پیشگفتار

در دهه های گذشته شاهد افزایش تلاش برای کنترل سامانه های مکانیکی زیر تحریک[۱] 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 بهره گرفتن از روش های 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[۲] (سامانه های غیر هولونومیک نوع خاصی از سامانه های غیر خطی هستند) میباشند. در مکانیک کلاسیک، این قیود بصورت قیود خطی از نوع معرفی میشوند و با q نمایش داده شده و هیچکدام از آنها انتگرال پذیر نیستند[۷۳] . 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.
قیود 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.
قیود 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 پایان نامه 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 (محرک۱) و یک سکان (محرک۲) میباشد، در عین حال، حرکت این کشتی باید توسط بردارهای جلو[۳] و کناره ها[۴] و جهت حرکت[۵] کنترل شود (سه درجه آزادی). مشاهده میشود که در این کشتی دو محرک وجود دارد و باید با بهره گرفتن از این دو محرک سه کمیت را کنترل کرد. بنابراین با یک سامانه زیرتحریک مواجه هستیم.
با بیان توضیحات اشاره شده، در این پایان نامه مسئله کنترل یک شناور اثر سطحی را مورد برسی قرار میدهیم.
کنترل خودکار[۶] کردن کشتی ها از زمان های قدیم مورد خواست شرکتهای کشتی سازی بوده است. طبق آمار موجود اولین سامانه هدایت خودکار کشتی بر پایه دستگاهی به نام جایروکامپس[۷] ساخته شده. این سامانه هدایت اولین جایرو پایلوت[۸] ساخته شده بود که در سال ۱۹۲۲و مورد استفاده قرار گرفته بود. پس از آن کنترل خودکار های ابتدایی توسط کنترلگرهای پی آی دی[۹] 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 ۱۹۵۰، 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 [[۱۰]].
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 روش های کنترل ال کیو جی[۱۱] و کنترل اچ اینفینیتی[۱۲] پیشنهاد داده شد[[۱۳]] , [[۱۴]].
در سال ۱۹۸۰، محققان توانستند با روش های کنترل پیشرفته مانند کنترل تطبیقی شبکه های عصبی، هدایت خودکار را طراحی کنند [ برای دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت  fumi.ir  مراجعه نمایید.

rg/wp-admin/post-new.php#endnote-5″>[۱۵]] .
در سال ۲۰۰۱، الگوریتم کنترل غیر خطی تطبیقی مقاوم[۱۶] برای هدایت خودکار کشتی معرفی شد. البته در آن فرضیاتی وجود داشت که باعث مشکلاتی میشد[[۱۷]].
در سال ۲۰۰۱، برای مسئله ردیابی خودکار کشتیها، استفاده از روش فازی تطبیقی پیشنهاد شد [[۱۸]].
در سال ۲۰۰۴، هدایت خودکار تطبیقی غیر خطی بهبودیافته ایی طراحی شدکه با فرض دارا بودن پارامترهای ثابت برای هدایت کشتی دارای عدم قطعیت، مفید بود[[۱۹]].
در سال ۲۰۰۶، برای کنترل خودکار کشتیها، استفاده از کنترل فازی و اچ اینفینیتی پیشنهاد داده شد[[۲۰]].
تمام روش های 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 روش های کنترل مقاوم غیر خطی برای رویارویی با سامانه های دارای مشخصاتی چون، عدم قطعیت در مدل و وجود پارامترهای دارای تغییرات زیاد میباشد[[۲۱],[۲۲]]. طرح کنترل کننده لغزشی روشی مقاوم برای مسئله حفظ پایداری وعملکرد یکنواخت در مقابل بی دقتیهای مدلسازی است. اما این روش دارای معایبی نیز میباشد، یکی از معایب کنترل لغزشی ایجاد پدیده وزوز[۲۳] برروی سطح لغزشی طراحی شده میباشد. برای برطرف کردن این پدیده میتوان از روش هایی مانند تخمین اشباع[۲۴] [[۲۵]] و یا کنترل لغزشی انتگرالی[[۲۶]] ویا تکنیک لایه مرزی[] برای بهبود بخشیدن به عمل کنترل استفاده کرد.
اگر عدم قطعیت در مدل زیاد باشد، کنترل لغزشی نیاز به یک لایه ضخیم دارد که این امر باعث ایجاد لرزش بزرگتر میشود. اگر ضخامت این لایه مرتبا افزایش یابد، به همان اندازه مزایای کنترل لغزشی کم میشود و به سمت یک سامانه بدون مد لغزشی میرویم. برای غلبه بر مشکل فوق میتوان از کنترلگرهای فازی برای تخمین مقدار تابع نامعلوم کنترل کننده مد لغزشی استفاده کرد. در واقع، تخمین ترمهای نامعلوم توسط سامانه های فازی باعث عملکرد مطلوب کل سامانه میگردد، البته این روش تا به حال به روش های گوناگون معرفی شده است که بسته به هدف مورد نظر، از روشی خاص بهره جسته اند. [[۲۷]]و][۲۸][
استفاده از سیستم های فازی به همراه کنترل لغزشی به منظورهای متفاوتی انجام میشود که یکی از آنها برای حذف اثر وزوز میباشد، یک مورد دیگر استفاده از سامانه های فازی در کنترل لغزشی به منظور تخمین ترمهای نامعلوم سامانه تحت کنترل میباشد که در فصول آینده به طور کامل مورد برسی قرار خواهد گرفت.
کنترل فازی[۲۹] بدلیل مزایایی که دارد به کرات در مقالات مورد بحث قرار گرفته است[۳۰][۳۱]و[۳۲][. مزیت اصلی این کنترل نسبت به کنترلهای متعارف این است که در این روش نیازی به مدل ریاضی دقیق نیست و عمل کنترل برای سامانه هایی که مدل کردن آنها کار مشکلی است میتواند بازده ایی خوبی داشته باشد.
طبق مطالب اشاره شده، جهت بهبود مقاومت[۳۳] در کنترل فازی، مطالعات، تحقیقات و فعالیتهای زیادی انجام شده است که یکی از نتایج حاصل شده از این تحقیقات، استفاده از کنترل کننده لغزشی فازی[۳۴] میباشد[,]. کنترل لغزشی فازی ترکیبی از کنترل فازی و کنترل لغزشی است. کنترل لغزشی فازی یک روش کنترل بسیار مقاوم در مقابل بی دقتی های مدل و اغتشاشات خارجی میباشد. همانطور که ذکر شد، از بین بردن لرزش در لایه مرزی، یکی از مزایای استفاده از کنترل لغزشی فازی نسبت به کنترل لغزشی میباشد.
کنترل کننده لغزشی فازی ترکیبی است از کنترل فازی و کنترل لغزشی، بطوری که قدرت کنترلگر در مقابل عدم قطعیت مدل و اغتشاش خارجی حفظ شود.
از آنجایی که مشخص کردن پارامترها از اهمیت بسیار بالایی در طراحی کنترلگر برخوردار است و باعث بهبود رفتار سامانه میشود، برای عملکرد بالای پارامترها از الگوریتم تطبیق استفاده شده[۳۵]],-[۳۶][۳۷]و[۳۸]و[۳۹][[۴۰]وو[۴۱] Categories: