بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله هدف طراحی یک سیستم کنترلی ردیاب باتحمل عیب عملگری برای یک نمونه هواپیما F-16 است. به دلیل اینکه در این نوع سیستمها عملگرهای هواپیما بیشتر دچار عیب و آسیب میشوند تشخیص و جداسازی عیوب عملگری و طراحی کنترلکننده باتحمل عیب عملگری بیشتر حائز اهمیت است بدین منظور از روش ترکیبی بر اساس روش کنترلی بهینه LQR و کنترلی مقاوم - LMI - استفاده شده است تا قابلیت اعتماد سیستم کنترلی افزایش یابد. کنترلکننده یکپارچه به این صورت است که ابتدا کنترلکننده بهینه LQR طراحیشده و سپس از کنترل مقاوم در برابر عیوب عملگری بهصورت تغییر بهره استفاده شده است.
برای این کار بهمنظور تخمین بهره عملگر از رویتگر استفاده شده است. پایداری روش طراحیشده بر اساس قضیه لیاپانف و LMI بیان شده است. نتایج شبیهسازی در محیط مطلب برای این نوع هواپیما، کارآمدی و سودمند بودن سیستم کنترل ردیاب باتحمل ارائهشده را در حوزهی سیستمهای هوافضایی نشان میدهد
.1 مقدمه
طبق مطالعات انجامشده درزمینه قابلیت اطمینان، حدود 80 درصد حادثههای پرواز حاملهای هوایی بدون سرنشین به دلیل عیوب نیروی محرکه، سطوح کنترل پرواز یا حسگرها، اتفاق میافتد.[1] برای اینکه حاملهای هوایی بدون سرنشین بتوانند به مأموریت خودشان ادامه دهند ضروری است عیبها در سیستم قبل از اینکه باعث شکست شوند شناسایی گردند. بهطور کلاسیک، افزونگیهای سختافزاری برای شناسایی عیب مورداستفاده قرار میگرفتند.
حتی اگر این روشها بهصورت گسترده در سیستمهای هوافضا باقی میماند هزینهها و وزن اضافی آنها مانع استفاده در کاربردهای نظامی میشد. بنابراین روشهای افزونگی تحلیلی بهجای افزونگی سختافزاری برای شناسایی عیب مورداستفاده قرار میگیرد و از طریق اصلاح روشکنترلی سیستم به کارکرد خودش ادامه میدهد. شناسایی عیبعموماً بهوسیله ترکیب کردن سیگنال باقیمانده و استراتژی ارزیابی باقیمانده برای گرفتن تصمیمی که آیا عیب اتفاق افتاده است یا نه، تشکیل میشود.
در سیستمهای بزرگ هر عنصری بهمنظور خاصی طراحی گردیده است و کل سیستم تنها در صورتی به شکل مطلوب کار خواهد کرد که تمامی اجزای مورد نیاز آن بهصورت صحیحعمل کنند. معمولاً وقوع عیب در یک جز عملکرد کل سیستم را تحت تأثیر قرار میدهد؛ اما بهمنظور جلوگیری از کار افتادن سیستم و یا کاهش کارایی آن وقوع اینچنین عیبها در اسرع وقت بر اساس انواع روشهای تشخیص و جداسازی عیبها، شناسایی شوند و تدابیری از انتشار آنها در سراسر سیستم اتخاذ گردد.
