کنترل لغزشی فازی تطبیقی جدید یک سامانه مکانیکی زیر تحریک با بکارگیری مشاهده گر

دانشکده آموزشهای الکترونیکی
پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق – کنترل
کنترل لغزشی فازی تطبیقی جدید یک سامانه مکانیکی زیر تحریک با بکارگیری مشاهده گر
توسط:
ایمان لولیایی
استاد راهنما:
دکتر وحید جوهری مجد
اسفند ماه ۱۳۸9

به نام خدا
اظهارنامه
اینجانب ایمان لولیایی (878232) دانشجوی رشته مهندسی برق گرایش کنترل دانشکده آموزشهای الکترونیکی، اظهار میکنم که این پایاننامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهایی که از منابع دیگران استفاده کرده ام، نشانی دقیق و مشخصات کامل آنرا نوشته ام. همچنین اظهار میکنم که تحقیق و موضوع پایان نامه ام تکراری نیست و تعهد مینمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهای آنرا منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آیین نامه مالکیت فکری و معنوی متعلق به دانشگاه شیراز است.

نام و نام خانوادگی:
تاریخ و امضا:
centercenterتقدیم به:
پدر و مادر عزیزم
سپاسگزاری
اگر امروز توانسته ام در راهی قدم بردارم که همیشه به دنبال آن بوده ام، حاصل لطف بیکران الهی و پس از آن پدر و مادری دلسوز و مهربان است که در تمام دوران زندگی و تحصیل، مشوق و حامی بنده بوده و هستند.
اساتید گرانقدر، جناب دکتر جوهری مجد، دکتر کریم آقایی، دکتر روستا از اینکه دانش خود را در اختیار بنده قرار دادید، سپاسگزارم.

ایمان لولیایی
اسفند ‌ماه 1389.
چکیده
هدف در این گزارش، طراحی یک کنترلگر مقاوم برای دسته خاصی از سامانه ها میباشد که بتوان از آن در سامانه های غیر خطی و دارای عدم قطعیت های زیاد هستند استفاده کرد. برای رسیدن به این مطلب، به توضیحاتی پیرامون کنترلگر های لغزشی پرداخته شده و مزایا و معایب آنها مورد بحث قرار گرفته است، همچنین روشهایی را که برای برطرف و یا کم کردن اثر این معایب در گذشته معرفی گردیده، در طول گزارش بیان شده است. از جمله روشهای غلبه بر مشکلات کنترلگر لغزشی، استفاده از سیستمهای فازی در این نوع روش کنترل میباشد. البته استفاده از سیستمهای فازی به روشهای متفاوتی میتواند انجام گیرد که بطور اختصار به آنها پرداخته شده است. کنترلگر حاصله را کنترلگر لغزشی فازی مینامند. همچنین مشاهده گردید که در بسیاری از سامانه ها امکان معین کردن تمامی حالتهای سامانه امکانپذیر نمیباشد، لذا استفاده از روئیتگر حالت برای بهتر کردن عملکرد سامانه لازم است. پس از آشنایی کلی با انواع کنترلگر لغزشی فازی تطبیقی، به معرفی یک کنترلگر لغزشی فازی تطبیقی جدید که با استفاده از ترکیب کنترلگرهای قبلا ارائه شده تشکیل یافته است، پرداخته ایم. در واقع، از محاسن روشهای قبلا معرفی شده در این روش جدید بطور یکجا استفاده شده است.
از این کنترلگر در یک سامانه مکانیکی زیر تحریک (کشتی) مدل شده، استفاده کرده و نتایج را درفصل شبیه سازی ارائه گردیده است.
کلید واژه: سامانه های غیر خطی، کنترل غیر خطی، کنترل لغزشی فازی تطبیقی، روئیتگر، سامانه های زیر تحریک.
