Proses Kontrol Sistemleri İçin Kayan Kipli Kontrol Geliştirilmesi Ve Fpga-Temelli Pratik Uygulanması

Abstract

Dayanıklı ve etkin proses kontrol sistemleri proseslerin çalışma güvenliğini ve güvenirliğini sağlamak için endüstride en çok istenen kontrol sistemleridir. Mevcut proses kontrol yaklaşımları büyük çoğunlukla PID kontrol ve ampirik proses modelleri temellidir. Böyle klasik yaklaşımlar proses dinamiğindeki nonlineerlikler, bozucular ve parametre değişikliklerinin varlığında dayanıklılık ve performans sorunlarına neden olabilmektedir. Örneğin, Amerika Birleşik Devletleri?nde proses kontrol sistemlerinin üstesinden gelemediği anormal durumlar, yaklaşık 10 milyar dolarlık yıllık gelir kaybına neden olmaktadır. Bunun temel sebebi, klasik kontrol yaklaşımlarıyla kontrol sistemlerinin dayanıklılık sorunlarının çözülememesidir. Çünkü klasik metotlar dayanıklı olmayan yaklaşımlardır ve proseslerin iç dinamikleri ile ilgili bilgilerden yeterince faydalanamamaktadırlar. Ayrıca, kontrol yapılarındaki çok çeşitlilik ve oldukça genel akort metotlarının kullanılması proses kontrol sistemlerinin performansını düşürmektedir. Bu projede hem ayrıntılı durum-uzay modeli ile tanımlanan hem de indirgenmiş-mertebeli modeller (giriş?çıkış modelleri) ile tanımlanan prosesler için kayan kipli kontrol (KKK) metotları geliştirilmiştir. Geliştirilen KKK metotları endüstride oldukça yaygın bir şekilde kullanılan PID kontrolörler ile performans yönünden karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Önerilen kontrol metotları, belirsizliklerin varlığında prosesin kararlılığını artırmakta ve optimuma yakın performans verebilmektedir. Geliştirilen metotların etkinliği nümerik simülasyonlar ve deneysel çalışmalar ile gösterilmiştir. Deneysel çalışmalarda DC servo sürücülü konveyör sistemi ve manyetik levitasyon sisteminin dayanıklı kontrolü yapıldı. Manyetik levitasyon teknolojisi temassız ve sürtünmesiz hareketi mümkün kıldığından özellikle yüksek hızlı trenler ve yüksek doğruluk ile çalışması gereken sistemlerde tercih edilir. Ancak sistemin doğal yapısı kararsızdır, nonlineer bir dinamiğe sahiptir ve zamanla değişen endüktans değerine sahiptir. Bu nedenle, bu projede kapsamında geliştirilen dayanıklı KKK metotları manyetik levitasyon sistemine uygulanmış ve oldukça iyi sonuçlar alındığı gösterilmiştir.Robust and efficient process control systems are the most desirable control systems in_x000D_ the industry to obtain operation safety and reliability. The existing process control_x000D_ approaches are mostly based on the PID controllers and empirical process models. Such_x000D_ classical approaches can have robustness and performance challenges in the presence of_x000D_ nonlinearities, disturbances and parameter variations in the process dynamics. In the US,_x000D_ as an example, abnormal situations that the process control systems cannot deal with_x000D_ cause around $10 billion annual revenue loss. The main reason of this is that the_x000D_ robustness issues of the control systems cannot be solved with the classical control_x000D_ approaches, because they are inherently non-robust approaches, and they do not benefit_x000D_ from the knowledge about the internal dynamics of the processes. In addition, the large_x000D_ variety of control structures and generic tuning methods result in poor performance in_x000D_ process control systems._x000D_ In this project, sliding mode control (SMC) methods are developed for both detailed statespace models of the processes and the processes described with reduced-order (or_x000D_ input/output) models. The performances of the proposed SMC methods are compared_x000D_ with the PID controllers which are commonly used in the industry. The proposed control_x000D_ methodologies are able to maintain stability in the event of set-point or demand variations,_x000D_ and provide almost optimal performances to the process control systems. The efficacy of_x000D_ the methods is illustrated with numerical and experimental studies. In experimental_x000D_ studies, a DC servo-driven conveyor system and a magnetic levitation system are_x000D_ controlled in a robust manner. Magnetic levitation technology provides contactless and_x000D_ frictionless movement and specifically preferred for high speed trains and precise control_x000D_ systems. On the other hand, magnetic levitation systems are naturally open-loop unstable_x000D_ systems, have nonlinear dynamics and coil inductance based parameter uncertainties._x000D_ Therefore, the SMC methods developed in this work are applied to the magnetic levitation_x000D_ system and highly satisfactory performances are obtained.