GERÇEK ZAMANDA DEĞİŞKEN PARAMETRELİ PID HIZ KONTROLÜ IN REAL TIME VARIABLE PARAMETER WITH PID SPEED CONTROL

Transkript

1 5. Uluslrrsı İler Teknolojler Sepozyuu (IATS 9), Myıs 29, Krbük, Türkye GERÇEK ZAMANDA DEĞİŞKEN PARAMETRELİ PID HIZ KONTROLÜ IN REAL TIME VARIABLE PARAMETER WITH PID SPEED CONTROL İsl COŞKUN ve Hkn TERZİOĞLU b* Gz Ünverstes Teknk Eğt Fkültes, Ankr,Türkye, E post: coskun@gz.eu.tr b* Selçuk Ünverstes Teknk Bller MYO, Kony, Türkye Epost: hterzoglu@selcuk.eu.tr Özet Kontrol sstelernn cevp süresn etkn olrk kıslttığı çn brçok enüstryel uygul PID (Ornslİntegrl Türevsel) kontrolör kullnılktır. Bu çlış, gerçek zn DA otorun hız enetn sürecn etkn olrk yleştreblek çn PID kontrol terch elştr. An yük eğşlernn otorun hız eğşne oln etksn zltk çn se sbt PID kontrolü yerne, hız eğşne göre ele elen eğşken PID pretreler kullnılıştır. Böylece DA otorun hız kontrolü, eğşen yük uruun göre hsss br şekle kontrol elştr. Bu çl DA otorunun lne bğlnn rotry encoer le ölçülen çıkış hızı, rekns/gerl önüştürücü yrııyl gerle önüştürülüştür. Ele elen bu gerl, Avntech PCL 171HG t cquston krtı kullnılrk Mtlb 7.1 progrı le şlenştr. PID pretrelernn hız kontrol sstenn çıkışın etkler kkte lınrk oluşturuln kontrol lgortlrı rcılığıyl, DA otoru çn en uygun kznç pretreler hesplnıştır. Sonuç olrk, hesplnn bu eğerler t cquston krtı le tekrr sürücü evreye uygulnrk, gerçek zn kontrol elen PID pretreler le DA otorunun hız kontrolü etkn br şekle gerçekleştrlştr. Anhtr keleler: PID kontrol, DA otoru, Mtlb Abstrct PID (Proportonl, Integrtor n Dervtves) controller use n ny nustrl pplctons becuse o kng shorter the process o the response o control systes eectvely. In ths stuy, we preer to use PID control or kng better the DC otor spee up the process control s eectul n rel te. Inste o xng PID control to reuce the suen chnge o otor spee vrton we preer to use the spee vrton o the vrble PID preters. So the spee control o the DC otors, we control the chngng stuton o buren by ccorng to senstve soehow. We trnsore the purpose o the ecte le rotry encoer to the DC otor clculton o the spee ext wth the help o requencyvoltge converter nto voltge. The cheveents o ths voltge we use the Avntech PCL 171HG t cquston cr by workng n Mtlb 7.1 progr. We tke nto ccount the preters o the PID spee control syste s ext wth the help o control lgorths n lso we clculte the best sutble results o ernngs preters or DC otors. As result, we perore ths clculte vlues to the rver cycle gn by t cquston cr. By ths wy, the controlle PID preters n the rel te n spee control re relze eectvely. Keywors: PID