عنوان

طراحی کنترل‌کننده‌های مقاوم و تطبیقی و تخمین پارامتر برای ژیروسکوپ ارتعاشی میکرو الکترومکانیکی

Number

‭۱۵۱۰۰پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

طراحی کنترل‌کننده‌های مقاوم و تطبیقی و تخمین پارامتر برای ژیروسکوپ ارتعاشی میکرو الکترومکانیکی

First Statement of Responsibility

/مهران حسینی پیش رباط

Name of Publisher, Distributor, etc.

: مهندسی مکانیک

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۱۳۹۴‬

Text of Note

چاپی

Dissertation or thesis details and type of degree

کارشناسی ارشد

Discipline of degree

مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی

Date of degree

‮‭۱۳۹۴/۱۱/۰۴‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

ژیروسکوپ‌های میکرو الکترومکانیکی یا به‌اختصار ممز‮‭(MEMS)‬ ، ازجمله حسگرهای لختی تولیدشده توسط فرآیندهای میکرو ماشین‌کاری هستند که امروزه درکاربردهای گوناگونی از قبیل ناوبری، وسایل الکترونیکی، روباتیک و سیستم‌های پایدارسازی وسایل نقلیه به‌منظور اندازه‌گیری سرعت زاویه‌ای بکار می‌روند .قابلیت تولید در ابعاد انبوه با قیمت تمام‌شده کم، اندازه کوچک، مصرف پایین انرژی و قابلیت کارکرد و ارتباط با مدارهای مجتمع ‮‭(IC)‬ روی یک تراشه سیلیکون مشترک، ازجمله ویژگی‌های بارز این حسگرهاست که آنها را به جایگزینی بالقوه برای ژیروسکوپ‌های پرهزینه ماکرو بدل می‌سازد .بااین‌حال، عیوب هندسی ناشی از فرآیندهای میکرو ساخت و همچنین عوامل محیطی مانند دما، عملکرد این حسگرها را در مود کارکرد حلقه باز متداول به‌شدت مختل کرده و باعث می‌شود که این ژیروسکوپ‌ها فقط برای کاربردهایی با دقت و هزینه متوسط کارایی داشته باشند .هدف اصلی پژوهش حاضر، ارائه تکنیک‌هایی مبتنی بر پسخورد برای بهبود پایداری و مقاومت ژیروسکوپ در برابر تغییرات محیطی و عیوب ساختاری است .در این راستا، ابتدا الگوریتم‌هایی برای شناسایی پارامترهای ژیروسکوپ، شامل سرعت زاویه‌ای نامعلوم متغیر بازمان، ارائه شده و اهداف کنترلی به گونه‌ای تعریف‌شده‌اند که همگرایی پارامترهای تخمین زده شده به مقادیر واقعی تضمین شود .در گام بعدی، بر مبنای مفهوم جبران اغتشاش یک سیستم کنترلی دو درجه آزادی طراحی شده که ساختار آن از یک کنترل‌کننده نامی و یک جبران‌ساز اغتشاش تشکیل می‌شود .زیرسیستم جبران‌ساز اغتشاش، به شکل فعال اغتشاش ناشی از عدم قطعیت پارامتری، جفت‌شدگی‌های مکانیکی، عوامل غیرخطی و نویز مکانیکی- دمایی را تخمین زده و تأثیر آن را جبران می‌کند .برای این منظور، روش‌های مختلفی بر پایه رؤیت‌گرهای حالت گسترش‌یافته و الگوریتم فراپیچشی ارائه شده است و پایداری و همگرایی هر کدام به شکل تحلیلی بررسی و اثبات شده است .به منظور طراحی کنترل‌کننده نامی، مسأله کنترل ارتعاشات مودهای ژیروسکوپ در چارچوب یک مسأله استاندارد رگولاسیون خروجی تبیین و به کمک اصل مود داخلی حل شده است .همچنین با در نظرگیری اشباع محرک‌های الکترواستاتیک، فرمول‌بندی رگولاسیون خروجی مقید ژیروسکوپ بر مبنای استراتژی کنترل پیش‌بین انجام پذیرفته است .به منظور حل عددی سریع و آنلاین مسأله کنترل بهینه متناظر، متغیرهای کنترلی با استفاده از توابع پایه متعامد پارامتریزه شده‌اند .سیستم کنترلی پیشنهادی، به لحاظ اتکا صرف به مدل نامی تحلیلی مقاوم است و از نقطه‌نظر سنتز سیگنال، خاصیت تطبیقی دارد .پایداری و مقاومت سیستم حلقه بسته بررسی شده و نتایجی در مورد کرانداری غایی مسیرها استنتاج شده‌اند .در نهایت، به منظور ارزیابی عملکرد سیستم کنترلی و الگوریتم‌های شناسایی پارامتر ارائه شده، شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری انجام گرفته است .

Text of Note

MEMS gyroscope is one of the micro machined inertial sensors which is used for angular velocity measurement in diverse fields of applications such as navigation, homing, electronic goods, robotics and automotive engineering. Eliminating bearings and mechanical wear, batch productivity with low cost, low power consumption and capability to integrate with electronics on the same silicon chip are favorable characteristics of the MEMS gyroscopes that make their usage promising compared to the conventional rotating wheel or fiber-optic gyroscopes. However, imperfections of fabrication technologies and environmental variations significantly degrade the sensor performance in the conventional open loop operation mode. Therefore, these sensors are only suitable for medium cost, medium performance applications. For high performance demanding applications, like an inertial attitude reference system, incorporation of a suitable feedback mechanism is needed to improve the stability and robustness of the gyroscope. In this regard, the main contribution of this thesis is to provide a theoretical framework for design of a class of robust and adaptive control methodologies for MEMS gyroscope applications. First, different parameter identification schemes are designed and control objectives are specified such that consistent estimation of the gyroscope parameters along with a time varying rotation rate is guaranteed. Next, a control system is developed structure of which follows a two-degrees-of-freedom topology consisting of a nominal controller gathered with a perturbation compensator. The perturbation compensator subsystem actively estimates and cancels the effect of parametric uncertainty, undesired mechanical couplings, nonlinearities and mechanical thermal noisy force. Toward this end, various methods basing on the extended state observers (ESOs) and super-twisting algorithms are proposed. The stability and convergence properties of each method are investigated and required mathematical proofs are given. The nominal controller subsystem actively controls both axes of the gyroscope regulating them to desired reference trajectories. To do this, by augmenting the gyroscope dynamics and the generator of the reference signal, an auxiliary control structure is developed stabilization of which solves the corresponding output regulation problem in the framework of internal model principle. A sampled data receding horizon control (RHC) scheme is also proposed to stabilize the augmented system considering actuator limitations. Fast numerical solution of the associated optimal control problem is facilitated through parameterization of the control signal trajectories by a set of orthonormal basis functions, known as Kautz functions. The controller is robust, since it relies merely on a nominal mathematical model, and it is adaptive in the sense of signal-synthesis adaptation. The stability and the robustness of the closed loop control system are investigated and results on the ultimate boundedness of the system trajectories are drawn. Extensive numerical simulations are done to assess the efficiency of the proposed control system as well as the parameter identification algorithms

حسینی پیش رباط، مهران

کیقبادی، جعفر، استاد راهنما

صادقی، مرتضی، استاد مشاور

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی