Design of fractional-order controller for motion control systems

Recent developments in the field of analog integrated circuits have led to a new interest in circuitry design process, utilizing fractional calculus. Fractional-order models of real systems are undoubtedly more adequate than usually used integer order models, especially concerning control theory and...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Μαλατέστα, Ραφαηλία
Άλλοι συγγραφείς: Malatesta, Rafailia
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14608
id nemertes-10889-14608
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Fractional-order circuits
Fractional-order controllers
Motion control systems
Padé approximation method
Fractional-order filters
Inverse Follow-the-Leader-Feedback (IFLF)
Partial Fraction Expansion (PFE)
Operational Transconductance Amplifiers (OTAs)
CMOS analog integrated circuits
Κυκλώματα κλασματικής τάξης
Ελεγκτές κλασματικής τάξης
Συστήματα ελέγχου κίνησης
Μέθοδος προσέγγισης Padé
Φίλτρα κλασματικής τάξης
Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας (OTAs)
CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
spellingShingle Fractional-order circuits
Fractional-order controllers
Motion control systems
Padé approximation method
Fractional-order filters
Inverse Follow-the-Leader-Feedback (IFLF)
Partial Fraction Expansion (PFE)
Operational Transconductance Amplifiers (OTAs)
CMOS analog integrated circuits
Κυκλώματα κλασματικής τάξης
Ελεγκτές κλασματικής τάξης
Συστήματα ελέγχου κίνησης
Μέθοδος προσέγγισης Padé
Φίλτρα κλασματικής τάξης
Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας (OTAs)
CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα
Μαλατέστα, Ραφαηλία
Design of fractional-order controller for motion control systems
description Recent developments in the field of analog integrated circuits have led to a new interest in circuitry design process, utilizing fractional calculus. Fractional-order models of real systems are undoubtedly more adequate than usually used integer order models, especially concerning control theory and motion control systems. Related applications have not yet been fully realized, primarily due to the commercially unavailable way of using fractional-order capacitors in the standard topologies. Previous studies have suggested as an alternative approach to implement fractional-order controllers, the realization of rational transfer functions that approximate their respective fractional-order transfer functions. While significant research has been carried out on fractional-order PID (FOPID) controllers, only few studies have attempted to investigate fractional-order [PD] (FO[PD]) controller. A review of the research that has been conducted on the design of fractional-order controller for motion control systems is initially performed in this M.Sc. Thesis. The main purpose of the study is the approximation of the controller transfer function, using Padé approximation method and consequently the circuitry implementation. The FO[PD] controller realization takes place, utilizing Operational Transconductance Amplifiers (OTAs), in order to achieve electronic tuning of the controllers’ characteristics. The required CMOS OTAs topology is performed using MOS transistors biased in the subthreshold region, which allows operation with low-voltage and low-power dissipation. The performance of the presented structures is evaluated through the derived simulation results, using Cadence software and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35μm technology
author2 Malatesta, Rafailia
author_facet Malatesta, Rafailia
Μαλατέστα, Ραφαηλία
author Μαλατέστα, Ραφαηλία
author_sort Μαλατέστα, Ραφαηλία
title Design of fractional-order controller for motion control systems
title_short Design of fractional-order controller for motion control systems
title_full Design of fractional-order controller for motion control systems
title_fullStr Design of fractional-order controller for motion control systems
title_full_unstemmed Design of fractional-order controller for motion control systems
title_sort design of fractional-order controller for motion control systems
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14608
work_keys_str_mv AT malatestaraphaēlia designoffractionalordercontrollerformotioncontrolsystems
AT malatestaraphaēlia schediasēelenktēklasmatikēstaxēsgiasystēmataelenchoukinēsēs
_version_ 1771297320209481728