control, DC Motor, Mtlb 1. Grş Doğru kı otorlrı, çlış krkterstklernn sğlığı önel vntjlrınn olyı brçok enüstryel uygul terch elrler. Doğru kı otorlrı enüstre hızlı tşıcılık, elektrk trenler, elektrkl tşıtlr, elektrkl vnçler, yzıcı, sket sürücü, kğıt enüstrs gb yerlere yrlnblr hız ve hsss konulnır uygullrın kullnılırlr [1]. Genş uygul lnı bulsının ğer br sebeb e lternt kı (AA) otorlrın göre kontrolünün h koly olsıır. AA otor sürücüler le kıyslnığın, DA otor sürücü evrelernn bst ve ucuz olsı yrlnblr hız uygullrın DA otorunu ön pln çıkrıştır [2]. Bu uru DA otorlrın hız enetnn hsss br şekle ypılsını gerektrştr. DA otorlrının hız kontrollernn hsss br şekle ypılsın bugüne kr ypy snr ğlrı [3], uzzy [4], lgcık teknğ [5], genetk lgort [6] gb çeştl yönteler kullnılıştır. Ayrıc DA otoru hız kontrolüne bu yöntelerle brlkte y bğısız olrk PID kontrolü e kullnılıştır[7]. Bu çlış DA otorunun hız kontrolü onlne olrk yrlnn PID kontrol le ypılıştır. PID control, enüstryel kontrol süreçler çersne yygın olrk kullnılktır. Bu neenle bu kontrol şle sırsın sste çn en uygun kznç pretrelernn belrlenes yrı br öne kznktır. Belrl br yrl krterne göre kontrol pretrelernn belrlenes, PID kontrollern tsrıın en önel konulrn brr [8]. Bugüne kr PID pretrelernn belrlenes çn ypıln çlışlr k ktegore nceleneblr. İlk ktegore, kontrol pretreler kontrol şle boyunc sbt klkt ve şlen sonuçlrın göre h sonr yrlnkt y optl olrk seçlekter. Bu ktegorek PID kontrolör olukç bst br ypıy shptr, Fkt zn çersne sste pretrelernn eğşes sonucun sste etkn br şekle kontrol eeez ve yenen yrly htyç uyr [9]. Ssten çık çevr cevbın ylı oln ZeglerNchols etou, ssten geçc cevbının kullnılsı, klıcı uru cevbı kullnılsı[1], röle ger besleel rekns cevbı kullnılsı[11,12] y krrlı ve krrsız süreçler çn zl br blgye gereksn uyn brbrnen bğısız olrk Nyqust ygrınn pretre eğerlernn hesplnığı SPAM IATS 9, Krbük Ünverstes, Krbük, Türkye

2 yönte bu sınılnırnın çersne bulunn bzı ı yöntelerr [13]. İknc ktegore PID kontrolör, ypı olrk brnc ktegorek kontrolör le ynı olsın rğen, bu h gelşş kontrolörün pretreler ssten çıkışın göre onlne olrk yrlnblekter. Bu ktegorek PID yrl yönteler h hespl teknolojs olrk lnırılır [9]. Bu ktegore ypy snr ğlrı, bulnık ntık vey genetk lgort gb yönteler [8,14,15] yygın olrk kullnılktır. Bunlrın ışın kznç eğerlernn hesplnsı çn klsk etotlrn h y sonuçlr verğ görülen belrsz lneer ssteler çn H 2 /H [16,17] gb yönteler e kullnılıştır. He ger beslee bloğunun he e kznç pretrelernn yrlnsın htyç uyuln ssteler çn, lk olrk pretre eğerlernn blnesne htyç uyn ve tlyıcı br yönte olrk kullnıln uç nokt rştır lgortsı[18,19] uygulnıştır. Ayrıc lneer olyn ssteler çn onlne olrk kznç pretrelern yrlnblen hızy ylı oln yönte[2,21], kln ltres[22] gb brçok yönte kullnılrk pretre eğerler hesplnıştır. Bu çlış PID kontrolör pretreler ht eyn gelen eğş ktrı göz önüne lınrk hesplnıştır. Kznç pretrelernn hesplsı çn perorns eğrs kullnılıştır. 