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 the industry to obtain operation safety and reliability. The existing process control approaches are mostly based on the PID controllers and empirical process models. Such classical approaches can have robustness and performance challenges in the presence of nonlinearities, disturbances and parameter variations in the process dynamics. In the US, as an example, abnormal situations that the process control systems cannot deal with cause around $10 billion annual revenue loss. The main reason of this is that the robustness issues of the control systems cannot be solved with the classical control approaches, because they are inherently non-robust approaches, and they do not benefit from the knowledge about the internal dynamics of the processes. In addition, the large variety of control structures and generic tuning methods result in poor performance in process control systems. 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 input/output) models. The performances of the proposed SMC methods are compared with the PID controllers which are commonly used in the industry. The proposed control methodologies are able to maintain stability in the event of set-point or demand variations, and provide almost optimal performances to the process control systems. The efficacy of the methods is illustrated with numerical and experimental studies. In experimental studies, a DC servo-driven conveyor system and a magnetic levitation system are controlled in a robust manner. Magnetic levitation technology provides contactless and frictionless movement and specifically preferred for high speed trains and precise control systems. On the other hand, magnetic levitation systems are naturally open-loop unstable systems, have nonlinear dynamics and coil inductance based parameter uncertainties. Therefore, the SMC methods developed in this work are applied to the magnetic levitation system and highly satisfactory performances are obtained.