مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل‌کننده مقاوم تطبیقی برای کنترل موقعیت عملگر پیزوالکتریک با نامعینی غیرساختاری

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه کنترل، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
چکیده
عملگرهای پیزوالکتریک، پرکاربردترین گزینه برای رسیدن به دقت بالا در کنترل موقعیت هستند. با وجود مزایای قابل توجه این عملگرها، دینامیک‌های خطی و غیرخطی آنها مثل پسماند می‌تواند منجر به اُفت دقت سیستم کنترلی باشد. در این پژوهش، کنترل‌کننده‌ای برای کنترل موقعیت عملگر پیزوالکتریک بر اساس روش مد لغزشی ارایه شد. کنترل مد لغزشی یکی از روش‌های مبتنی بر مدل و پرکاربرد در سیستم‌های موقعیت‌دهی دقیق است. در این پژوهش، از مدل بوک‌ون به‌منظور توصیف رفتار عملگر استفاده شد. در این مدل، دینامیک خطی با استفاده از جملات جرم، میراگر، سختی و دینامیک پسماند به‌صورت غیرخطی مدل می‌شود. اما معمولاً بین سیستم فیزیکی عملگر و مدل ریاضی میزانی از نامعینی و عدم تطابق وجود دارد. در آنالیز پایداری روش کنترل مد لغزشی مرسوم، لازم است حد بالای این نامعینی مشخص باشد. این اندازه‌گیری در سیستم‌های عملی به‌سادگی امکان‌پذیر نیست؛ از طرفی انتخاب مقادیر بالا برای این حد، منجر به افزایش بهره کنترل‌کننده و فاصله‌گرفتن آن از مقدار بهینه می‌شود. روش مقاوم تطبیقی ارایه‌شده در این پژوهش، وابستگی به حد بالای نامعینی را مرتفع می‌کند. این کار با معرفی یک قانون تطبیق برخط برای تخمین حد بالای نامعینی انجام می‌شود. با ارایه این قانون، پایداری مجانبی سیستم حلقه‌بسته به‌صورت تئوری اثبات می‌شود. با پیاده‌سازی روش پیشنهادی روی تجهیزات آزمایشگاهی و همچنین نرم‌افزار شبیه‌ساز، عملکرد آن توسط نتایج شبیه‌سازی و عملی نشان داده شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Adaptive Robust Controller for Position Control of Piezoelectric Actuator with Unstructured Uncertainty

نویسندگان English

S.F. Alem
E. Sabooni
F. Sheikholeslam
I. Izadi
Control Department, Electrical & Computer Engineering Faculty, Isfahan University of Thechnology, Isfahan, Iran
چکیده English

Piezoelectric actuators are the most common choice for position control with ultra-high precision. Despite the significant advantages, the linear and nonlinear dynamics of these actuators, such as hysteresis, could decrease the precision of the control system. In this research, a controller based on the sliding mode method is proposed for position control of piezoelectric actuator. Sliding mode control is a model-based and useful method in nanopositioning systems. In this research, Bouc-Wen model is used for description of the actuator’s behavior. In this model, the linear dynamic is modeled with mass, stiffness and damping terms, and the hysteresis is modeled by its nonlinear dynamics. Usually, there are mismatch and uncertainty between the physical system and mathematical model. For stability analysis of the prevalent sliding mode control, the upper bound of uncertainty must be known. But, in practical systems, this is not possible, simply. On the other hand, selecting the large values for this bound, increases the controller gain and distances it from the optimum value. The proposed adaptive robust control eliminates the dependency to the upper bound of uncertainty. This is done by introducing an online adaptive law for estimating this bound. Proposing this law, asymptotic stability of the closed-loop control system is proven. Implementing the presented method on the laboratory setup and simulator software, its effectiveness is shown by simulation and experimental results.

کلیدواژه‌ها English

Piezoelectric Actuator
Adaptive robust control
Unstructured uncertainty
Nanopositioning System
Sliding mode control
Smith RC. Smart material systems: model development. University City, Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics; 2005. [Link] [DOI:10.1137/1.9780898717471]
Kuiper S, Schitter G. Model-based feedback controller design for dual actuated atomic force microscopy. Mechatronics. 2012;22(3):327-337. [Link] [DOI:10.1016/j.mechatronics.2011.08.003]
Li G, Su H, Cole GA, Shang W, Harrington K, Camilo A, Pilitsis JG, et al. Robotic system for MRI-guided stereotactic neurosurgery. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2014;62(4):1077-1088. [Link] [DOI:10.1109/TBME.2014.2367233]
Su H, Li G, Rucker DC, Webster III RJ, Fischer GS. A concentric tube continuum robot with piezoelectric actuation for MRI-guided closed-loop targeting. Annals of Biomedical Engineering. 2016;44(10):2863-2873. [Link] [DOI:10.1007/s10439-016-1585-7]
Devasia S, Eleftheriou E, Moheimani SR. A survey of control issues in nanopositioning. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2007;15(5):802-823. [Link] [DOI:10.1109/TCST.2007.903345]
Muraoka M, Sanada S. Displacement amplifier for piezoelectric actuator based on honeycomb link mechanism. Sensors and Actuators A: Physical. 2010 ;157(1):84-90. [Link] [DOI:10.1016/j.sna.2009.10.024]
Breguet JM, Driesen W, Kaegi F, Cimprich T. Applications of piezo-actuated micro-robots in micro-biology and material science. International Conference on Mechatronics and Automation; 2007 Aug 5; Harbin, China: IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers); pp. 57-62. [Link] [DOI:10.1109/ICMA.2007.4303516]
Kuhn S, Noël T, Gu L, Heider PL, Jensen KF. A Teflon microreactor with integrated piezoelectric actuator to handle solid forming reactions. Lab on a Chip. 2011;11(15):2488-2492. [Link] [DOI:10.1039/c1lc20337a]
Ko HP, Jeong H, Koc B. Piezoelectric actuator for mobile auto focus camera applications. Journal of electroceramics. 2009;23(2-4):530-535. [Link] [DOI:10.1007/s10832-008-9529-8]
Bruant I, Gallimard L, Nikoukar S. Optimal piezoelectric actuator and sensor location for active vibration control, using genetic algorithm. Journal of Sound and Vibration. 2010;329(10):1615-1635. [Link] [DOI:10.1016/j.jsv.2009.12.001]
Xiao S, Li Y. Modeling and high dynamic compensating the rate-dependent hysteresis of piezoelectric actuators via a novel modified inverse Preisach model. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2012;21(5):1549-1557. [Link] [DOI:10.1109/TCST.2012.2206029]
Mokaberi B, Requicha AA. Compensation of scanner creep and hysteresis for AFM nanomanipulation. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering. 2008;5(2):197-206. [Link] [DOI:10.1109/TASE.2007.895008]
Hassani V, Tjahjowidodo T, Do TN. A survey on hysteresis modeling, identification and control. Mechanical Systems and Signal Processing. 2014;49(1-2):209-233. [Link] [DOI:10.1016/j.ymssp.2014.04.012]
Al Janaideh M, Krejčí P. Inverse rate-dependent Prandtl-Ishlinskii model for feedforward compensation of hysteresis in a piezomicropositioning actuator. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2012;18(5):1498-1507. [Link] [DOI:10.1109/TMECH.2012.2205265]
Alem SF, Izadi I, Sheikholeslam F. Adaptive sliding mode control of hysteresis in piezoelectric actuator. IFAC-PapersOnLine. 2017;50(1):15574-15579. [Link] [DOI:10.1016/j.ifacol.2017.08.1883]
Li Y, Xu Q. Adaptive sliding mode control with perturbation estimation and PID sliding surface for motion tracking of a piezo-driven micromanipulator. IEEE Transactions on control systems technology. 2009;18(4):798-810. [Link] [DOI:10.1109/TCST.2009.2028878]
Lin CJ, Lin PT. Tracking control of a biaxial piezo-actuated positioning stage using generalized Duhem model. Computers & Mathematics with Applications. 2012;64(5):766-787. [Link] [DOI:10.1016/j.camwa.2011.12.015]
Alem SF, Izadi I, Sheikholeslam F, Ekramian M. Piezoelectric Actuators with Uncertainty: Observer-Based Hysteresis Compensation and Joint Stability Analysis. IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2019;99-1-8. [Link] [DOI:10.1109/TCST.2019.2922624]
Driessen BJ, Kondreddi S. Tracking observer/controller for a relatively large class of systems with hysteresis and without velocity measurement. Systems & Control Letters. 2009;58(1):26-30. [Link] [DOI:10.1016/j.sysconle.2008.07.006]
Shen JC, Jywe WY, Liu CH, Jian YT, Yang J. Sliding‐mode control of a three‐degrees‐of‐freedom nanopositioner. Asian Journal of Control. 2008;10(3):267-276. [Link] [DOI:10.1002/asjc.33]
Slotine JJ, Li W. Applied nonlinear control. New York City: Pearson; 1991. [Link]