1 s e br perorns eğrs üzernen ölçü ypılıştır ve ht ornı belrlenştr. Kznç pretre eğerlernn sste üzernek etks kkte lınrk pretre eğerler rtırılıştır. Bu şleler MATLAB ve SIMULINK progrın hzırlnış ve GUI r yüz progrı le görsel hle getrlştr. Bu çlış trnser onksyonu çıkrtılış herhng br sste çn en uygun pretre eğerler belrlenştr. 2. DA Motoru DA otorlrının genel kontrol prenspler teel lşkleren ele elekter. Motor eşeğer oel çıkrtılırken ypıln kbulleneler şğı verlştr [23]. Fırçlr rır ve koütsyon lneerr. Fırçlr koütsyon oluştuğu zn bobn kenrlrının kutuplr ortsınk nötr bölgesne gelecek şekle konulnırılıştır. Enüv nyetootor kuvvet nn (k) lg şekl se eksen boyunc hv rlığın sbttr ve yty eksen boyuncır. Enüv k t, kutup k tne k oluğunn enüv lnının topl lnı etkleeğ vrsyılıştır. Mnyetk oynın etks hl elştr. Böylece nyetk lnın süperpozsyonu kullnılblekte ve enüktnslrın kın bğısız oluğu kbul elştr. Bu çlış kullnıln ybncı uyrtılı DA otorun t eşeğer evre Şekl 1 e verlştr. Bu evree otorun ürettğ tork (T e ) ve otorun çısl hızı (ω ) st bresnn ters yönüne, yük torku (T y ) se st bres yönüne gösterlştr. V t R T e ω e L q T y DA Şekl 1. Ybncı uyrtılı DA otorunun eşeğer evres Eşeğer evree; L V Enüv gerln (V) Enüv kıını (A) R Enüv srgısı rencn (oh) L q Enüv srgısı enüktnsını (H) E Enüv srgılrın enüklenen gerln (V) R Uyrtı srgısının rencn (oh) L Uyrtı srgısı enüktnsını (H) V Uyrtı evres gerln (V) Uyrtı evres kıını (A) Üretlen nyetk tork(t) ve üretlen enüv gerl(e ) sırsıyl (1) ve (2) le tnılnblr. T = K e = K φ (1) φ ω (2) (1) ve ( 2) e K otor sbtn, ω çısl hızı (r/s), φ eksenne br kutbun sbt nyetk kısını gösterekter. K sbt, otor kutup syısı (P), enüv bobnnek topl letken syısı (C ) ve otor enüv srgısınk prlel kol syısı () cnsnen (3) ek gb e eleblr. K = P C 2 π Enüv nyetootor kuvvet nn lg şekl se eksen boyunc hv rlığınk sbt ve nyetk oynın etks hl elrse hv rlığınk kı eğş (Ф ) le uyrtı evres kıı( ) lneer orntılı olrk eğşr. Böylece (1) ve(2) tekrr yzılck olurs; T = k (4) e = k ω (5) şeklne e elr. (4) ve (5) e kullnıln k, sbt br eğerr. q eksennek ln srgısı le enüv srgısı rsınk krşılıklı enüktns sıırır. Yn k srgının eksen brbrne ktr. Uyrtı evresnn gerl (6) verlştr. R V (3) V = L p R (6) (6) k p, /t türev opertörüür. Enüv evresnn gerl se (7) ve (8) e verlştr.

3 V t = e L q p R (7) V t = k ω L q p R (8) Üretlen nyetk tork(t), (9) k gb yzılblr. Eştlktek (J) tlet oentn, (T L ) yük torkunu, (b) sürtüne ktsyısını e etekter [24]. T = k = J pω b ω T L (9) 3. PID Kontrol PID kontrolörler oluşturn kısılrın her br brer ktsyı le yönetlrler. Bu ktsyılr(k p, K, K ) her sste çn yrı eğerler lktırlr. Şekl 2 e PID kontrolörün ç ypısın t blok ygrı verlştr. Bu blok ygrınn görülüğü gb PID kontrolörün ypısını ornsl kznç, ntegrl lıcı ve türev lıcı evrelern brleşnen oluşktır. Reerns Değer R(t) Ger Beslee Değer b(t) Ht e(t) Kp K K t t PID Kontrolör Çıkışı u(t) 4. Mteryl ve Meto 4.1. PID pretrelernn yrlnsı Ypıln bu çlış DA otorunun hız kontrolü eğşken PID le gerçekleştrlştr. PID pretreler yrlnırken her pretrenn sstee etkler göz önüne lınrk Mtlb progrın br lgort oluşturuluştur. Bu lgort yükselş znını eğştrek çn K p eğer, ssten klıcı uru htsını yok etek çn K, şı üzenleek çn K eğerler, ssten perorns eğrs kkte lınrk eğştrlekter. Şekl 4 e oluşturuln blok çersne kznçlrın yrl şle şğık şekle ypılıştır [7]. Bşlngıç koşullrı tbryle K p =,7, K =,3, K =,1 olrk kbul elştr. K p eğer, gerçek eğer reerns eğern %99 u oluncy kr 1 s rlıklrl.7 olrk rtırılıştır. K eğer, gerçek eğer reerns eğern %99 unn küçük vey gerçek eğern %99 le % 11 rsın se K eğer 1 s rlıklrl,3 olrk rtırılıştır. K eğer, gerçek eğer reerns hızın %99 le %99.5 rsın se K eğer 1 s rlıklrl,1 olrk rtırılıştır. Şekl 2. PID kontrolörün blok ygrı PID kontrolörün çıkışı vey enet yssı (1) e elekter [7]. u = K e K e t K e t (1) (t) p ( t ) (t) ( t ) t şeklne e elr. e Bu enkle e ( t ) ht eğern gösterekter. Ht eğer se e ( t ) = R (t) b (t) (11) yrııyl hesplnblr. (11) PID kontrolörler kullnılrk kontrol elen sstee t blok ygr Şekl 3 e verlştr [7]. Şekl 4. Pretrelern belrlenes çn uygulnn kış ygrı Belrlenen krterler ve kznç pretrelernn özellkler kkte lınrk bzı sınırllr gelştrles gerekeblr. Bu sınırlnırlrın oluğu sulnk e oluşturuln blok Şekl 5 e gösterlştr. Reerns Çıkış Değer Değer Ht DENETLENEN PID KONTROLÖR e(t) SİSTEM R(t) u(t) C(t) b(t) GERİ BESLEME SİSTEMİ Şekl 3. PID kontrolörlü ssten blok ygrı Şekl 5. Pretrelern sınırlnırılığı bloğun çypısı

4 Şekl 5 e kznçlrının sınırlnırılığı blok ygrın şğık şleler ypılıştır [7]. Ht eğer, reerns eğernn %,1 nen küçükse K eğern rtır şle ururuluştur. Ht eğer, reerns eğernn %,1 nen küçükse vey ht eğernn türev sıır se K eğern rtır şle son errlştr. Hız (/k) Sülsyon Deneysel 4.2. Deneysel Çlış Ypıln bu çlış ssten çıkış eğer sürekl ölçülerek kznç eğerler ssten gereksnne göre gerçek zn yrlnıştır. Kznç pretrelernn belrlenes çn kullnış oluğuuz lgort Şekl 4 ve Şekl 5 e verlştr. Bu lgort çn oluşturuln sulnk bloklrı Şekl 6 belrtlştr. Sulnk progrı le evree kullnıln grş, çıkış kontrol snyller rsınk blg ktrıı Mtlb uyulu Avntech rsın t oln PCI 171 HG ver letş krtı rcılığıyl gerçekleştrlştr. Zn Şekl 7. DA otorunun 1,5 KW lık yükte HPE le kontrolü 3 Reerns 1 Reerns Deger Yük (N) Anlog Input Anlog Input 