dynamic modeling and control of an electromechanical control actuation system a thesis submitted ...

155 Pages·2016·6.2 MB·English

DYNAMIC MODELING AND CONTROL OF AN ELECTROMECHANICAL
CONTROL ACTUATION SYSTEM

A THESIS SUBMITTED TO
THE GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
OF
MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY

BY

ÜMİT YERLİKAYA

IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS
FOR
THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE
IN
MECHANICAL ENGINEERING

SEPTEMBER 2016

Approval of the thesis:

DYNAMIC MODELING AND CONTROL OF AN ELECTROMECHANICAL
CONTROL ACTUATION SYSTEM

submitted by ÜMİT YERLİKAYA in partial fulfillment of the requirements for the
degree of Master of Science in Mechanical Engineering Department, Middle
East Technical University by,

Prof. Dr. Gülbin Dural Ünver
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences __________________

Prof. Dr. Tuna Balkan
Head of Department, Mechanical Engineering __________________

Prof. Dr. Tuna Balkan
Supervisor, Mechanical Engineering Dept., METU __________________

Examining Committee Members

Prof. Dr. Metin Akkök
Mechanical Engineering Dept., METU __________________

Prof. Dr. Tuna Balkan
Mechanical Engineering Dept., METU __________________

Assoc. Prof. Dr. İlhan Konukseven
Mechanical Engineering Dept., METU __________________

Assoc. Prof. Dr. Yiğit Yazıcıoğlu
Mechanical Engineering Dept., METU __________________

Assoc. Prof. Dr. S. Çağlar Başlamışlı
Mechanical Engineering Dept., Hacettepe University __________________

Date: 09.09.2016
I hereby declare that all information in this document has been obtained and
presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare
that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced
all material and results that are not original to this work.

Name, Last Name: Ümit Yerlikaya

Signature :

iv
ABSTRACT

DYNAMIC MODELING AND CONTROL OF AN ELECTROMECHANICAL
CONTROL ACTUATION SYSTEM

Yerlikaya, Ümit
M. S., Department of Mechanical Engineering
Supervisor: Prof. Dr. Tuna Balkan
September 2016, 131 pages

Electromechanical simulators, actuators are widely used in miscellaneous
applications in engineering such as aircrafts, missiles, etc. These actuators have
momentary overdrive capability, long-term storability and low quiescent power/low
maintenance characteristics. Thus, electromechanical actuators are applicable option
for any system in aerospace industry, instead of using hydraulic actuators. In the
same way, they can be used in control actuation section of missiles to deflect flight
control surfaces. Mostly used alternatives of control actuation system (CAS) are
electromechanical, electrohydraulic and electrohydrostatic CASs. In this thesis,
electromechanical control actuation systems that are composed of brushless direct
current motor, ball screw and lever mechanism are studied. In this type of control
actuation system, there are both nonlinearity and asymmetry which are caused by
lever mechanism itself, saturation limits, Coulomb friction, backlash and initial
mounting position of lever mechanism. In order to design controller and optimize
controller parameters, all equations of motion are derived and so the detailed
nonlinear and linear mathematical models of this system are obtained. The servo
v
drive amplifier of motor is used in current mode. Between position and current loops,
inner velocity loop is used to provide extra damping to the system and avoid
unnecessary oscillations. Therefore, three control loops are used. By using linear
model of electromechanical CAS, according to performance requirements, it is
decided that PI and P-controller are sufficient for position and velocity control,
respectively. The limitations that are imposed to controllers which have integral gain
cause a residual error, so the controllers tend to overshoot target value in order to
eliminate it. In order to solve this problem, an anti-windup method is applied. Then,
the unknown controller parameters and anti-windup coefficients are found according
to the performance requirements by using MATLAB Response Optimization Tools
on the nonlinear model. During the optimization, the nonlinear relations and
limitations on controller outputs are considered. A prototype of electromechanical
CAS with ball screw and lever mechanism is manufactured. All unknown parameters
such as dimensions, masses, inertias of components, viscous and Coulomb frictions
and backlash of the system are identified. Identified Coulomb friction values are used
for friction compensation in real-time application. Real-time tests are performed with
optimized controller parameters and anti-windup coefficient by using xPC Target
(MATLAB-Simulink). Finally, the nonlinear model of electromechanical control
actuation system is verified by making real-time tests on the manufactured prototype
with and without external load.

Keywords: Control Actuation System, Electromechanical Actuators, Fin, Control of
Brushless DC Motor, Response Optimization, PID, xPC Target

vi
ÖZ
ELEKTROMEKANİK KONTROL TAHRİK SİSTEMİNİN DİNAMİK
MODELLENMESİ VE KONTROLÜ

Yerlikaya, Ümit
Yüksek Lisans, Makine Mühendisliği Bölümü
Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Tuna Balkan
Eylül 2016, 131 sayfa

Elektromekanik eyleyiciler uçak ve füzelerde olmak üzere birçok uygulamada
sıklıkla kullanılmaktadır. Bu eyleyiciler anlık aşırı sürme kapasitesine, uzun vadeli
depolanabilme özelliğine, pasif durumda düşük güç tüketebilme ve az bakım
gerektirme karakteristiğine sahiptirler. Bu yüzden elektromekanik eyleyiciler
havacılıktaki çoğu sistem için uygulanabilir bir seçenektir. Aynı şekilde bunlar
füzelerin kontrol bölümlerinde uçuş kontrol yüzeylerini döndürmek için
kullanılabilmektedir. En çok kullanılan kontrol tahrik sistemleri elektromekanik,
elektrohidrolik ve elektrohidrostatik alternatifleridir. Bu tez kapsamında, fırçasız
doğru akım motoru, bilyeli vida ve kaldıraç mekanizmasından oluşan bir
elektromekanik kontrol tahrik sistemi ele alınmıştır. Bu tip kontrol tahrik
sistemlerinde, kaldıraç mekanizmasının kendisinden, limitlerden, Coulomb
sürtünmelerinden, boşluklardan ve kaldıracın ilk montaj konumlanmasından
kaynaklanan bazı doğrusal olmayan durumlar ve simetri bozuklukları mevcuttur.
Kontrolcü tasarımı ve kontrolcü parametrelerinin en iyilenmesi için tüm hareket
denklemleri türetilmiş, sistemin ayrıntılı doğrusal ve doğrusal olmayan matematiksel
vii
modelleri elde edilmiştir. Servomotor sürücüsü akım modunda kullanılmaktadır.
Sisteme fazladan sönüm katmak ve oluşabilecek gereksiz salınımları engellemek için
konum ve akım döngüsü arasına eklenen hız iç döngüsü ile üç kontrol döngüsü
kullanılmaktadır. Doğrusal model kullanılarak, başarım gereksinimlerine göre konum
ve hız kontrolcüsü olarak sırasıyla PI ve P kontrolcülerin kullanılmasının yeterli
olduğuna karar verilmiştir. İntegral kazancı olan kontrolcü çıkışlarına uygulanan
sınırlar hataların artmasına sebep olmaktadır. Gerçekleşen değerin referans komutuna
varmasına rağmen, bu hatalar hemen giderilememektedir. Bu durumu ortadan
kaldırmak için “anti-windup” yöntemi uygulanmıştır. Sonrasında, belli olmayan
kontrolcü parametreleri ve “anti-windup” katsayısı, doğrusal olmayan model
kullanılarak performans gereksinimine göre MATLAB Response Optimization Tools
(cevap en iyileme araçları) yardımıyla bulunmuştur. En iyileme sırasında, doğrusal
olmayan ilişkiler ve kontrolcü çıkışlarına uygulanan sınırlamalar göz önünde
bulundurulmuştur. Kaldıraç mekanizmalı ve bilyeli vidalı elektromekanik kontrol
tahrik sisteminin prototipi üretilmiştir. Bileşenlerin boyutları, kütleleri, atalet
momentleri ve sistemin viskoz/Coulomb sürtünmeleri ve boşluk gibi bilinmeyen
parametreler belirlenmiştir. Belirlenen Coulomb sürtünme değerleri gerçek zamanlı
uygulamada sürtünme telafisi olarak kullanılmıştır. Gerçek zamanlı testler, en
iyilenen kontrolcü parametreleri ve “anti-windup” katsayısı kullanılarak xPC Target
(MATLAB-Simulink) ortamında yapılmıştır. Son olarak, üretilen prototip üzerinde
harici yük olmadan ve harici yük altında gerçek zamanlı testler yapılarak, doğrusal
olmayan benzetim modeli doğrulanmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kontrol Tahrik Sistemi, Elektromekanik Eyleyici, Fin, Fırçasız
Doğru Akım Motor Kontrolü, Cevap Eniyileme, PID, xPC Target