spelling nemertes-10889-146082022-09-05T20:49:16Z Design of fractional-order controller for motion control systems Σχεδίαση ελεγκτή κλασματικής τάξης για συστήματα ελέγχου κίνησης Μαλατέστα, Ραφαηλία Malatesta, Rafailia Fractional-order circuits Fractional-order controllers Motion control systems Padé approximation method Fractional-order filters Inverse Follow-the-Leader-Feedback (IFLF) Partial Fraction Expansion (PFE) Operational Transconductance Amplifiers (OTAs) CMOS analog integrated circuits Κυκλώματα κλασματικής τάξης Ελεγκτές κλασματικής τάξης Συστήματα ελέγχου κίνησης Μέθοδος προσέγγισης Padé Φίλτρα κλασματικής τάξης Τελεστικοί ενισχυτές διαγωγιμότητας (OTAs) CMOS αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα Recent developments in the field of analog integrated circuits have led to a new interest in circuitry design process, utilizing fractional calculus. Fractional-order models of real systems are undoubtedly more adequate than usually used integer order models, especially concerning control theory and motion control systems. Related applications have not yet been fully realized, primarily due to the commercially unavailable way of using fractional-order capacitors in the standard topologies. Previous studies have suggested as an alternative approach to implement fractional-order controllers, the realization of rational transfer functions that approximate their respective fractional-order transfer functions. While significant research has been carried out on fractional-order PID (FOPID) controllers, only few studies have attempted to investigate fractional-order [PD] (FO[PD]) controller. A review of the research that has been conducted on the design of fractional-order controller for motion control systems is initially performed in this M.Sc. Thesis. The main purpose of the study is the approximation of the controller transfer function, using Padé approximation method and consequently the circuitry implementation. The FO[PD] controller realization takes place, utilizing Operational Transconductance Amplifiers (OTAs), in order to achieve electronic tuning of the controllers’ characteristics. The required CMOS OTAs topology is performed using MOS transistors biased in the subthreshold region, which allows operation with low-voltage and low-power dissipation. The performance of the presented structures is evaluated through the derived simulation results, using Cadence software and the Design Kit provided by the Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35μm technology Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα των αναλογικών κυκλωμάτων οδήγησαν σε ένα νέο ενδιαφέρον ως προς τον σχεδιασμό τους, με αξιοποίηση του κλασματικού λογισμού. Τα μοντέλα κλασματικής τάξης των πραγματικών συστημάτων είναι αναμφίβολα πιο επαρκή από τα συνήθως χρησιμοποιούμενα μοντέλα ακέραιας τάξης, ειδικά όσον αφορά τη θεωρία ελέγχου και τα συστήματα ελέγχου κίνησης. Οι σχετικές εφαρμογές δεν έχουν ακόμη υλοποιηθεί πλήρως, κυρίως λόγω του εμπορικά μη διαθέσιμου τρόπου χρήσης των πυκνωτών κλασματικής τάξης στις τυπικές τοπολογίες. Προηγούμενες μελέτες έχουν προτείνει ως εναλλακτική προσέγγιση για την εφαρμογή ελεγκτών κλασματικής τάξης, την πραγματοποίηση λογικών συναρτήσεων μεταφοράς που προσεγγίζουν τις αντίστοιχες συναρτήσεις κλασματικής τάξης. Ενώ έχει σημειωθεί αξιόλογη έρευνα σχετικά με τους ελεγκτές κλασματικής τάξης PID (FOPID), λίγες μόνο μελέτες προσπάθησαν να διερευνήσουν τον ελεγκτή κλασματικής τάξης [PD] (FO[PD]). Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία πραγματοποιείται, αρχικά, μια ανασκόπηση της έρευνας που έχει διεξαχθεί ως προς τον σχεδιασμό ενός ελεγκτή κλασματικής τάξης για συστήματα ελέγχου κίνησης. Ο κύριος σκοπός της μελέτης, είναι η προσέγγιση της συνάρτησης μεταφοράς του ελεγκτή, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο προσέγγισης Padé και κατά συνέπεια η υλοποίηση του κυκλώματος. Αυτή η υλοποίηση για τον ελεγκτή FO[PD] λαμβάνει χώρα χρησιμοποιώντας Τελεστικούς Ενισχυτές Διαγωγιμότητας (OTAs), προκειμένου να επιτευχθεί ηλεκτρονική ρύθμιση των χαρακτηριστικών του ελεγκτή. Η τοπολογία των απαιτούμενων CMOS OTAs εκτελείται με χρήση MOS τρανζίστορ, πολωμένων στην περιοχή υποκατωφλίου, η οποία επιτρέπει λειτουργία με χαμηλή τάση και κατανάλωση ισχύος. Η απόδοση των παρουσιαζόμενων δομών αξιολογείται μέσω των παραγόμενων αποτελεσμάτων προσομοίωσης, έπειτα από χρήση του λογισμικού Cadence και του Design Kit που παρέχεται από την τεχνολογία Austria Mikro Systeme (AMS) CMOS 0.35\mu m. 2021-03-05T13:10:44Z 2021-03-05T13:10:44Z 2021-02 http://hdl.handle.net/10889/14608 en application/pdf