ساختار گزارش

فصل اول شامل مقدمه ایی است بر تاریخچه ایی از کنترلگر ارائه شده و همچنین بر فعالیتهای انجام شده در این گزارش و مرور کلی بر فصلهای آتی آن.
در فصل دوم که مربوط به پیش نیازهای پژوهشی میباشد به معرفی کنترلگر لغزشی و برسی معایب آن و چگونگی برطرف کردن آنها پرداخته و یکی از راه های بهبود عملکرد کنترل لغزشی که استفاده از منطق فازی در کنترل لغزشی میباشد را معرفی کرده و به برسی پیرامون آن و انواع کنترل لغزشی فازی میپردازیم.
در فصل سوم به طراحی یک کنترلر لغزشی فازی تطبیقی جدید به همراه یک مشاهده گر پرداخته، سپس با بهره گرفتن از تئوری پایدار لیاپانوف، پایداری را مورد برسی قرار میدهیم.
در فصل چهارم، به برسی و چگونگی بدست آوردن مدل دینامیکی یک شناور به منظور کنترل و هدایت آن میپردازیم در این قسمت با بهره گرفتن از قوانین فیزیکی سعی میکنیم معادله ایی دینامیکی بدست آوریم که مشخص کننده رابطه بین تغییرات سکان کشتی و تغییرات جهت حرکت کشتی باشد، سپس کنترلگر طراحی شده در فصل سه را به سامانه شناور مورد نظر مدل شده، اعمال کرده و در شرایط مختلف که شامل وجود اغتشاش خارجی و همچنین عمل ردیابی به شکل های متفاوت میباشد را مورد آزمایش قرار داده و نتایج شبیه سازی شده را ارائه میدهیم.
نهایتا در فصل پنجم به نتیجه گیری و مقایسه بین روشها میپردازیم.

پیش نیازهای پژوهشی

مقدمه

در این فصل به توضیح مختصری پیرامون کنترل ساختار متغیر، مد لغزشی و کنترل لغزشی و سپس سامانه های فازی و چگونگی استفاده از سامانه فازی به عنوان کنترل فازی خواهیم پرداخت. در ادامه به این موضوع اشاره خواهد شد که کنترل لغزشی دارای معایبی میباشد و برای برطرف کردن و یا حداقل کردن آنها میتوان از روش های مختلفی استفاده کرد. یکی از روش های معرفی شده، استفاده از سامانه های فازی جهت برطرف کردن مشکلات و بهبود بخشیدن به کنترل لغزشی میباشد. این درحالی است که، استفاده از سامانه های فازی به طریقهای متفاوت و به منظور بهبود مشخصات مختلف سیستم کنترل، مورد استفاده قرار میگیرد. در این فصل به برسی دو نوع کنترل لغزشی فازی میپردازیم و سپس در فصل بعدی با بهره گرفتن از ترکیب و تغییراتی در هر کدام از آنها، یک روش کنترل جدید را معرفی خواهیم کرد.

دانلود متن کامل این پایان نامه در سایت abisho.ir

تئوری کنترل لغزشی:

تئوریهای اولیه و مبانی کنترل لغزشی تحت عنوان کنترل ساختار متغیر مطرح شده اند که علت این نامگذاری، تغییر ساختار این کنترل کننده در حین فرایند کنترل میباشد][۶۶][. یک سامانه ساختار متغیر، یک سامانه دینامیکی است که ساختار آن با توجه به مقدار فعلی بردارهای حالت[۶۷]آن تغییر می کند. تغییرات این ساختار همیشه در جهتی انجام می پذیردکه مقدار یک تابع معین موسوم به سطح نا پیوستگی، به سمت صفر میل کند. این سطح ناپیوستگی باید طوری تعیین شده باشد که در صورت صفر شدن آن خطای سامانه به سمت صفر میل کند. به دلیل اینکه تغییر ساختار کنترل کننده، در نهایت منجر به نوسانات کوچکی حول سطح مزبور می شود، این کنترل کننده ها به کنترل کننده های لغزشی مشهور شده اند و به سطح نا پیوستگی نیز اصطلاحا سطح لغزش گفته می شود.
یکی از مشکلات عملی این موضوع، پدیده وزوز ناشی از نقص افزارهای سوئیچینگ و تاخیرهاست][۶۸][. هنگامی که یکی از مسیرهای حالت به سمت سطح لغزش در حرکت باشد ابتدا در یک نقطه آن را قطع می کند، در حالت ایده ال، باید مسیر حالت از همین نقطه لغزش روی سطح را آغاز کند اما در واقعیت تاخیری میان زمان تغییر علامت متغیر حالت و زمان سوئیچینگ کنترل وجود دارد. به هنگام این تاخیر مسیر حالت از سطح لغزش گذشته، وارد ناحیه دیگر میشود. زمانی که کنترل سوئیچ می کند، مسیر حالت جهت خود را به سمت سطح تغییر می دهد و دیگر بار آن را قطع می کند. تکرار این فرایند سبب ایجاد حرکتی زیگ زاگ ( نوسانی) مطابق شکل زیر می گردد که به نام وزوز خوانده می شود.
وزوز موجب کاهش دقت کنترل، تلفات گرمایی فراوان در مدارهای الکتریکی و ساییده شدن اجزای متحرک مکانیکی می گردد. علاوه بر این ممکن است دینامیک مدل نشده با فرکانس بالا را تحریک کند. عملکرد سامانه را تخریب نمایدو یا حتی سبب نا پایداری گردد.
یکی از مشکلات کنترل لغزشی، وجود ترمهای نامعلوم در مدل سامانه میباشد، عدم قطعیت در عمل مدلینگ باعث وجود ترمهای نامعلوم در مدل دینامیکی سامانه میشود. در طراحی کنترلگر، این ترمهای نامعلوم باعث عملکرد ضعیف و راندمان پایین در سامانه میشوند.

کنترل فازی تطبیقی

معمولا کنترل کننده های فازی در وضعیتهایی کار میکنند که در آن یک عدم قطعیت بزرگ با تغییرات نا معلوم در پارامترها و ساختارهای سامانه وجود دارد.
مزیت های کنترل فازی تطبیقی نسبت به کنترل فازی غیر تطبیقی:

  1. عملکرد و کارایی بهتر معمولا قابل دستیابی میباشد، چرا که کنترل کننده فازی تطبیقی میتواند خود را با توجه به تغییرات محیطی تنظیم نماید.
  2. دانش کمتری از سامانه تحت کنترل لازم است، چرا که قانون تطبیق میتواند در جهت یادگیری دینامیک سامانه در طی عملیات زمان حقیقی کمک نماید.

در واقع، هدف اصلی کنترل تطبیقی عبارت است از ثابت نگه داشتن کارایی یک سامانه در حضور عدم قطعیت های ذکر شده میباشد. بنابراین کنترل فازی پیشرفته بایستی تطبیقی باشد.

کنترل لغزشی فازی تطبیقی

مقدمه

کنترل لغزشی در کنار محاسنی که دارد، دارای معایبی نیز میباشد. معایب کنترل لغزشی به روش های مختلفی میتواند برطرف شود که یکی از بهترین آنها، استفاده از سامانه های فازی برای جبران عدم قطعیت های مدل و همچنین پارامترهای دارای تغییرات شدید میباشد که این جبرانسازی توسط سامانه فازی باعث برطرف شدن معایب کنترل لغزشی میگردد.
در ادامه این فصل، دو روش کاملا مجزا برای استفاده از س سامانه های فازی در بهبود سازی عملکرد کنترل لغزشی معرفی خواهد شد. همانگونه که ذکر شد، یکی از مشکلات کنترل لغزشی، وجود ترم های نامعلوم در سامانه میباشد، این ترمهای نامعلوم توسط سامانه های فازی قابل تخمین زدن و جایگزینی هستند که در قسمت بعدی بطور کامل معرفی میشوند. یکی دیگر از مشکلات کنترل لغزشی، ایجاد وزوز بر روی سطح لغزش میباشد، این مشکل نیز میتواند با بهره گرفتن از سامانه های فازی وتخمین قسمتی از کنترلگر، برطرف گردد. عملکرد این نوع سامانه فازی نیز در ادامه فصل بطور کامل توضیح داده خواهد شد.