سیستم کنترلی تحملپذیر خطا میتواند ما را به چنین هدفی برساند و عملکرد خود را حتی در صورت وقوع هرگونه عیب همچنان نزدیک به شرایط مطلوب حفظ نماید. در چنین سیستمهایی با تطبیق پیدا کردن کنترلکننده و سیستم دارای عیب، عملکرد سیستم دوباره به حالت مطلوب باز میگردد . کنترلکننده تحملپذیر عیب توانایی عمل مناسب در شرایط بروز عیب و تطبیق پیدا کردن با شرایط جدید سیستم را دارا است. سیستمهای کنترلی تحملپذیر عیب به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم میشوند
در دسته کنترلکنندههای فعال، پس از بروز عیب، کنترلکننده بر اساس شناسایی عیب رخداده مجدداً طراحیشده و یا تجدید ساختار مییابد، حال آنکه کنترلکنندههای تحملپذیر عیب فعال تنها قابلیت تحمل چند عیب مشخص و از پیش تعیینشده را دارا میباشد. در سالهای اخیر تحقیقات بسیار زیادی در زمینه سیستمهای کنترلی تحملپذیر عیب انجام شده است. به عنوان نمونه میتوان به طراحی کنترلکننده PID غیرفعال تحملپذیر خطا برای سیستم شبیهسازیشده کنترل سطح دو تانک آب متصل به هم در [5] اشاره کرد.
در [6] به تخمین هوشمند متغیرهای حالت برای طراحی کنترلکننده پیشبین غیرخطی پرداخته شده است که با استفاده از بهینهسازی دینامیکی غیرخطی و با کمک فیلتر کالمن تعمیمیافته به بیان روش نوینی برای جداسازی عیب و تعیین پارامترهای جدید مربوط به کنترلکننده پیشبین غیرخطی میپردازد.
طراحی سیستمهای کنترل باتحملعیب برای سیستمهای هوافضایی از طرف جامعه پژوهشان توجه زیادی را به خود جلب کردند به همین دلیل پیشرفتهای قابل توجه ای در دههی گذشته در این زمینه شده است. بیشتر تکنیکهای موجود بر روی اطلاعات پرواز واقعی یا سیستمهای هوافضا در دنیای واقعی مورد آزمایش و تائید قرار گرفتند. علاوه بر اهمیت این موضوع از نقطه نظر عملی، مسیرهای تحقیقاتی زیادی را به چالش میکشد
کنترلکننده باتحمل عیب غیرفعال از تکنیکهای مربوط به کنترل مقاوم استفاده میکند تا بتواند سیستم حلقه بسته را به یک سری عیبهای مشخص غیر حساس کند بهمنظور اینکه سیستم دارای عیب بتواند با همان کنترلکننده و همان ساختار به عملکرد خودش ادامه یابد
این شیوه به طور کلی دارای دو انگیزه است. - 1 بهکارگیری یک جبرانگر ثابت که هم بتواند در نرمافراز و سختافرازهای سادهتر قابل استفاده باشد و هم برای کاربردهای بیشتری قابل اجرا باشد. - 2 تئوری قابلیت اطمینان کلاسیکی آن را بیان کند.
اگر شکستی در کانالهای کنترل ظاهر شود سیستم کنترل باتحمل عیب با استفاده از مجموعهای از کنترلکنندهها طراحی میشوند که هریک از آنها قادر است سیستم را برای حالت شکست خاص پایدار سازد.
کنترل باتحمل عیب غیرفعال با استفاده از روشهای کنترل مقاوم متفاوتی طراحی میشوند این روشها عبارتاند از: تئوری فیدبک کمی، روشبهینه سازی نرم [10] H، سنتز ، کنترل خطی درجه دوم [11]، کنترل ساختار متغیر.[12] در [13] نشان داده شده است که کنترل مد لغزشی بدون نیاز به واحد تشخیص و جداسازی عیب میتواند کارکرد سیستم را در وضعیت مطلوب در حضور عیبهای خاص نگه دارد. روشهای غیرفعال برای موارد محدودی مناسب هستند و ساختار کنترلی آنها ساده برای پیادهسازی، مشکل برای در نظر گرفتن تعداد زیادی از عیبها، ناتوان در قبال عیبهای پیشبینی نشده و بسیار محافظهکارانه است.