فهرست مطالب
عنوانصفحه
TOC o “1-4” h z uفهرست علایم و نشانه‌ها PAGEREF _Toc285308311 h ‌کفهرست شکل‌‌ها PAGEREF _Toc285308312 h ‌لفصل 1-مقدمه…….. PAGEREF _Toc285308313 h 11-1-پیشگفتار PAGEREF _Toc285308314 h 11-2-انگیزه:….. PAGEREF _Toc285308315 h 71-3-اهداف:…. PAGEREF _Toc285308316 h 71-4-ساختار گزارش PAGEREF _Toc285308317 h 8فصل 2-پیش نیازهای پژوهشی PAGEREF _Toc285308318 h 92-1-مقدمه….. PAGEREF _Toc285308319 h 92-2-تئوری کنترل لغزشی: PAGEREF _Toc285308320 h 92-3-کنترل فازی تطبیقی PAGEREF _Toc285308321 h 112-4-کنترل لغزشی فازی تطبیقی PAGEREF _Toc285308322 h 112-4-1-مقدمه PAGEREF _Toc285308323 h 112-4-2-مثالهایی از کاربرد کنترل لغزشی فازی تطبیقی : PAGEREF _Toc285308324 h 122-4-3-بیان مسئله: PAGEREF _Toc285308325 h 172-4-4-استفاده از سامانه فازی برای تخمین قسمتهای نامعلوم سامانه PAGEREF _Toc285308326 h 192-4-4-1-طراحی مشاهده گر حالت وقانون تطبیق PAGEREF _Toc285308327 h 232-4-5-استفاده از سامانه فازی برای برطرف کردن مشکل وزوز PAGEREF _Toc285308328 h 282-4-6-نتیجه گیری PAGEREF _Toc285308329 h 31فصل 3-کنترل لغزشی فازی تطبیقی جدید به همراه مشاهده گر حالت PAGEREF _Toc285308330 h 323-1-مقدمه PAGEREF _Toc285308331 h 323-2-بیان مسئله PAGEREF _Toc285308332 h 323-3-طراحی کنترلگر PAGEREF _Toc285308333 h 343-3-1-طراحی تخمینگر فازی به منظور تخمین پارامترهای نا معلوم fx,t , g(x,t) (سامانه فازی اول) PAGEREF _Toc285308334 h 353-3-2-طراحی تخمینگر فازی به منظور برطرف کردن وزوز ( سامانه فازی دوم) PAGEREF _Toc285308335 h 373-3-3-طراحی مشاهده گر و قانون تطبیق PAGEREF _Toc285308336 h 383-3-4-بازنویسی روابط سامانه های فازی(1و2) با در نظر گرفتن مشاهده گر حالت PAGEREF _Toc285308337 h 403-4-برسی پایداری PAGEREF _Toc285308338 h 433-5-نتیجه گیری PAGEREF _Toc285308339 h 44فصل 4-مطالعه موردی و شبیه سازی PAGEREF _Toc285308340 h 454-1-مقدمه….. PAGEREF _Toc285308341 h 454-2-مدل ریاضی بر اساس قوانین فیزیکی PAGEREF _Toc285308342 h 474-3-نتیجه گیری PAGEREF _Toc285308343 h 63فصل 5-نتیجه…. PAGEREF _Toc285308344 h 64فهرست مراجع PAGEREF _Toc285308345 h 66واژه نامه‌ انگلیسی به فارسی PAGEREF _Toc285308346 h 72فهرست علایم و نشانه‌هاعنوان علامت اختصاری
حالتها(states)
سیگنال کنترل
ورودی اغتشاش خارجی
سطح لغزش
ترمهای نامعلوم سامانه
تخمین ترمهای نامعلوم سامانه fx θf , gx θgتابع لیاپانوف
فهرست شکل‌‌هاعنوان صفحه
TOC h z c “شکل” شکل ‏21: AFSMC with nonlinear sys– for aproximate fx θf , gx θg PAGEREF _Toc286258426 h 27شکل ‏22::AFSMC with nonlinear sys– for aproximate ufs PAGEREF _Toc286258427 h 31شکل ‏31: AFSMC with nonlinear sys– for aproximate fx θf , gx θg, ufs PAGEREF _Toc286258428 h 42شکل ‏41. نمایش شش درجه آزادی بر روی یک شناور. PAGEREF _Toc286258429 h 48شکل ‏42. مختصات و متغیرهایی که در عمل مدل کردن استفاده میشوند. PAGEREF _Toc286258430 h 48شکل ‏43: : ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 1 با کنترلگر قدیمی برای تخمین ترمهای نامعلوم. PAGEREF _Toc286258431 h 57شکل ‏44: سیگنال کنترل و سیگنال خطا برای ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 1 با کنترلگر قدیمی برای تخمین ترمهای نامعلوم. PAGEREF _Toc286258432 h 57شکل ‏45: سیگنال کنترل و سیگنال خطا برای ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 2 با کنترلگر قدیمی برای تخمین ترمهای نامعلوم. PAGEREF _Toc286258433 h 58شکل ‏46: ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 2 با کنترلگر قدیمی برای تخمین ترمهای نامعلوم. PAGEREF _Toc286258434 h 58شکل ‏47: ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 1 با کنترلگر قدیمی برای حذف وزوز. PAGEREF _Toc286258435 h 59شکل ‏48: سیگنال کنترل و سیگنال خطا برای ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 1 با کنترلگر قدیمی برای حذف وزوز. PAGEREF _Toc286258436 h 59شکل ‏49: ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 2 با کنترلگر قدیمی برای حذف وزوز. PAGEREF _Toc286258437 h 60شکل ‏410: : سیگنال کنترل و سیگنال خطا برای ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 2 با کنترلگر قدیمی برای حذف وزوز. PAGEREF _Toc286258438 h 60شکل ‏411: سیگنال کنترل و سیگنال خطا برای ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 1 با کنترلگر جدید. PAGEREF _Toc286258439 h 61شکل ‏412: ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 1 با کنترلگر جدید. PAGEREF _Toc286258440 h 61شکل ‏413: ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 2 با کنترلگر جدید. PAGEREF _Toc286258441 h 62شکل ‏414: سیگنال کنترل و سیگنال خطا برای ردیابی سیگنال دلخواه، برای سناریوی 2 با کنترلگر جدید. PAGEREF _Toc286258442 h 62
مقدمهپیشگفتاردر دهه های گذشته شاهد افزایش تلاش برای کنترل سامانه های مکانیکی زیر تحریک بوده ایم. سامانه های مکانیکی زیر تحریک، سامانه هایی هستند که تعداد درجات آزادی در آنها از تعداد محرکها بیشتر است بطور مثال یک و یا چند درجه آزادی آنها بطور مستقیم قابل کنترل نیستند. از این نوع سامانه های مکانیکی در عمل بسیار زیاد یافت میشوند، مانند: شناورها، فضاپییماها، زیردریایی ها ، هلیکوپترها ،… .
برای برسی مسائل سامانه های زیر تحریک به تحلیل روابط غیر خطی نیازمند هستیم زیرا با استفاده از روشهای کنترل خطی، با مشکل عدم پایداری مواجه خواهیم شد و همچنین مسئله کنترل ردیابی نیز بر مشکل فوق اضافه خواهد شد.
بسیاری از سامانه های مکانیکی زیر تحریک، توابعی از قیود غیر هولونومیک (سامانه های غیر هولونومیک نوع خاصی از سامانه های غیر خطی هستند) میباشند. در مکانیک کلاسیک، این قیود بصورت قیود خطی از نوع ∅qq=0 معرفی میشوند و با q نمایش داده شده و هیچکدام از آنها انتگرال پذیر نیستند[73] . قیود غیر هولونومیک به دو دسته تقسیم میشوند: قیود درجه یک و قیود درجه دو.
قیود مرتبه اول به شکل تابعی از قید و مشتق قید(سرعت قیود)معرفی میشود که البته هیچکدام انتگرال پذیر نیستند. ∅q,q=0قیود مرتبه دوم به شکل تابعی از قید و مشتق قید (سرعت آنها ) و مشتق دوم قید (شتاب آنها) معرفی میشود که البته هیچکدام انتگرال پذیر نیستند. ∅q,q,q=0قیود مرتبه اول و دوم معمولا در زمان حرکات خاص سامانه بر روی آنها اعمال میشود. قیود مرتبه اول و یا محدودیتهای سرعت، معمولا در سامانه های رباتهای چرخدار خاص، مانند یک تریلر به همراه یدک آن، مشاهده میشود. قیود مرتبه دوم و یا محدودیتهای شتاب معمولا در سامانه هایی چون، شناورها، زیردریایی ها، فضاپیماها و رباتهای فضایی مشاهده میشود.
در این پایاننامه تمرکز برروی سامانه های دارای قیود مرتبه دوم میباشد.
