كنترل‌كننده مقاوم تطبيقي براي كنترل موقعيت عملگر پيزوالكتريك با نامعيني غيرساختاري

Adaptive Robust Controller for Position Control of Piezoelectric Actuator with Unstructured Uncertainty

عملگرهاي پيزوالكتريك، پركاربردترين گزينه براي رسيدن به دقت بالا در كنترل موقعيت هستند. با وجود مزاياي قابل توجه اين عملگرها، ديناميك‌هاي خطي و غيرخطي آنها مثل پسماند مي‌تواند منجر به اُفت دقت سيستم كنترلي باشد. در اين پژوهش، كنترل‌كننده‌اي براي كنترل موقعيت عملگر پيزوالكتريك بر اساس روش مد لغزشي ارايه شد. كنترل مد لغزشي يكي از روش‌هاي مبتني بر مدل و پركاربرد در سيستم‌هاي موقعيت‌دهي دقيق است. در اين پژوهش، از مدل بوك‌ون به‌منظور توصيف رفتار عملگر استفاده شد. در اين مدل، ديناميك خطي با استفاده از جملات جرم، ميراگر، سختي و ديناميك پسماند به‌صورت غيرخطي مدل مي‌شود. اما معمولاً بين سيستم فيزيكي عملگر و مدل رياضي ميزاني از نامعيني و عدم تطابق وجود دارد. در آناليز پايداري روش كنترل مد لغزشي مرسوم، لازم است حد بالاي اين نامعيني مشخص باشد. اين اندازه‌گيري در سيستم‌هاي عملي به‌سادگي امكان‌پذير نيست؛ از طرفي انتخاب مقادير بالا براي اين حد، منجر به افزايش بهره كنترل‌كننده و فاصله‌گرفتن آن از مقدار بهينه مي‌شود. روش مقاوم تطبيقي ارايه‌شده در اين پژوهش، وابستگي به حد بالاي نامعيني را مرتفع مي‌كند. اين كار با معرفي يك قانون تطبيق برخط براي تخمين حد بالاي نامعيني انجام مي‌شود. با ارايه اين قانون، پايداري مجانبي سيستم حلقه‌بسته به‌صورت تئوري اثبات مي‌شود. با پياده‌سازي روش پيشنهادي روي تجهيزات آزمايشگاهي و همچنين نرم‌افزار شبيه‌ساز، عملكرد آن توسط نتايج شبيه‌سازي و عملي نشان داده شد.

Piezoelectric actuators are the most common choice for position control with ultra-high precision. Despite the significant advantages, the linear and nonlinear dynamics of these actuators, such as hysteresis, could decrease the precision of the control system. In this research, a controller based on the sliding mode method is proposed for position control of piezoelectric actuator. Sliding mode control is a model-based and useful method in nanopositioning systems. In this research, Bouc-Wen model is used for description of the actuator’s behavior. In this model, the linear dynamic is modeled with mass, stiffness and damping terms, and the hysteresis is modeled by its nonlinear dynamics. Usually, there are mismatch and uncertainty between the physical system and mathematical model. For stability analysis of the prevalent sliding mode control, the upper bound of uncertainty must be known. But, in practical systems, this is not possible, simply. On the other hand, selecting the large values for this bound, increases the controller gain and distances it from the optimum value. The proposed adaptive robust control eliminates the dependency to the upper bound of uncertainty. This is done by introducing an online adaptive law for estimating this bound. Proposing this law, asymptotic stability of the closed-loop control system is proven. Implementing the presented method on the laboratory setup and simulator software, its effectiveness is shown by simulation and experimental results.