1 Avntech PCI171HG [uto] u Abs1 36 Gn 1 Scope l Counter Lte 1 Gercek Deger Snyl Genertoru PID BLOGU 1 PID cks ( u(t) ) Sste Durur Mnul Swtch Anlog Output Anlog Output 2 Avntech PCI171HG [uto] Şekl 6. Gerçek zn kontrol çn oluşturuln sulnk bloğu Bu çlış çn kullnılış oln FEMSAN rsı trınn üretlen ybncı uyrtılı DA otoru 1,5 KW, 2 V, 7,5 A, 3 /k özellklerne shptr. DA otoru t yükte ve eğşk yüklere çlıştırılış ve bu yükler ltın hız perorns eğrs üzernen onlne hesplnn kznç eğerler kullnılrk eneyler gerçekleştrlştr. Bu çlış oluşturuln lgort le ele elen PID kznç pretre eğerler DA otoru t yükte çlıştırılıştır. DA otorunu yükleek çn otorl ynı özellklere shp oln br no kullnılıştır. DA otoru 1,5 KW lık yük le çlıştırılığın HPE le hesplnn kznç eğerler kullnılış ve 3 /k reerns çn Şekl 7 e verlen evr eğrs ele elştr. DA otorunun 2 s yüksele znı le 5 s e şısız olrk 3 /k evrle çlıştığı Şekl 7 e sülsyon eğrsnen belrlenştr. Deneysel uygul sonucun se DA otorunun s yüksele znı le şısız 1,8 s sonr 3 /k reerns eğere ulştığı Şekl 7 en belrlenştr. Ypıln bu çlışnın sste üzernek etklernn h y nlşılbles çn Şekl 8 ek yük DA otorun uygulnıştır. Bu yük eğşne bğlı olrk DA otorunun kplı öngülü, ZeglerNchols etou le hesplnn kznç pretreler le PID kontrol ve HPE üzernen hesplnn kznç pretreler le kontrol elştr. Hız (/k) Deneysel Sülsyon Zn (s) Şekl 8. DA otorun uygulnn yük eğş PID kontrolör çn kznç pretrelernn evr eğerne bğlı olrk yrlnsı sonucun ele elen PID eğerleryle eğşken yükler ltın çlışn otorun hız kontrolü ypılığın Şekl 9 k evr eğrs ele elştr. Zn (s) Şekl 9. DA otorunun eğşken yükte HPE le kontrol eles Şekl 9 görülüğü gb DA otoru eğşken yükler ltın çlışsın rğen ortl evr eğer 3 /k oluğu görülekter. DA otoru her 5 s e br yük eğer 15 s ye kr Şekl 8 e görülüğü gb

5 yüklenğne otorun hızı 5. s e 299 /k, 1. s e 2993 /k, 15. s e 2988 /k eğerlerne üştüğü kt 3 /k lık reerns eğerne 1 s e tekrr ulştığı görülüştür. DA otorunun yük eğer 2 s en sonr zltılığın evr syısının 31 /k eğerne kr nlık olrk ulştığı kt yrlnn kznç pretreler yrııyl 1 s e ssten tepk vererek otorun reerns eğerne çlıştığı Şekl 9 görülüştür. Değşk yüklere çlıştırıln DA otorunun gerçek zn hesplnn kznç pretreler le belrlenen reerns evre çlıştığı Şekl 9 görülüştür. DA otorunun yük eğerlerne bğlı olrk yüklenkçe evrn brz zlığı, yük klırılığın se evrn rttığı kt k uru onlne hesplnn kznç eğerleryle hızlı br şekle tepk verlerek reerns eğere ulştığı Şekl 9 n belrlenştr. 5. Sonuç Bu çlış enüstryel uygullr genş kullnı lnlrı bulunn DA otorlrının hız kontrolü gerçek zn hesplnn PID le gerçekleştrlştr. Değşken kznç pretreler le kontrol elen DA otoru t yükte ve eğşken yüklere çlıştırılış ve sonucun hız kontrolü etkn br şekle gerçekleştrlğ görülüştür. Motorun hızın bğlı olrk hesplnn kznç pretreler le reerns hızn herhng br şekle br sp oluğun ssten kıs süree reerns hız tekrr ulştığı belrlenştr. Kynklr [1] Chn, C.C., Low Cost ElectroncControlle Vrble Spee Reluctnce Motors, IEEE