بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق یک طراحی کنترل مقاوم سیستماتیک و تجزیه و تحلیل برای یک سیستم موقعیتدهی دقیق تک محوره ارائه شده است. اثرات عدم قطعیت بر پایداری حلقه بسته و عملکرد در طراحی کنترلکننده مقاوم H مورد توجه قرار گرفته و همچنین برای تحلیل پایداری و کارایی مقاوم از تحلیل استفاده شده است. در این تحقیق برای دستیابی به پایداری مقاوم و حذف اغتشاش، یک کنترل کنندهی مقاوم در چارچوب مسألهی استاندارد بهینهسازی H فرموله شده و برای بهبود کارایی مناسب سیستم در عملکرد ردیابی، یک طراحی خاص انتگرال- H و کنترلکننده H دو درجه آزادیارائه شده است. با توجه به نتایج شبیهسازی بر روی سیستم موقعیتدهی مورد نظر نشان داده میشود که برنامههای طراحی پیشنهاد شده برای کنترل مقاوم و عملکرد ردیابی دقیق برای سیستم موقعیتدهی سرو بسیار موثر بوده و آن را بهبود میبخشد.
کلمات کلیدی: مسأله استاندارد H ، کنترل انتگرال- H ، کنترلکنندهی H دو درجه آزادی، سیستم موقعیتدهی سرو، تحلیل
.1 مقدمه
کنترل حرکت با دقت بالا در سیستمهای تولید پیشرفته امروز مانند ابزار و ماشین آلات، میکرو کنترلکنندهها، رباتهای نصب مسطح، تجهیزات تولید میکروالکترونیکها، میکرو-پردازش برای نیمه رساناها، دستگاههای اشارهگر نوری1، بازوهای مکانیکی و ماشینهای کنترل اتوماتیک چه در صنعتهای ساخت و یا در حیطههای پزشکی، نظامی، فضایی و غیره به یک نیاز ضروری تبدیل شده است. اولین چالش در کنترل حرکت با دقت بالا، حضور اصطکاک میباشد. این چالش یک مسأله پیچیده و یک پدیده غیرخطی است که تقریباً در هر سیستم مکانیکی بین قسمتهای در حال حرکت وجود دارد . علاوه بر این، دیگر نامعینیها که ممکن است به عنوان اثرات پارازیتی2 در نظر گرفته شود اغلب در سیستمهای دنیای واقعی حضور دارند. این اثرات عبارتند از: عدم قطعیت پارامتری، مانند تغییرات پارامتر به علت شرایط عملیاتی مختلف و تغییرات بار.
بعلاوه رشد تحقیقات در این زمینه و افزایش سریع در کاربردهای موقعیتدهی دقیق [9-1] خواستههای افزودهای بر روی سیستمهای موقعیتدهی با دقت بالا اعمال کرده است که در آن نیاز به دقت بالاتر در پهنای باند وسیعتر، بهبود پایداری مقاوم در برابر عدم قطعیتهای مختلف و پیشرفت بزرگ در عملکرد ردیابی از الزامات ضروری است. تنوع این برنامهها با شرایط عملیاتی مختلف، طراحیهای کنترل مقاوم برای مواجه شدن به الزامات را ایجاب میکند.کارها و پژوهشهای زیادی در زمینهیکنترل حرکت مقاومِ سیستمهای موقعیتدهی انجام شده است. از میان این پژوهشها، متون و مقالات مورد مطالعه، چند روش اصلی کنترل برای سیستمهای موقعیتدهی بخصوص سیستمهای موقعیتدهی سرو استخراج شده است که عبارتند از:
کنترل تطبیقی-مقاوم - ARC - 1، کنترل مود لغزشی مقاوم2، کنترل تعقیب مسیر دارای مشخصه نامی3، کنترل مقاوم مبتنی بر پیوند متقاطع4، کنترل یادگیری تکرار شونده5، کنترل مقاوم
- تئوریپسخورد کمّی - QFT - 6 مبتنی بر کنترل مقاوم، بهینهسازیH ، شکلدهی حلقه H ، روش نامساوی ماتریس خطی - - LMI - ، کنترل هوشمند - جبرانساز هوشمند اصطکاک، کنترل هوشمند مود لغزشی - .برخی از کارهای تحقیقاتی روی روشهای کنترل پسخوردH بهینه برای سیستمهای موقعیتدهی توسعه یافتهاست، که در آن میتوان با عدم قطعیتها به علت خطاهای مدلسازی، عوامل غیرخطی و اغتشاشات از طریق یک راه سیستماتیک برخورد داشت، همانند کارهای انجام شده در تحقیقات زیر:
کنترل نامیHاستاندارد برای سیستم چند ورودی-چند خروجی[10] 7، ترکیب مدل مرجع و کنترلکنندهی [11] H، کنترل مقاوم به همراه عدم قطعیتهای پارامتری با استفاده از تکرار DK برای ارزیابی مسأله بهینهسازی کنترل [12]، بهینهسازیH و کنترل پیشخور [13]،کنترل کننده شبه ترکیبیH 2 H که در محیط نامساویهای ماتریس خطی - LMI - 8 حل شده است [14]، طرح شکلدهی حلقهی گلور- مک فارلن [15] ، و فرموله کردن یک مساله بهینه کنترل چند-هدفهی دو درجه آزادی در .[16] LMI با این حال، انتخاب توابع وزنی لازم برای سنتز کنترلکننده مقاوم، هنوز یک الزام حیاتی و بحرانی است. علاوه بر این، عملکرد دقیق ردیابی را نمیتوان توسط کنترلکننده ساده H نامی و استاندارد، به دست آورد؛ در عین حال، به کار بردن روششناسی طراحی کنترلکنندهی بسیار پیچیده نیز مطلوب نیست.
