प्रतिक्रिया नियंत्रण प्रणाली में मृत क्षेत्र मुआवजा को शामिल करने के लिए कैसे

प्रतिक्रिया नियंत्रण प्रणाली में मृत क्षेत्रों को समझना

मृत क्षेत्र नियंत्रण प्रणालियों में गैर-रैखिक क्षेत्र हैं जहां इनपुट विविधताएं कोई संबंधित आउटपुट परिवर्तन नहीं उत्पन्न करती हैं। ये "इंटरएक्टिव बैंड" यांत्रिक actuators में आम हैं - उदाहरण के लिए, एक मोटर जो तब तक घूमती नहीं होती जब तक वोल्टेज एक निश्चित सीमा से अधिक नहीं होती। वे हाइड्रोलिक वाल्व, पीजोइलेक्ट्रिक चरणों और सेंसर आउटपुट में भी दिखाई देते हैं। मृत क्षेत्र स्थिर-राज्य त्रुटियों, सीमा चक्र, या कम प्रतिक्रियाशीलता के कारण प्रणाली के प्रदर्शन को कम करते हैं। उनके लिए मुआवजा उच्च परिशुद्धता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है, जैसे कि रोबोट हथियार, सीएनसी मशीन, और थ्रोटल-बाय-सिस्टम।

मृत क्षेत्र विशेषता आम तौर पर मॉडलिंग के रूप में है:

y = G(u) = 0 for |U ≤ D; y = m(u – D) for u > D; y = m(u + D) for u < -D]

जहां D, वह क्षेत्र चौड़ाई है और m] रैखिक क्षेत्र में ढलान है। सटीक मुआवजा इन मापदंडों के ज्ञान की आवश्यकता है। इसके बिना, नियंत्रक छोटे इनपुट के लिए कोई प्रतिक्रिया नहीं देखता है, जिससे एकीकृत हवा-ऊपर, ओवरशूट या दोलन होता है।

सामान्य कारण और मृत क्षेत्रों के प्रभाव

मैकेनिकल बैकलैश और stiction

गियर ट्रेन, लीड स्क्रू और कपलिंग अक्सर बैकलैश के कारण मृत क्षेत्र प्रदर्शित करते हैं - संभोग भागों के बीच निकासी। इसी तरह, स्थिर घर्षण (स्टिकशन) आंदोलन को तब तक रोकता है जब तक कि ब्रेकअवे फोर्स तक पहुंच न जाए। ये प्रभाव कम गति वाले गति वाले सिस्टम में प्रमुख हैं और पोजीशनल त्रुटियों को लागू कर सकते हैं जो समय के साथ जमा हो जाती है।

इलेक्ट्रॉनिक थ्रेसहोल्ड

एम्पलीफायर मृत क्षेत्र, PWM ड्राइवरों में शून्य-पार विरूपण, और ADC/DAC मात्रात्मककरण समान गैर-रेखीयता उत्पन्न करते हैं। डिजिटल नियंत्रण लूप में, अनावश्यक actuator chatter से बचने के लिए जानबूझकर एक मृत क्षेत्र जोड़ा जा सकता है, लेकिन इसे सटीक ट्रैकिंग के लिए मुआवजा दिया जाना चाहिए।

सिस्टम व्यवहार के लिए परिणाम

• स्थिर राज्य ऑफसेट: यह प्रणाली कभी सटीक सेटपॉइंट तक नहीं पहुंचती।
• साइकिल चलाना: आउटपुट वांछित मान के आसपास दोलन करता है।
• कम बैंडविड्थ: छोटे सेटपॉइंट परिवर्तनों के लिए धीमी प्रतिक्रिया।
• खराब होने की अस्वीकृति: लोड के तहत विनियमन को बनाए रखने में कठिनाई।

मृत क्षेत्र मुआवजा के लिए तरीके

उलटा मृत क्षेत्र मुआवजा

सबसे सीधी तकनीक है ]mathematical inverse ] का प्रयोग करने के लिए एक सममित मृत क्षेत्र चौड़ाई के साथ D]]] और ढलान m]], उलटा कम्पेंसेटर का उत्पादन:

u_]comp] = u_]des] / m + D · sign(u_]des]]]]]]]]]]]]]]]