viii
ACKNOWLEDGEMENTS

First of all I would like to express my sincere appreciation to my thesis supervisor
Prof. Dr. Tuna BALKAN for his guidance throughout my thesis study.

Then I would like to thank TÜBİTAK for scholarship and financial supports which
made this project possible. I hope their endless support to science and scientists
continue to enrich our scientific heritage.

I wish to express my gratitude to Prof. Dr. Bülent E. PLATİN and Ahmet Can
AFATSUN for their guidance throughout my thesis study.
I am in debt of gratitude to Aslı AKGÖZ BİNGÖL in ROKETSAN Inc. for her
friendly support and advices.

I also owe thanks to my colleagues in my unit in ROKETSAN Inc. who helped me in
every subject throughout the years of my study.

Finally I wish to express my sincere thanks to my father Ahmet YERLİKAYA, my
mother Nigar YERLİKAYA, my sister Ayfer YERLİKAYA and lastly I dedicate this
thesis work to my lovely son, Onur YERLİKAYA.

ix
TABLE OF CONTENTS
ABSTRACT ................................................................................................................ V
ÖZ ............................................................................................................................. VII
ACKNOWLEDGEMENTS ....................................................................................... IX
TABLE OF CONTENTS ............................................................................................ X
LIST OF TABLES .................................................................................................. XIII
LIST OF FIGURES ................................................................................................. XIV
LIST OF ABBREVIATIONS .............................................................................. XVIII
LIST OF SYMBOLS .............................................................................................. XIX
CHAPTER 1 ................................................................................................................. 1
1. INTRODUCTION ................................................................................................ 1
1.1 Literature Survey .............................................................................................. 1
1.1.1 Electromechanical Control Actuation Systems (EM-CASs) ................... 2
1.1.1.1 EM-CAS with Screw and Lever Mechanism ................................... 3
1.1.1.2 EM-CAS with Clutch Actuator ........................................................ 6
1.1.1.3 EM-CAS with Worm Gear ............................................................... 7
1.1.2 Electrohydrostatic Control Actuation Systems (EHS-CASs) .................. 8
1.1.3 Electrohydraulic Control Actuation Systems (EH-CASs) ....................... 9
1.2 Objective and Scope of Thesis ....................................................................... 12
1.3 Thesis Outline ................................................................................................ 13
CHAPTER 2 ............................................................................................................... 17
2 DYNAMIC MODELING OF EM-CAS ............................................................ 17
2.1 Mechanical System ........................................................................................ 17
2.1.1 Kinematic Relations ............................................................................... 18
2.1.2 Equations of Motion ............................................................................... 20
2.2 Electrical System ............................................................................................ 28
2.3 Block Diagram of EM-CAS ........................................................................... 29
CHAPTER 3 ............................................................................................................... 33
3 IDENTIFICATION OF THE SYSTEM PARAMETERS ................................. 33
3.1 System Performance Criteria ......................................................................... 34
3.2 The Components of EM-CAS ........................................................................ 35
x