25129

طراحي كنترل كننده مدل پيش بين مقيد براي يك سيستم سخت كاري ليزري

كارشناسي ارشد

مهندسي يرق

14/04/1400

دكتر سيد مجيد اسماعيل زاده

مهندسي برق

در اغلب اجزا ساختاري در مهندسي مكانيك، سطح بخصوص در معرض تنش و استرس قرار مي گيرد. بنابراين سخت كردن اين سطوح در كاربردهاي صنعتي اهميتي دوچندان دارد. از آنجايي كه در بسياري از كاربردها فقط نياز به سخت كاري قسمتي از سطوح مي باشد، سخت كاري با ليزر انتخاب بسيار مناسبي براي اين امر مي باشد. از آنجايي كه كيفيت سخت كاري به شدت به دماي سطح مرتبط مي باشد، بنابراين مهمترين و در واقع چالش بر انگيز ترين پارامتر كنترلي در اين فرآيند كنترل دماي سطح در حضور اغتشاشاتي نظير تغيير سرعت اسكن ليزر و يا تغيير ضخامت و يا شكل قطعه كار، مي باشد. نكته مهم ديگر كه در طراحي كنترل كننده بايد لحاظ گردد آن است كه به دليل حساسيت بالاي ديود ليزرها، سيگنال كنترلي و تغييرات آن نمي توانند هر مقدار دلخواهي داشته، و به عبارت ديگر بايد مقيد باشند. همچنين در مورد دماي اندازه گيري شده از سطح بايد دقت نمود كه دما از مقدار مشخصي تجاوز ننمايد. مقدار بالاتر از حد مجاز سبب ذوب شدن قطعه كار و پايين تر از محدوده مجاز سبب مختل كردن عملكرد سخت كاري مي گردد. بنابراين خروجي سيستم نيز بايد مقيد باشد. همان طور كه در ادامه نشان داده خواهد شد كنترل حلقه باز با اعمال يك جريان ثابت براي اين هدف، كارايي نخواهد داشت. بنابراين بايد به سراغ طراحي حلقه بسته برويم. با بررسي مقالات و كارهاي انجام شده تا به حال توسط محققان و مهندسان در اين زمينه مشخص گرديد كه عمده تلاش محققان در زمينه كنترل دماي سطح با تغيير پارامترهايي همانند توان ليزر و يا سرعت حركت اسكن ليزر بوده و عامل بسيار مهم و حياتي يعني رعايت قيود مساله كه پيشتر بدان اشاره گرديد چندان مورد توجه قرار نگرفته است. همچنين نتايج حاصل از كنترل كننده هاي طراحي شده در اين مقالات عمدتا به صورت شبيه سازي بوده و به صورت عملي پياده سازي نشده است. با در نظر گرفتن قيود حاكم بر سيستم و ملاحظات مطرح شده، روش پيشنهادي اين پايان نامه استفاده از كنترل كننده مدل پيش بين خطي مقيد مي باشد. همچنين جهت مقايسه بهتر، به موازات طراحي اين كنترل كننده، كنترل كننده مشهور PID نيز با دو روش طراحي گرديد. نتايج حاصل از شبيه سازي و پياده سازي عملي نشان داد كنترل كننده مدل پيش بين مقيد در مقايسه با كنترل كننده PID در دو حوزه رديابي سيگنال مرجع و نيز حذف اغتشاش ، عملكرد به مراتب بهتر و قابل قبول تري دارد.

1400/05/31

Design of a constrained predictive model controller for a laser hardening system

1/1/1900 12:00:00 AM

In most structural components in mechanical engineering, the surface is particularly exposed to stress. Therefore, hardening of these surfaces is doubly important in industrial applications. Since in many applications only the hardening of part of the surface is required, laser hardening is a very good choice for this. Since the quality of hardening is strongly related to the surface temperature, so the most important and in fact the most challenging control parameter in this process is the surface temperature control in the presence of disturbances such as changing the laser scanning speed or changing the thickness or shape of the work piece.Another important point to consider in the design of the controller is that due to the high sensitivity of the laser diodes, the control signal and its changes can not have any desired value, in other words, they must be bound. Also, regarding the temperature measured from the surface, care must be taken that the temperature does not exceed a certain value. A value higher than the allowable limit will melt the workpiece and lower than the allowable limit will disrupt the hardening performance. Therefore, the system output must also be constrained. As will be shown below, open-loop control will not work by applying a constant current for this purpose. So we have to go to the closed loop design. By reviewing the articles and works done so far by researchers and engineers in this field, it was found that the main effort of researchers in controlling surface temperature by changing parameters such as laser power or laser scan speed and a very important and vital factor is compliance with restrictions. The issue mentioned earlier has not received much attention. Also, the results of the controllers designed in these articles are mainly simulations and have not been implemented in practice. Considering the constraints governing the system and the considerations raised, the proposed method of this dissertation is to use the controller of the linear prediction model.Also, for better comparison, in parallel with the design of this controller, the famous PID controller was designed with two methods. The results of simulation and practical implementation showed that the controller of the constrained predictor model has a much better and more acceptable performance in comparison with the PID controller in the two areas of reference signal tracking and also the elimination of perturbation.

سخت كاري ليزري , كنترل كننده مدل پيش بين خطي مقيد

Laser hardening , constrained model predictive Controller