در مقابل کنترل باتحمل عیب غیرفعال بهجای تکیه بر یک کنترلکننده ثابت برای همه شرایط قابلتصور، کنترل باتحمل عیب فعال به شکست و عیب شناساییشده واکنش نشان میدهد. این واکنش بهصورت بازسازی سیستم کنترل جدید با خواص مطلوبی از کارایی و مقاوم بودن که در سیستم اصلی مهم بودهاند، صورت میگیرد.[19]-[14] بهمنظور دسترسی به پیکربندی مجدد یا بازسازی کردن کنترل فیدبک، کنترل باتحمل عیب فعال به دانش اولیهای از انواع عیوب یا مکانیزمی برای تشخیص و جداسازی عیوب غیرمنتظره نیازدارد. معمولاً یک سیستم کنترل باتحمل عیب فعال از سه زیرسیستم شامل واحد تشخیص و جداسازی عیب، مکانیزم پیکربندی مجدد کنترلکننده و کنترلکننده قابل تنظیم تشکیل میشود. همه این سه زیرسیستم باید بهصورت هماهنگ و با محدودیتهای زمانی واقعی کار کنند تا یک سیستم کنترل باتحمل عیب مؤثر به دست آید .
دو شیوه کلی برای طراحی کردن مراحل طراحی کنترل در نظر گرفته میشود. شیوه اول به این صورت است که یک بانکی از کنترلکننده بهصورت آفلاین طراحیشده و ذخیرهشدهاند و بر اساس تصمیمهای واحد تشخیص و شناسایی عیب کنترلکننده مناسب انتخاب میشود
در شیوه دوم کنترلکننده بهصورت آنلاین و همزمان طراحی و اعمال میگردد .[23]-[21] سیستم کنترل باتحمل عیب فعال با استفاده از روشهای مختلفی مورد بررسی قرار گرفتند این روشها عبارتاند از: خطی سازی فیدبک، برنامهریزی مجدد قانون کنترل، مدلهای چندگانه، کنترل تطبیقی [24]، کنترل پیشبین مدل[25]، تخصیص ساختار ویژه و نامعادله ماتریسی خطی - LMI -
سیستمهای خبره و شبکههای عصبی بر اساس شیوههای کنترل باتحمل عیب توسعه یافتهاند و به سیستمهای هوافضا اعمال میشوند[28] و .[18] بنابراین سیستمهای کنترل باتحمل عیب فعال در برابر تعداد زیادی از عیبها توانا هستند و برای تعداد معینی از عیبهای غیرقابل پیشبین میتوان بیان کرد و همچنین بین پایداری و عملکرد سیستم مصالحه ایجاد میکند.
روش استفادهشده در این مقاله یک سیستمکنترل باتحمل عیب فعال برای عیوب محرکه و بهصورت آنلاین میباشد. از این روش تاکنون برای سیستمهایهوافضا مخصوصاً هواپیما F_16 استفاده نشده است. برای طراحی کنترل باتحمل عیب عملگری از روش ترکیبی بر اساس روش کنترلی مشابه کنترل بهینه LQR و کنترلی مقاوم - LMI - استفاده شده است. کنترلکننده یکپارچه به این صورت است که ابتدا کنترلکننده بهینه LQR طراحیشده و سپس از کنترل مقاوم در برابر عیوب عملگری بهصورت تغییر بهره استفاده شده است. همگرایی روش طراحیشده بر اساس قضیه لیاپانف و LMI بیان شده است. نتایج شبیهسازی کارآمدی روش پیشنهادی را در حوزه سیستمهای هوافضا نشان میدهد.
.2 ملزومات مقاله
.1-2 خطیسازی تابع تبدیل معادلات هواپیمای F-16
در این مقاله مدل کلی دینامیکی هواپیما F-16 مطابق با گزارش ناسا در نظر گرفته شده است. هواپیما F-16 بهعنوان مدل خاص هواپیما انتخاب شده است که پارامترهای مدل دینامیکی آن در [29] در قالب یک سری از جداول و پارامترهای فیزیکی و مدل آن بهصورت خاص در [30] ارائه شده است.