مثالهایی از کاربرد کنترل لغزشی فازی تطبیقی :

  1. در سال ۲۰۰۰ استفاده از کنترل لغزشی فازی تطبیقی برای کنترل نوعی ربات معرفی گردید ][۶۹][. در این روش، سامانه فازی تطبیقی عمل تخمین اغتشاش را انجام میدهد و ترمهای متغیر با زمان را شناسایی میکند. این روش باعث کاهش پیچیدگی عمل کنترل میشود.
  2. در سال ۲۰۰۲ کاربردی برای کنترل لغزشی فازی تطبیقی بر پایه الگوریتم ژنتیک برای سازه های ساختمانی در زمان زلزله پیشنهاد شد ][۷۰][. در این طراحی با بهره گرفتن از توابع عضویت دقیق و محرکهای مورد نیاز و طراحی یک کنترلگر مناسب، میتوان یک سازه را در زمان زلزله بطور ایمنی کنترل کرد و از آسیب رسیدن به آن جلوگیری کرد.
  3. در سال ۲۰۰۸ استفاده از کنترل دینامیکی لغزشی فازی تطبیقی وکنترل سینماتیک براساس برنامه ریزی تکاملی برای رباتهای محرک چرخدار معرفی شد ][۷۱][. در این پژوهش از کنترل سینماتیک بر پایه برنامه ریزی تکاملی برای معین کردن تمام بهره های کنترل بهینه استفاده شده است و کنترل کنترل لغزشی فازی تطبیقی به مسائل عدم قطعیتها و اغتشاشات خارجی رسیدگی میکند. نتایج این تحقیق نشان داده است که کنترل لغزشی فازی تطبیقی در مقایسه با کنترلر های دیگر دارای عملکرد بهتری در مقابل عدم قطیتها و اغتشاشات خارجی دارد.
  4. در سال ۲۰۰۸ کنترل سرعت جابجایی در سامانه سروو هیدرولیکی با بهره گرفتن از کنترل لغزشی فازی تطبیقی معرفی گردید ][۷۲][. از آنجایی که سامانه فوق بدلیل غیر خطی بودن و متغیر با زمان بودن دارای مشخصات خاصی میباشد و از آنجایی که در این سامانه، تحقق کنترل کننده مشکل میباشد، لذا از کنترل لغزشی فازی تطبیقی استفاده شده است و از نتایج این تحقیق مشاهده گردیده که پایداری سامانه فوق تضمین گردیده است و مقاومت بسیار بالا و قابلیت خود تطبیقی در مقابل اغتشاشات خارجی را دارد و همچنین در آزمایشات متفاوت، دارای عملکرد دینامیکی دقیقی میباشد.
  5. در سال ۲۰۰۸ کاربرد کنترل لغزشی فازی تطبیقی و پی آی دی در کنترل دمای سامانه تولید بخارمعرفی شد][۷۳][. در این پژوهش از ترکیب کنترل لغزشی فازی تطبیقی و کنترل انتگرالی تناسبی استفاده شده است و مشاهده گردیده که کنترل فوق وابستگی زیادی به مدل ریاضی سامانه ندارد و از منطق فازی برای عمل ردیابی و از کنترل لغزشی برای افزایش مقاومت کنترل کننده استفاده میشود. همچنین قانون تطبیق باعث میشود که خطای ردیابی سریعتر به سمت صفر همگرا شود. در نهایت از نتایج، مشاهده میشود که کنترلگر فوق دارای عملکرد گذرا و ماندگار مناسب و مقاومت بسیار خوبی در مقایسه با کنترل پی آی دی میباشد.
  6. در سال ۲۰۰۹ استفاده از کنترل لغزشی فازی خود سازمانده تطبیقی برای توانبخشی یک بازوی نیوماتیکی ربات پیشنهاد شد][۷۴][. از این روش برای قسمت های آسیب پذیر در تغییرات جابجایی سریع و یا کنترل نیرو استفاده میشود. از نتایج این تحقیق مشاهده میشود که مقاومت و کارایی الگوریتم کنترل فوق در عمل ردیابی بسیار مطلوب میباشدو البته پایداری آن بوسیله تئوری پایداری لیاپانوف برسی و صحت آن تایید گردیده است.
  7. در سال ۲۰۰۹ کاربردی از کنترل لغزشی فازی تطبیقی برای سامانه های چند ورودی-چند خروجی معرفی شد][۷۵][. در این مورد نیز مشاهده میگردد که از خواص تقریب زنی کنترل فازی به همراه مقاومت و پایداری کنترل لغزشی استفاده شده است و به کمک قانون تطبیق، پارامترها نیز بطور آنلاین تنظیم میشوند. نتایج نشان میدهد که عملکرد ردیابی بسیار مناسب میباشد و همچنین مقاومت کنترلگر با وجود اغتشاش خارجی و عدم قطعیت های موجود، خوب است.