همانطور که اشاره شد، شناورها زیرمجموعه ایی از سامانه های مکانیکی زیر تحریک میباشند. دلیل اینکه شناور ها را زیر تحریک مینامند این است که تعداد محرکهای آن کمتر از تعداد درجات آزادی باشد. برای مثال یک کشتی اقیانوس پیمای امروزی را در نظر بگیرید. این کشتی دارای یک پروانه (محرک1) و یک سکان (محرک2) میباشد، در عین حال، حرکت این کشتی باید توسط بردارهای جلو و کناره ها و جهت حرکت کنترل شود (سه درجه آزادی). مشاهده میشود که در این کشتی دو محرک وجود دارد و باید با استفاده از این دو محرک سه کمیت را کنترل کرد. بنابراین با یک سامانه زیرتحریک مواجه هستیم.
با بیان توضیحات اشاره شده، در این پایاننامه مسئله کنترل یک شناور اثر سطحی را مورد برسی قرار میدهیم.
کنترل خودکار کردن کشتی ها از زمانهای قدیم مورد خواست شرکتهای کشتی سازی بوده است. طبق آمار موجود اولین سامانه هدایت خودکار کشتی بر پایه دستگاهی به نام جایروکامپس ساخته شده. این سامانه هدایت اولین جایرو پایلوت ساخته شده بود که در سال 1922و مورد استفاده قرار گرفته بود. پس از آن کنترل خودکار های ابتدایی توسط کنترلگرهای پی آی دی ساخته شد. عیب آنها این بود که فقط در اطراف نقطه کار طراحی شده، عملکرد خوبی داشتند. همچنین هیچکدام از آنها در مقابل تغییرات پارامترها و همینطور عدم قطعیت های مدل، مقاوم نبودند، زیرا روش خطی سازی برگشتی نیازمند دارا بودن اطلاعات دقیقی از سامانه ها و پارامترها میبود.
از آنجا که بسیاری از سامانه های دینامیکی که بایستی کنترل شوند پارامترهای نامعلوم دارند که یا نامعلومند و یا به آهستگی تغییر میکنند، کنترل تطبیقی یک روش مناسب برای کنترل اینچنین سامانه ها است. تحقیقات در زمینه کنترل تطبیقی در اوایل دهه 1950، درباره طراحی خلبان خودکار در هواپیماهای با عملکرد برجسته، که در محدوده وسیعی از سرعت و ارتفاع کار میکنند و لذا با تغییرات زیاد پارامترها مواجه اند آغاز شد.کنترل تطبیقی به عنوان یک روش برای تنظیم خودکار پارامترهای کنترل کننده سامانه هایی که دینامیک آنها با تغییرات زیاد روبرو است پیشنهاد شد [].
همچنین، عدم دقت در مدلسازی میتواند اثرات نامطلوب شدیدی بر سامانه های غیر خطی بگذارد، باید در هر طراحی عملی آنها را صریحا مورد نظر قرار داد. دو روش اصلی و مکمل برای مقابله با عدم قطعیتهای مدل، استفاده از کنترل مقاوم و کنترل تطبیقی میباشد. پس از آن برای هدایت خودکار کشتی استفاده از روشهای کنترل ال کیو جی و کنترل اچ اینفینیتی پیشنهاد داده شد[] , [].
در سال 1980، محققان توانستند با روشهای کنترل پیشرفته مانند کنترل تطبیقی شبکه های عصبی، هدایت خودکار را طراحی کنند [] .
در سال 2001، الگوریتم کنترل غیر خطی تطبیقی مقاوم برای هدایت خودکار کشتی معرفی شد. البته در آن فرضیاتی وجود داشت که باعث مشکلاتی میشد[].
در سال 2001، برای مسئله ردیابی خودکار کشتیها، استفاده از روش فازی تطبیقی پیشنهاد شد [].
در سال 2004، هدایت خودکار تطبیقی غیر خطی بهبودیافته ایی طراحی شدکه با فرض دارا بودن پارامترهای ثابت برای هدایت کشتی دارای عدم قطعیت، مفید بود[].
در سال 2006، برای کنترل خودکار کشتیها، استفاده از کنترل فازی و اچ اینفینیتی پیشنهاد داده شد[].
تمام روشهای کنترلی که تا اینجا معرفی شدند، هر یک دارای نقاط قوت و یا نقاط ضعفی نسبت به یکدیگر میباشند. برای مثال در برخی، مسئله ردیابی به خوبی انجام میگیرد اما در برابر اغتشاشات زیاد محیطی دارای پایداری لازم نیستند و یا اینکه سرعت عکس العمل خوبی در برابر تغییر مقدار ورودی مرجع ندارند.
کنترل لغزشی یکی از موثرترین

این نوشته در پایان نامه ها ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *