بخشی از مقاله
چکیده
مزایای فراوان سیستم های نیوماتیکی موجب شده تا جایگاه ویژه ای در صنعت اتوماسیون و پزشکی پیدا کنند. با این وجود فاکتورهای غیر خطی زیادی در یک سیستم سرو نیوماتیکی نقش بازی می کنند که از مهمترین آنها می توان به تراکم پذیری سیال، ارتباط بین اختلاف فشار و دبی در عبور از دهانه شیر و اصطکاک موجود در عملگر و شیر اشاره کرد. این عوامل موجب شده تا رفتار این سیستم ها در مقابل کنترل کننده های خطی دارای عیوبی از قبیل داشتن خطای ماندگار و پایین بودن مقاومت سیستم نسبت به عدم قطعیت پارامترها باشد. به دلایل فوق از کنترل کننده های مدل مبنای مقاوم برای کنترل دقیق این سیستم ها استفاده می شود.
در این مقاله، کنترل کننده ی مود لغزشی برای تعقیب موقعیت طراحی شده است. همچنین به منظور کاهش پدیده چترینگ روش سطح لغزشی انتگرالی، پیشنهاد شده است. در ابتدا به مدلسازی و معرفی تجهیزات آزمایشگاهی سیستم سرونیوماتیکی پرداخته می شود. سپس کنترل کننده مقاوم مود لغزشی طراحی شده است و در نهایت عمکرد ساختار پیشنهادی به کمک نتایج شبیه سازی و آزمایش های تجربی مورد صحه گذاری قرار گرفته است.
-1 مقدمه
از دیرباز نیوماتیک نقش مهمی در اجرای فرآیندهای مکانیکی داشته است. سرعت بالای عملگرهای نیوماتیکی، نسبت نیرو به وزن بالا، نسبت نیرو به حجم بالا، تمیزی المان های نیوماتیکی به علت کار با هوا، ارزان بودن المان ها و سیال مورد استفاده برای تغذیه را می توان از جمله مزایای این سیستم ها نام برد.
علی رغم وجود این مزایا به دلایلی از جمله غیرخطی بودن مدل شیر نیوماتیکی، متغیر بودن پارامترهای مدل سیلندر و یا فشار منبع نسبت به زمان، تراکم پذیری هوا، اصطکاک ناشی از نشت بندی سیلندر، رفتار بسیار غیر خطی و نیز به دلیل مدل دینامیکی مرتبه بالایی که دارند، کنترل دقیق سیستم های سرونیوماتیکی همواره مسئله ساز بوده است. تاکنون فعالیت های زیادی در زمینه کنترل سیستم های سرونیوماتیکی انجام شده است. بابرو در سال 1991 توسط کنترل کننده تطبیقی به همراه خطی سازی سیستم حول نقطه کاری، موقعیت سیلندر نیوماتیکی را کنترل کرد.
پاندیان و همکارانش در سال 1997 حالت های سیستم را بر اساس اختلاف فشار موجود باز نویسی کرده و تعداد حالت های سیستم را یک عدد کاهش دادند.[2] در سال2001، وانگ و همکارانش توانستند با استفاده از راهبرد کنترل مقاوم موقعیت سیلندر را در مسیر S شکل کنترل نمایند.[3] ریچر و هرمزلو در بررسی خود از دو کنترل کننده غیرخطی نیرو بر پایه تئوری کنترل لغزشی، یکی با مرتبه کامل و دیگری با مرتبه کاهش یافته استفاده نمودند4]و.[5 کنترل کننده مود لغزشی توسط چنگ در سال 2008 برای کنترل نیرو بکار رفت.آنها از MSSC برای کنترل سیستم سرونیوماتیکی استفاده کردند
استفاده از کنترل ساختار متغیر، شناخته شده به عنوان کنترل مود لغزشی اخیرا در حوزه کنترل روبات مورد توجه قرار گرفته است. این کنترل کننده ها در برابر اغتشاشات و تغییر پارامتر ها و همچنین نویزهای مزاحم کاملا مقاوم می باشند. در این کنترل کننده ها از مدل سیستم برای حذف ترم های غیر خطی استفاده می شود. ابتدا سیستم تا حد امکان به صورت ریاضی مدل شده و پارامترهای آن شناسایی می شود و در نهایت مدلی ارائه می شود که بسیار مشابه مدل واقعی است. این مدل در معادلات کنترل کننده استفاده می شود. در این مدلسازی نیاز به اندازه گیری حالت های سیستم می باشد. موقعیت، سرعت و فشار دو طرف سیلندر، حالت های سیستم می باشند.
هدف این مقاله، طراحی کنترل کننده غیر خطی مود لغزشی به منظور کنترل موقعیت سیلندر دو طرفه نیوماتیکی با استفاده از شیر تناسبی می باشد به طوریکه بتواند مسیرهای هارمونیک با فرکانس های مختلف را تعقیب نماید. در این تحقیق معادلات دینامیکی مجموعه ی جرم و پیستون، معادلات دینامیکی حاکم بر فشار محفظه ها و معادلات مربوط به عبور سیال از شیر مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 مدل سیستم
سیستم سرونیوماتیکی مورد بررسی مطابق شکل - 1 - از یک شیر تناسبی و سیلندر دو طرفه تشکیل شده است. هوای فشرده از مخزن وارد شیر 5/3 تناسبی شده و به داخل مخزن های A و B هدایت می شود. براساس میزان گشودگی شیر، جریان هوای گذرنده از شیر متغیر بوده و به دنبال آن فشار این دو مخزن تغییر خواهد کرد. این اختلاف فشار موجب اعمال شتاب به پیستون و جابه جا شدن آن می شود. به طور کلی مدل سازی این سیستم، به دو بخش مدل سازی عملگر نیوماتیک و شیر تقسیم می شود.
شکل:1 مدار نیوماتیکی
1-2 مدل دینامیک فشار در سیلندر
هدف از مدل سازی دینامیک فشار، تبیین رابطه ای بین دبی ورودی و فشار هر مخزن می باشد. این رابطه از قوانین حاکم بر سیال استخراج می شود. برای شناسایی دقیق فرآیند در سیلندر، معادلات ابتدا با فرض آدیاباتیک و سپس با فرض دمای ثابت حل می شوند. سپس مدلی میان آن دو انتخاب شده و پارامترهای آن شناسایی می شوند
اگرحجم کنترل V، چگالی ، جرم m ، فشار p ، دما T و R ثابت گاز ایده آل در نظر بگیریم آنگاه قانون گاز کامل به صورت زیر نوشته می شود:
min و mout دبی جرمی ورودی و خروجی هر مخزن می باشند. در فرایند شارژ، مخزن A در حال افزایش حجم می باشد. در این حالت دبی ورودی به معنای نشتی های موجود در سیلندر است