  8. در سال ۲۰۰۹ استفاده از یک کنترلر لغزشی فازی تطبیقی مقاوم برای کنترل ۳ بازوی مکانیکی موازی سه آر تی[۷۶] استفاده شد][۷۷][. در این روش با توجه به مشخصات دینامیکی سه بازوهای موازی، کنترلگر فوق طراحی گردیده است و نتایج آن نشان میدهد که اگر چه عمل ردیابی در حالی که سامانه فوق با کنترل پی دی[۷۸] و زمانی که با کنترل لغزشی فازی تطبیقی مقایسه میشود، در هر دو مورد، دقت مناسب است اما عمل حذف اغتشاش در حالت استفاده از کنترل لغزشی فازی تطبیقی بهتر از پی دی میباشد، اما زمانی که پارامترهای کنترلگر ثابت باشد، کنترلگر پی دی عمل ردیابی را بهتر انجام میدهد.
  9. در سال ۲۰۰۹ کنترل آشوب با بهره گرفتن از کنترل لغزشی فازی تطبیقی بر روی سامانه پاندول معکوس معرفی گردید][۷۹][. در این پژوهش مشخصات همگرایی خطای ردیابی با بهره گرفتن از لم باربالت و تئوری لیاپانوف اثبات گردیده است. در این روش مشاهده میشود که تلاش کمتری برای پایدار سازی در یک مسیر پریودیک ناپایدار در مقایسه با یک مسیر مستقیم نیاز است.
  10. در سال ۲۰۰۹ از کنترل لغزشی فازی تطبیقی برای سامانه های زیر سطحی آبی استفاده شد][۸۰][. هدف در این پژوهش کم کردن درجه مدل دینامیکی جسم زیر آب و توسعه دادن سامانه کنترل در روش نامتمرکز و چشم پوشی از ترمهای کوپلینگ متقاطع میباشد. کران ها و مشخصات همگرایی در سامانه حلقه بسته با بهره گرفتن از تئوری پایداری لیاپانوف و لم باربالت اثبات گردیده است. مشاهده میشود که استفاده از الگوریتم فازی تطبیقی درون کرانهای معین شده باعث بهبودی رابطه بین عملکرد ردیابی و پدیده وزوز صورت میگیرد.
  11. در سال ۲۰۰۹ طراحی کنترل لغزشی فازی تطبیقی برای سامانه لرنز انجام شد][۸۱][. در این پژوهش از کنترلگر فوق برای پایدار سازی سامانه لرنز استفاده شده است. از قانون تطبیق برای معین کردن گین کنترل لغزشی استفاده میشود. بر اساس تئوری پایداری لیاپانوف، کنترلگر طراحی شده میتواند سامانه لرنز را به سمت حالت صفر هدایت نماید. همینطور نتایج ، نشان دهنده اثرات مثبت این کنترلگر میباشند.
  12. در سال ۲۰۰۹ سنکرون کردن جایروهای آشفته غیر خطی نامعلوم با بهره گرفتن از کنترل لغزشی فازی تطبیقی معرفی شد][۸۲][. در این پژوهش از کنترل لغزشی فازی تطبیقی برای سامانه فوق در زمانی که ورودی آن بصورت ناحیه مرده باشد، استفاده شده است. این روش در مقایسه باروش های قبلی این است که درآن نیاز به داشتن اطلاعات از ساختار جایروها و پارامترهای ناحیه مرده و نواحی دارای عدم قطعیت و اغتشاشات خارجی نیست. نتایج این تحقیق نشان داده است که روش فوق میتواند با دقت اثرات آشوب را خنثی کند.
  13. در سال ۲۰۰۹ استفاده از کنترل لغزشی فازی تطبیقی بهبود یافته بر پایه الگوریتم ژنتیک برای سامانه های غیر خطی پیشنهاد شد][۸۳][. نتایج این پژوهش نشان داده است که این روش در مقایسه با حالات بهبود نیافته دارای سرعت بالاتر و تاثیرگزاری بیشتربر روی سامانه های غیر خطی میباشد.
  14. در سال ۲۰۰۹ کاربرد کنترل لغزشی فازی تطبیقی در حالت مانور چرخشی برای یک فضاپیمای انعطافپذیر برسی گردید][۸۴][. در این پژوهش در مورد یکی از مشکلات کنترل لغزشی فازی تطبیقی در زمانی که فضاپیما در حالت مانور گردش با زاویه بزرگ میباشد، برسی شده است. از نتایج این پژوهش، مشاهده میشود که القاء تاخیر، اثرات جبرانسازی دارد و استراتژی معرفی شده در اینجا باعث کم شدن ارتعاششات کششی میشود. گام بعدی را میتوان استفاده از قانون کنترل گسسته زمان در نظر گرفت.