यह शून्य इनपुट पर एक कूद जोड़ता है, प्रभावी रूप से "पूर्व-आकार" मृत क्षेत्र को रद्द करने के लिए नियंत्रण संकेत। उलटा मुआवजा अच्छी तरह से काम करता है जब मृत क्षेत्र मापदंडों स्थिर और अच्छी तरह से ज्ञात होते हैं। हालांकि, यह कारण हो सकता है chattering शून्य के पास अगर उलटा चिकनी नहीं है या यदि माप शोर मौजूद है।

अनुकूली नियंत्रण तकनीक

जब समय के साथ मृत क्षेत्र पैरामीटर बहाव- पहनने के कारण, तापमान में परिवर्तन, या घटक उम्र बढ़ने-अनुकूल तरीकों को प्राथमिकता दी जाती है। मॉडल संदर्भ अनुकूली नियंत्रण (MRAC) और ]स्वयं ट्यूनिंग नियामक [[FLT: 3]]] पुन:प्राप्त कम से कम वर्गों या ढाल वंश का उपयोग करके डी और एम ऑनलाइन का अनुमान लगा सकते हैं। अनुकूली कानून ट्रैकिंग त्रुटि को कम करने के लिए कम्पेंसेटर गुणांक को अद्यतन करता है। एक Lyapunov आधारित डिजाइन स्थिरता सुनिश्चित करता है जबकि पैरामीटर्स अभिसरण करते हैं।

फीडफर्ड मुआवजा

फीडफर्ड रणनीतियों का उपयोग मृत क्षेत्र का मॉडल प्रतिक्रिया लूप के अलावा एक क्षतिपूर्ति संकेत उत्पन्न करने के लिए। उदाहरण के लिए, एक संयंत्र मॉडल एक वांछित आउटपुट प्राप्त करने के लिए आवश्यक इनपुट की भविष्यवाणी करता है, और मृत क्षेत्र फीडफर्ड पथ में उलटा है। यह बंद लूप स्थिरता को प्रभावित किए बिना प्रतिक्रिया गति में सुधार करता है। फीडफर्ड को अक्सर बिना मॉडल किए गए गतिशीलता को संभालने के लिए PID फीडबैक के साथ जोड़ा जाता है।

हाइब्रिड दृष्टिकोण

रियल-वर्ल्ड कार्यान्वयन अक्सर ]sliding मोड नियंत्रण या FUzzy तर्क . स्लाइडिंग मोड नियंत्रक पैरामीटर अनिश्चितता के लिए मजबूत हैं, जबकि फजी कम्पेंसेटर असममित या गैर-चिकना मृत क्षेत्रों को संभाल सकते हैं। हाइब्रिड विधियां संतुलन प्रदर्शन और जटिलता। एक उल्लेखनीय उदाहरण एक स्विचन तंत्र के साथ एक ] डीड जोन कम्पेंसेटर का उपयोग है जो केवल तभी सक्रिय हो जाता है जब इनपुट दहलीज से अधिक हो जाता है, तो एक्ट्यूएटर में बिजली हानि को कम कर देता है।

डेड जोन मुआवजा लागू करना: एक चरण-दर-चरण गाइड

1. सिस्टम पहचान

क्षतिपूर्ति करने से पहले, आपको मृत क्षेत्र को चिह्नित करना होगा। एक रैंप या सीढ़ी इनपुट लागू करें और आउटपुट रिकॉर्ड करें। थ्रेसहोल्ड मान और रैखिक लाभ की पहचान करें। least-squares वक्र फिटिंग या समर्पित टूलबॉक्स जैसे MATLAB सिस्टम पहचान टूलबॉक्स ]]] का प्रयोग करें। वैकल्पिक: एक binary search]]] का प्रयोग करें ताकि ब्रेकपॉइंट्स को प्रयोग में लाया जा सके।

2. एक मुआवजा एल्गोरिथ्म चुनें

पहचाने गए मापदंडों और सिस्टम बाधाओं के आधार पर, उपरोक्त विधियों में से एक का चयन करें। उच्च परिशुद्धता आवश्यकताओं के साथ निरंतर मृत क्षेत्रों के लिए, उलटा मुआवजा पर्याप्त है। समय-समय पर या अनिश्चित मृत क्षेत्रों के लिए, एक अनुकूली योजना को लागू करें।

3. कम्पेंसेटर ब्लॉक को डिजाइन करें

डिजिटल नियंत्रक (जैसे, माइक्रोकंट्रोलर या पीएलसी) में नियंत्रक उत्पादन के बाद और संयंत्र इनपुट से पहले मुआवजा ब्लॉक जोड़ें। सुनिश्चित करें कि मुआवजा उच्च आवृत्ति गतिशीलता की उत्तेजना से बचने के लिए [FLT: 2] एंटी-विंडअप तंत्र [[FLT: 3]]]]] का उपयोग करें यदि मुआवजा संतृप्त हो जाए।

4. ट्यून और मान्य

एक प्रकार की संदर्भ इनपुट और गड़बड़ी के साथ मुआवजा प्रणाली का परीक्षण करें।

• स्थिर राज्य त्रुटि (आदर्श रूप से शून्य) को कम किया।
• कोई सीमा चक्र या दोलन नहीं।
• अच्छा अशांति अस्वीकृति।

यदि आवश्यक हो तो पैरामीटर पर इसका उपयोग करें simulation (जैसे, Simulink) हार्डवेयर तैनाती से पहले सत्यापित करने के लिए।

डेड जोन पैरामीटर्स का सटीक रूप से आकलन करना

सटीक पैरामीटर अनुमान पर विश्वसनीय मुआवजा काज। आम तकनीकों में शामिल हैं:

• Open-loop पहचान: एक ज्ञात इनपुट अनुक्रम (PRBS, बहु साइन) और माप उत्पादन लागू करें। मृत क्षेत्र मॉडल फिट करने के लिए कम से कम वर्गों का उपयोग करें।
• Closed-loop पहचान: जबकि सिस्टम ऑपरेशन में है, छोटे जांच संकेतों को इंजेक्ट करें और पुनरावर्ती अनुमान (जैसे, ]]]]]]] का उपयोग करें भूलने वाले कारक [[FLT: 3]]]] के साथ कम से कम वर्गों को प्राप्त करें। यह अनुकूली सिस्टम के लिए उपयोगी है।
• ]Physical modeling: मोटर्स जैसे actuators के लिए, Coulomb घर्षण टोक़ और माप संकल्प से D प्राप्त करें।

उन्नत दृष्टिकोण neural network[ का उपयोग एक पैरामीट्रिक मॉडल के बिना मृत क्षेत्र को उलटा करने के लिए किया जाता है। यह जटिल या विषम मृत क्षेत्रों के लिए फायदेमंद है।

प्रैक्टिकल चैलेंज्स एंड सॉल्यूशन

शोर संवेदनशीलता

उलटा मुआवजा मृत क्षेत्र किनारों के पास शोर को बढ़ा देता है क्योंकि कम्पेंसेटर ढाल शून्य पर अनंत है। समाधान: एक Smooth approximation (जैसे, हाइपरबोलिक tangent या sigmoid) का उपयोग करें, या नियंत्रण संकेत के लिए एक कम-पास फ़िल्टर लागू करें।

विषम मृत क्षेत्र

कई actuators सकारात्मक और नकारात्मक दिशाओं (जैसे, हाइड्रोलिक वाल्व) के लिए अलग-अलग थ्रेसहोल्ड होते हैं। मुआवजा होना चाहिए दिशात्मक अलग डी + और डी- मापदंडों के साथ। अनुकूली विधियां स्वाभाविक रूप से विषमता को संभाल सकती हैं।

कम्प्यूटेशनल कॉन्स्ट्रिमेंट

संसाधन-सीमित माइक्रोकंट्रोलर पर, जटिल अनुकूलन एल्गोरिदम बहुत धीमा हो सकता है। ] का उपयोग करें उलटा कार्य के लिए, या चैटिंग से बचने के लिए हिस्टैरेसिस के साथ एक सरल सीमा आधारित मुआवजा लागू करें।

मृत क्षेत्र मुआवजा के अनुप्रयोग

रोबोटिक्स और सर्वो सिस्टम

औद्योगिक रोबोट को गियर बैकलैश और उत्तेजना के बावजूद सटीक संयुक्त स्थिति की आवश्यकता होती है। मृत क्षेत्र मुआवजा ] को बेहतर बनाता है, पथ सटीकता और लक्ष्य पदों पर समय कम कर देता है। कई आधुनिक सर्वो ड्राइव में अंतर्निहित मुआवजा एल्गोरिदम शामिल हैं।

मोटर वाहन थ्रोटल और ब्रेक कंट्रोल

इलेक्ट्रॉनिक थ्रॉटल बॉडी में स्प्रिंग रिटर्न और घर्षण के कारण एक मृत क्षेत्र होता है। मुआवजा सुनिश्चित करता है चिकना त्वरण और सुसंगत निष्क्रिय नियंत्रण। इसी तरह, ब्रेक-by-wire सिस्टम रैखिक पेडल महसूस प्रदान करने के लिए मृत क्षेत्र मुआवजा का उपयोग करते हैं।

चिकित्सा उपकरण

वेंटिलेटर और जलसेक पंपों में आनुपातिक वाल्व को छोटे आदेशों का जवाब देना चाहिए। मृत क्षेत्र मुआवजा को सक्षम बनाता है।

एयरोस्पेस Actuators

विमान में फ्लैप और रुडर एक्ट्यूएटर हाइड्रोलिक स्पूल वाल्व से मृत क्षेत्रों का सामना करते हैं। मुआवजा ]pilot वर्कलोड को कम करता है और ऑटोपिलॉट प्रदर्शन में सुधार करता है।

उन्नत विषय: परिसर प्रणालियों में मृत क्षेत्र मुआवजा

शृंखला में एकाधिक मृत क्षेत्र

जब दो या अधिक मृत क्षेत्र कैस्केड (जैसे सेंसर + एक्टूटर) में दिखाई देते हैं, तो प्रभावी मृत क्षेत्र केवल योजक नहीं है। मुआवजा के लिए एक व्यापक मॉडल की आवश्यकता होती है - फिर एक Hammerstein या Wiener मॉडल - जहां गैर-रैखिक ब्लॉक के बाद रैखिक गतिशीलता होती है। इसके विपरीत आवृत्ति डोमेन में गणना की जाती है।

समय विलंब के साथ मृत क्षेत्र मुआवजा

यदि संयंत्र में महत्वपूर्ण देरी भी है, तो क्षतिपूर्तिकर्ता को अस्थिरता से बचने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए। Smith भविष्यवक्ता संरचनाओं को मृत क्षेत्र के उलटा होने के लिए बढ़ाया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, ] का उपयोग करें भविष्यवाणी नियंत्रण ] गैर-रेखीयता और अंतराल दोनों को संभालने के लिए।

लर्निंग-आधारित मुआवजा

Iterative लर्निंग कंट्रोल (ILC) और सुदृढीकरण सीखने कर सकते हैं मृत क्षेत्र inverse ऑनलाइन बिना स्पष्ट पैरामीटर अनुमान के. ILC दोहराव गति कार्यों के लिए विशेष रूप से प्रभावी है, जैसे पिक-एंड-प्लेस ऑपरेशन. कम्पेंसेटर चक्र से चक्र तक बेहतर होता है, कुछ दोहराव के बाद निकट-पूर्ण ट्रैकिंग प्राप्त करता है।

निष्कर्ष

मृत क्षेत्र मुआवजा उच्च प्रदर्शन प्रतिक्रिया नियंत्रण प्रणाली डिजाइन इंजीनियरों के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण है। गैर-रेखीयता को समझने के द्वारा, उचित विधि का चयन करना - पूरी तरह से उलटा, अनुकूली, फीडफ़ॉर्वर्ड, या हाइब्रिड - और इसे सावधानीपूर्वक पैरामीटर अनुमान के साथ कार्यान्वित करना, कोई सटीकता, स्थिरता और उत्तरदायीता में काफी सुधार कर सकता है। चूंकि सिस्टम अधिक स्वायत्त और सटीक हो जाते हैं, मृत क्षेत्र मुआवजा को मास्टर करने से नियंत्रण प्रणाली डिजाइन का एक कोनेस्टोन बना रहेगा।

आगे पढ़ने के लिए, परामर्श ScienceDirect's overview of मृत क्षेत्र and नियंत्रण इंजीनियरिंग के व्यावहारिक गाइड ऑन सर्वो सिस्टम मुआवजा . उन्नत चिकित्सकों को पाठ्यपुस्तक Nonlinear Systems]]]]] का उल्लेख कर सकते हैं।