Fırçalı doğru akım motoru üzerinde zorlu harici bozucular altında pı kontrolörünün performans analizi
Performance analysis of pi controller under harsh external disturbances on brushed direct current motor
- Tez No: 985947
- Danışmanlar: PROF. DR. RIDVAN ÜNAL, DOÇ. DR. CELAL ONUR GÖKÇE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Afyon Kocatepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Otomatik kontrol sistemleri, modern mühendislik uygulamalarının temel bileşenlerinden biri olup; insansız kara, hava ve deniz araçlarından robotik sistemlere, endüstriyel üretim hatlarından CNC tezgahlarına kadar pek çok alanda yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu sistemlerin güvenilir, kararlı ve verimli çalışabilmesi, bünyelerinde yer alan kontrol mekanizmalarının başarısına doğrudan bağlıdır. Elektrik motorları ise, bu sistemlerde hareketin temel kaynağı olup; özellikle hız ve konum gibi parametrelerin hassas bir şekilde kontrol edilmesi, sistem performansının belirleyici unsurlarındandır. Bu çalışmada, fırçalı bir doğru akım (DA) motorunun hız kontrolü problemi ele alınmış ve sistem üzerinde deneysel uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Basit yapıları, uygun maliyetleri ve kolay kontrol edilebilirlikleri nedeniyle DA motorlar düşük ve orta güçlü uygulamalarda yaygın olarak tercih edilmektedir. Tez kapsamında, motor hız kontrolü için Oransal–İntegral (PI) tipi bir kontrolör tasarlanmış ve uygulanmıştır. PI kontrol yapısının temel amacı, motorun belirlenen referans hıza mümkün olan en kısa sürede, minimum hata ile ulaşmasını sağlamak ve sistemde kararlı bir yanıt elde etmektir. Ancak bu başarım, doğrudan kontrolör kazançlarının doğru belirlenmesine bağlıdır. Bu amaçla, kazançların (K_pve K_i) etkin biçimde ayarlanması için, doğadaki sürü davranışlarını temel alarak çözüm uzayında en uygun sonucu arayan, çok sayıda çözüm adayını paralel olarak değerlendirebilen Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO) adlı sezgisel bir algoritmadan yararlanılmıştır. Çalışma iki ana deneysel aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, kullanılan DA motorun dinamik yapısını temsil eden matematiksel bir modelin çıkarılması hedeflenmiştir. Adım girişlerine karşılık alınan motor hız yanıtları analiz edilmiş ve PSO algoritması yardımıyla sistemin karakteristik parametrelerini yansıtan model başarıyla elde edilmiştir. Modelin geçerliliği, sabit referans sinyali altında sistem tepkileriyle karşılaştırılarak test edilmiş ve yükselme süresi, aşım miktarı, yerleşme süresi ve kararlı durum hatası gibi ölçütler açısından sistem davranışını gerçekçi biçimde yansıttığı görülmüştür. İkinci aşamada, geliştirilen PI kontrol yapısı Altera Cyclone IV FPGA platformu üzerinde gerçek zamanlı olarak uygulanmıştır. Manyetik enkoder ile sağlanan geri besleme sinyalleri dijital olarak işlenmiş ve sistemin hız kontrolü bu verilere dayalı olarak gerçekleştirilmiştir. Farklı PI kazanç kombinasyonlarının sistem yanıtına etkilerini değerlendirmek amacıyla, her bir durumda elde edilen referans hız (ω_Ref) ve gerçek hız (ω_Gerçek) verileri Python tabanlı analizler ile karşılaştırılmıştır. Çeşitli kazanç kombinasyonları için yükselme süresi, aşım, yerleşme süresi ve izleme başarımı gibi performans metrikleri kullanılarak karşılaştırmalı değerlendirme yapılmış ve nesnel performans tabloları oluşturulmuştur. Ayrıca kontrol kazançlarının armatür akımı tepe değerleri üzerindeki etkileri ayrıntılı biçimde incelenmiş, sistem performans ölçütleri ile kazançlar arasındaki ilişki ısı haritaları ve grafiklerle görselleştirilmiştir. Bunun yanında, farklı yük koşulları altında, ikinci bir doğru akım motoru yük motoru olarak bağlanarak esas motorun bilmediği farklı PWM gerilimleriyle sürülerek dış bozucu yük simüle edilerek akım sınırlarını gözeten çok amaçlı PSO analizleri gerçekleştirilmiş ve %0–%50 arasındaki çalışma aralığı için ayrıntılı değerlendirmeler yapılmıştır. Böylece kontrolcü, beklenmeyen bozucu etkiler altında da kararlılığını korumuştur. PSO algoritmasının arama süreci de grafiksel olarak açıklanmış, optimizasyon sürecinde bulunan en uygun kazançlar deneysel sonuçlarla desteklenmiştir. Ayrıca PSO ile elde edilen en iyi kazanç seti, el ayarlı ve literatürde önerilen denetçilerle kıyaslanarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, PSO algoritması ile optimize edilen PI kontrol yapısının, fırçalı DA motorun hız kontrolünde yüksek doğruluk ve kararlılık sağladığını ortaya koymuştur. Sistem, hem modelleme hem de kontrol açısından istenen performans düzeyini başarıyla karşılamış, ayrıca kazançların sistem dinamiği üzerindeki etkileri deneysel olarak doğrulanmıştır. Bu bağlamda, geliştirilen yöntem benzer motor kontrol uygulamaları için uygulanabilir bir çözüm olarak değerlendirilmiş ve kontrol mühendisliği alanındaki literatüre katkı sunacak nitelikte sonuçlar ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Automatic control systems are one of the fundamental components of modern engineering applications and are widely used in many areas, ranging from unmanned land, air, and sea vehicles to robotic systems, industrial production lines, and CNC machines. The reliable, stable, and efficient operation of these systems is directly dependent on the success of the control