Trnsctons on Inustrl Electroncs, 951, [2] Cstgnet, T., Ncol, Dgtl Drve or Hoe Applnces, IEE Colloquu on DC otor Vrble Spee Drves n Moton Control, 14, [3] Lu Z., Zhung S. W., Spee Control o DC Motor Usng BP Neurl Networks,IEEE 23, , 23 [4] Clu P., Mguel S., Spee Control o DC Motor by Usng Fuzzy Vrble Structure Controller, IEEE Control Conerence, , 28. [5] Yılz M., Tuncy R. N., Özgür Ü. Fırçsız DA otorunun (FDAM) lgılyıcısız kontrolüne lgcık teknğnn uygulnsı, İTÜ ergs/ ühenslk clt 5, syısı 3, kısı 1, 7384, 26. [6] Wng Y., X C., Zhng M., Lu D. Aptve Spee Control or Brushless DC Motors Bse On Genetc Algorth n RBF Neurl Network IEEE Interntonl Conerence on Control n Autoton, , 27. [7] Coşkun, İ., Terzoğlu, H., Hız perorns eğrs kullnılrk kznç (PID) pretrelernn belrlenes, Journl o TechnclOnlne, 1825, 27. [8] Ayoğu Ö. OptlTunng o PID Controller Gns Usng Genetc Algorths, Pukkle Ünverstes Mühenslk Fkültes Mühenslk Bller Dergs, , 25 [9] Dlcı, K.B., Bulnık kznç yrllı nonlneer PI kontrolörün klıcı ıkntıslı oğru kı otorno sstene uygulnsı, Doğuş Ünverstes Dergs, 7188, 24. [1] Bek, S.M., Kuc, T.Y., An ptve PID lernng control o DC otors, Systes, Mn n Cybernetcs IEEE Interntonl Conerence, , [11] Grss, E., Tskls, K., PID controller tunng by requency loopshpng, Proceengs o the 35th Conerence on Decson n Control Kobe, [12] Grss, E., Tskls, K.S., Dsh, S.,Gkw, S.V., n Sten, G., Aptve/seltunng PID control by erequency loopshpng, Proceengs o the 39* IEEE Conerence on Decson n Control Syney, , 2. [13] Zhng, G., Sho, C., Ch, T., A new etho or ınepenently tunng PID preters, Proceengs o the 35th Conerence on Decson n Control, Kobe, IEEE, , [14] Jnghu, W.X.D., Debo, C., PID seltunng control bse on evolutonry progrng, Proceengs o the 4 Worl Congress on Intellgent Control n Autoton, IEEE, , 22. [15] Mtsukur, Y., Yoto, T., Kne, M., A genetc tunng lgorth o PID preters, Systes, Mn n Cybernetcs IEEE Interntonl Conerence, ,1997. [16] Ou L., Gu D., Zhng W, C Y., H PID controller Stblzton or Stble Processes wth Te Dely, IEEE, , 25 [17] Tkhsh, R.H.C.,Peres, P.L.D., Ferrer P.A.V., Multobjectve H 2 /H gurntee cost PID esgn [18] IEEE Control Systes, 3747, Kllngsworth, N.J., Krstc, M., PID tunng usng extreu seekng, IEEE Control Systes Mgzne, 779, 26. [19] Kllngsworth, N.,Krstc, M., Autotunng o PID controllers v extreu seekng, 25 Aercn Control Conerence, , 25. [2] Tko, K., Yoto, T., Hnoto T., Meorybse onlne tunng o PID controllers or nonlner systes, Proceeng o the 24 Aercn Control Conerence, , 24. [21] Tko, K., Yoto T., Hnoto T., Desgn o eorybse seltunng PID controller, 43r IEEE Conerence on Decson n Control, , 24. [22] Sevnç A., Lorenz Kotk Sste İçn Apt Br Gözleyc, Gz Ünv. Müh. M. Fk. Der. J. Clt 18, No 4, 5766, 23. [23] Çolk İ., Byınır R., PIC 16F877 le DA Motor Hız Kontrolü, Pukkle Ünverstes Mühenslk Fkültes Mühenslk Bller Dergs, Vol. 112, , 25. [24] Bl G. Doğru Akı Mkneler ve Sürücüler, Seçkn Yyıncılık, Ankr, , 21.