu, Pneumatic Servo Actuator Technology, IEE Colloquium: Actuator Technology: current practice And New developments. Vol.1.No,1 ,pp. 3/1-3/6,1996.
[2] S. Liu, J. E. Bobrow, An analysis of a pneumatic servo system and its Application to a computer-controlled robot, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, vol. 110, pp. 228-235. September 1988.
[3] H. K. Lee, G. S. Choi, G. H. Choi., A study on tracking position control of pneumatic actuators, Mechatronics, vol. 12, pp. 813-831, 2002.
[4] Y. C. Tsai and A. C. Huang, Multiple-surface sliding controller design for pneumatic servo systems, Mechatronics, vol. 18, pp. 506-512, 2008.
[5] M. Smaoui, X. Brun, D. Thomasset, High order sliding mode for an electropneumatic system: A robust differentiator–controller design, International Journal of Robust and Nonlinear Control, vol. 18, pp. 481-501, 2008.
[6] S. Das, B. Bandyopadyay, A.K. Paul and P. Trivedi, Position control of pneumatic actuator using sliding mode control in conjunction with Robust Exact Differentiator, International Conference on Control, Automation, Robotics and Embedded Systems (CARE), Jabalpur, India, pp. 1 – 6, 16-18 December 2013.
[7] J. Ueda, M. Turkseven, Observer Based Impedance Control of a Pneumatic System with Long Transmission Lines. IEEE International Conference on Robotics and Automation.2016.
[8] S. Goldstein , H. Richardson, A differential pulse-width modulated pneumatic servo utilizing floating flapper disc switching valves, ASME Transaction Journal of Basic Ejgineering, Series C, Vol. 90, No. 2, pp. 143-151, 1968.
[9] R. B. Varseveld, G.M. Bone, Accurate Position Control of a Pneumatic Actuator Using On/Off Solenoid Valves, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,Vol.2,No. 3, pp. 195-204. 1997.
[10] M. Taghizadeh, A. Ghaffari, F. Najafi, Modeling and identification of a solenoid valve for PWM control applications, Comptes Rendus Mecanique, Vol. 337, No. 3, pp. 131–140, 2009.
[11] M. Taghizadeh, A. Ghaffari, F. Najafi, Improving dynamic performances of PWM-driven servo-pneumatic systems via a novel pneumatic circuit, ISA Transaction, Vol. 48, No. 4, pp. 512–518, 2009.
[12] E. Richer, Y. Hurmuzlu, A High Performance Pneumatic Force Actuator System, Part 1, Transactions of the ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 122, No. 3, pp. 416-435, 2000.
[13] T. Dominik Gwiazda, Genetic Algorithms Reference Paperback – July 31, 2006.