مدلسازی و کنترل یک سیستم غیرخطی توپ و میله با استفاده از کنترل PID و اعتبارسنجی تجربی
Keywords:
سیستم توپ, کنترل, مدلسازی غیرخطی, پایداریAbstract
این مقاله، مدلسازی سیستم توپ و میله با در نظر گرفتن عوامل غیرخطی و اثرات متقابل را ارائه می‌دهد.این سیستم، یک سیستم کنترل پایه است که در اکثر آزمایشگاه‌های دانشگاهی وجود دارد و شامل یک توپ، میله، موتور، سنسور فاصله و کنترلر است. گشتاوری که توسط موتور تولید می‌شود، برای کنترل موقعیت توپ بر روی میله به کار می‌رود، با استفاده از تکنیک‌های حسگری خطی برای مقایسه داده‌های حسگر با مقادیر مطلوب موقعیت. تفاوت حاصله به کنترلر PID بازخورد داده می‌شود تا موقعیت مطلوب توپ بدست آید. اگرچه مدل ریاضی برای سیستم، به طور ذاتی غیرخطی است، اما می‌توان آن را در نزدیکی منطقه افقی خطی کرد که هنوز برای بسیاری از سیستم‌های واقعی، مانند استحکام بخشیدن به هواپیما در هنگام فرود و در جریان هوای آشفته، قابل استفاده است. برای رفع مشکلات واقعی چون نویز سنسور و اشباع عملگر، کنترلرهای سیستم بهبود یافته و مقاومت‌تر ساخته شده‌اند. سیستم با استفاده از یک کنترلر میکرو Arduino پیاده‌سازی شده است، که موقعیت توپ را از یک سنسور فاصله مادون قرمز دریافت کرده و آن را با فاصله مطلوب توسط کاربر مقایسه می‌کند. الگوریتم PID تعبیه شده در Arduino با پردازش تفاوت سیگنال‌های موقعیت مطلوب و واقعی، سیگنال کنترلی را تولید می‌کند که سپس به یک موتور DC سرو ارسال می‌شود تا توپ را چرخانده و موقعیت آن را به موقعیت مطلوب تغییر دهد.
References
[1] E. P. Dadios, R. Baylon, R. De Guzman, A. Florentino, R. M. Lee, and Z. Zulueta, "Vision guided ball-beam balancing system using fuzzy logic," in 2000 26th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IECON 2000. 2000 IEEE International Conference on Industrial Electronics, Control and Instrumentation. 21st Century Technologies, 2000, vol. 3: IEEE, pp. 1973-1978.
[2] J. Whelan and J. Ringwood, "A demonstration rig for control systems based on the ball-and-beam with vision feedback," in Advances in Control Education 1994: Elsevier, 1995, pp. 9-12.
[3] S. Sridharan and G. Sridharan, "Ball on beam on roller: a new control laboratory device," in Industrial Electronics, 2002. ISIE 2002. Proceedings of the 2002 IEEE International Symposium on, 2002, vol. 4: IEEE, pp. 1318-1321.
[4] S. KOCAOĞLU and H. KUŞÇU, "Design and control of PID-controlled ball and beam system," in Unitech. Int. Science Conference, Gabrovo, 2013, pp. 41-46.