mechanisms they incorporate. Electric motors are the primary source of motion in these systems; the precise control of parameters such as speed and position is a key factor in system performance. This study addresses the speed control problem of a brushed direct current (DC) motor and presents experimental applications on the system. Due to their simple structure, reasonable cost, and ease of control, DC motors are widely preferred in low and medium power applications. Within the scope of the thesis, a Proportional–Integral (PI) type controller was designed and implemented for motor speed control. The fundamental objective of the PI control structure is to ensure that the motor reaches the specified reference speed in the shortest possible time with minimum error and to obtain a stable response in the system. However, this performance depends directly on the correct determination of the controller gains. To this end, a heuristic algorithm called Particle Swarm Optimization (PSO) was utilized. This algorithm, which searches for the most suitable result in the solution space based on swarm behavior in nature and can evaluate multiple solution candidates in parallel, was used to effectively adjust the gains (K_p and K_i). The study consists of two main experimental stages. In the first stage, the goal was to derive a mathematical model representing the dynamic structure of the DA motor used. The motor speed responses corresponding to the step inputs were analyzed, and a model reflecting the characteristic parameters of the system was successfully obtained using the PSO algorithm. The validity of the model was tested by comparing it with system responses under a steady-state reference signal, and it was observed that the model realistically reflected system behavior in terms of criteria such as rise time, overshoot amount, settling time, and steady-state error. In the second stage, the developed PI control structure was implemented in real time on the Altera Cyclone IV FPGA platform. Feedback signals provided by the magnetic encoder were digitally processed, and the system's speed control was performed based on this data. To evaluate the effects of different PI gain combinations on the system response, the reference speed (ω_Ref) and actual speed (ω_Actual) data obtained in each case were compared using Python-based analyses. Comparative evaluations were performed using performance metrics such as rise time, overshoot, settling time, and tracking performance for various gain combinations, and objective performance tables were created. In addition, the effects of control gains on armature current peak values were examined in detail, and the relationship between system performance criteria and gains was visualized using heat maps and three-dimensional surface graphs. Furthermore, multi-objective PSO analyses considering current limits under different load conditions were performed, and detailed evaluations were made for the operating range between 0% and 50%. The search process of the PSO algorithm was also explained graphically, and the optimal gains found in the optimization process were supported by experimental results. Furthermore, the best gain set obtained with PSO has been evaluated by comparing it with manually tuned and literature-recommended controllers. The results obtained reveal that the PI control structure optimized with the PSO algorithm provides high accuracy and stability in the speed control of the brushed DC motor. The system successfully met the desired performance level in terms of both modeling and control, and the effects of the gains on the system dynamics were experimentally verified. In this context, the developed method was evaluated as an applicable solution for similar motor control applications and produced results that contribute to the literature in the field of control engineering.
Benzer Tezler
- FPGA tabanlı enkoder destekli yüksek hassasiyetli motor kontrolör tasarımı
FPGA based high precision motor controller with encoder support
MELİSA AYDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT KAÇAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ VECDİ EMRE LEVENT
- Milli havacılık uygulamalarında marş generatörü yalıtım arızalarının öngörülü tespitine katkılar
Contributions to the predictive detection of insulation failures in starter generators for national aviation applications
AYŞE NUR KÖKLÜ ULUSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Durumu izlenen iş mili motorunun hız denetimi
Speed control of condition monitored spindle motor
KÜRŞAT MUSTAFA KARAOĞLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Mekatronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. METİN ZEYVELİ
- Torna tezgahı hızının gerçek zamanlı donanım döngüsünde bulanık mantık ile denetimi
Control of turning machine speed with fuzzy logic in real-time hardware in the loop
EKREM KELEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mekatronik MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ METİN ZEYVELİ
- Bir motor kontrol sisteminin model tabanlı donanım ve yazılım ortak tasarımı
Model-based hardware and software mutual design of a motor control system
SEDAT İN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SIDDIKA BERNA ÖRS YALÇIN
DOÇ. DR. HASAN TİRYAKİ