به منظور غلبه بر مشکل اول، روشهای هوشمند برای طراحی تابع وزنی عدم قطعیت غیر ساختاریافته - یا خطایمدلسازی - جهت سنتز کنترل مقاوم H توسعه یافتهاند. ابزار کارآمد و قابل اعتماد بدست آمده است .[18 ,17] پیشرفتهای بیشتر نیز در آثار [20 ,19] با استفاده از تکنیک سیستم استنتاج تطبیقی فازی-عصبی - ANFIS - حاصل شده است. هدف این است که برای یک سیستم موقعیتدهی با دقت بالای تک محوره، کنترلکنندهی مقاوم H طراحی و شبیهسازی شود. از این رو میبایست محدودهی نامعینی به دقت و صرحاًی تخمین زده شود که از آن بتوان مستقماًی تابع وزنی نامعینی لازم را بدست آورد. کنترلکنندهی سنتز شده، سیستم را نسبت به نامعینیهای تخمین زده شده غیر حساس خواهد کرد در حالی است که یک عملکرد و کارایی مشخص دنبال شده و همچنین حاشیه پایداری بزرگتر برای کنترل کنندههای مقاوم، بدست میآید. که این حاشیه پایداری با استفاده از تحلیل بررسی شده است.
مسأله بهینهسازی حساسیت ترکیبی چند هدف مهم را مانند اثر متقابل چند متغیره در نظر نگرفته و باعث حذف صفر و قطب غیر ضروری میشود .[21] بنابراین سودمند است که کارآیی مقاوم را بهبود داد. این کار را میتوان با استفاده از برخی طرحهای عملی مانند حلقهی بسته به همراه عمل انتگرال یا سیستمهای کنترل دو درجه آزادی جهت بهتر کردن عملکرد ردیابی در عین حفظ قوام پایداری انجام داد. در طرح اول، عمل انتگرال خطای ردیابی را از بین برده در حالی که در طرح کنترلکنندهی دو درجه آزادی، کنترلکنندهی پسخورد طوری طراحی میشود که به مشخصات پایداری مقاوم و حذف اغتشاش دست یافت در حالی که کنترلکنندهی پیشخور برای پیروی دستورات مقاوم استفاده میشود. اجرای این طرحها،الزامات عملکرد و کارآیی ردیابی دقیق را بهبود میبخشد. همانطور که قبلا اشاره شده بود این بهبود با یک کنترل نامی Hساده قابل دستیابی نمیباشد.
در این تحقیق یک روند طراحی ارائه میشود که محدودههای عدم قطعیت تخمین زده شدهی هوشمند و توابع وزنی بهینه شدهی عملکرد را در کنترلکنندههای مقاوم H نظر میگیرد. دو طرح مختلف طراحی در چارچوب مسألهی استاندارد بهینهسازی H به منظور بهبود عملکرد ردیابی و برای برآورده کردن الزامات وضوح بالا فرموله میشود. تجزیه و تحلیل پایداری و اعمال روش روی یک سیستم موقعیتدهی با دقت بالای سرو در محیط نرمافزاری و شبیهسازی آن، درستی و صحت روش طراحی شده را مورد بررسی قرار میگردد. طراحی کنترلکنندهی مقاوم در چهار مرحله صورت میپذیرد: طراحی کنترلکنندهی نامی، ارائه دو طرح مختلف کنترل H ، جهت بهبود عملکرد ردیابی، شبیهسازی و مقایسه نتایج.
.2 مدلسازی و شناسایی مقاوم
.1 .2 مدلسازی و شناسایی
سیستم درایو تک محورهی تحت بررسی، دارای دو اینرسی بزرگ میباشد؛ یعنی اینرسی موتور و اینرسی میز که بوسیله یک ball screw بهم متصلاند. منابع اولیه الاستیسیته در سیستم، ball screw، کوپلینگ فلکس1 و پشتیبانهای یاتاقان2 می-باشند. یک مدل ساده شده از سیستم موقعیت دهی تک محوره در شکل 1 نشان داده شده است.
