بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله طراحی دو کنترلر کلاسیک و هوشمند برای یک محور از سکوی - پایدارساز - سه درجه آزادی مورد بررسی قرار گرفت. این سکو، برای یک شناور دریایی از پیش طراحی و ساخته شده است. مدلسازی این سکو با استفاده از روش کنترل مستقل مفاصل صورت گرفت. شبیهسازی و طراحی کنترلکننده این سکو در راستای محور پیچ با در نظر گرفتن ملاحظات عملی - اغتشاش، اصطکاک، عدم قطعیتهای ساختاری و غیرساختاری - به دو روش PID و مد لغزشی صورت گرفت و نتایج حاصل از ان مقایسه گردید. نتایج حاصل از این شبیهسازیها نشان میدهد، کنترلر مدلغزشی برتری قابل توجهی نسبت به کنترلر PID در ردیابی مسیر دارد.
.1 مقدمه
امروزه از سکوهای پایدار شده در حوزههای مختلف تجاری و نظامی استفاده میشود، که از آن جمله میتوان به صنایع هوایی، دریایی و سینمایی اشاره نمود. در صنایع دریایی از سازههای سه درجه آزادی پایدارشده برای کاربردهایی نظیر شناسایی و ردگیری اهداف توسط دوربین بر روی وسایل متحرک، پایدارسازی آنتنهای مخابراتی، پایدارسازی سنسورهای ناوبری، پایدارسازی تسلیحات و ... استفاده میشود.
از مهمترین و اساسیترین مسائلی که در عکسبرداری توسط دوربین از روی یک شناور دریایی تندرو مد نظر قرار میگیرد، ایجاد قابلیت عکس برداری از تمام جهات و همچنین جلوگیری یا کاهش محو شدگی تصویر ضمن فیلم برداری در حال حرکت، میباشد. سکوی سه درجه ازادی به دستگاه متصل به خود - برای مثال دوربین - اجازه میدهد که بصورت آزادانه در یک جهت حرکت کند. هرچه تعداد حلقههای سکو - تعداد لینکها - بیشتر شوند، دستگاه قادر به پوشش جهتهای بیشتری خواهد بود. سکو با سه درجه آزادی، که در این پژوهش مورد بررسی و پایدارسازی قرار خواهد گرفت، دارای سه درجه آزادی در زاویههای رول، پیچ و یاو خواهد بود
شکل - 1 بخش های سکو و قطعات سوار بر آن
تاکنون در زمینه مدلسازی کنترل سکوها در ایران پژوهشهای بسیار اندکی انجام شده است. مدلسازی، کنترل و شبیهسازی یک سروسیستم کنترلی آبشاری برای مکانیزم سکو با یک درجه آزادی در [1] مورد بررسی قرار گرفته است، در [2] به مدلسازی ریاضی یک صفحه پایدار ژیروسکوپی سه محوره پرداخته شده و کنترل صفحه پایدار ژیروسکوپی سه محوره دوربین به کمک کنترل کننده تناسبی –انتگرالی-مشتقگیر* غیرخطی در [3] مورد بررسی قرار گرفته است.
در [4] به ارائه روشی جهت ارزیابی و آزمون پارامترهای نشانه روی سرومکانیزم دو درجه آزادی پایدار شده به وسیله ژیروسکوپ پرداخته شده است. همچنین مدلسازی و کنترل مقاوم یک سکو با دو درجه آزادی در [5] مورد بررسی قرار گرفته شده است. پژوهشها و تحقیقات متفاوتی بر روی سکوهایی با سه درجه آزادی در خارج صورت گرفته است .
در [6] به طراحی یک کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتق گیر خود تنظیم برای سکو با سه درجه آزادی پرداخته شده است. پایداری یک سکو با سه درجه آزادی در [7] بررسی شده است. در [8] به بررسی مدل دینامیکی و کنترل پذیری یک سکو سه محوره و پس از آن کنترل مکانیزم توسط کنترل کننده LQR پرداخته شده است. مدلسازی و طراحی سکوی سه محوره در [9] ارائه شده است. آنالیز دینامیکی و ریاضی سیستم پایدارساز با سه درجه آزادی با استفاده از معادلات دیفرانسیل در [10] ارائه شده است. همچنین یک مدل ساده پایدارساز با سه درجه آزادی جهت استفاده برای فیلمبرداری در هواپیماهای کوچک در [11] معرفی شده است.
در [12] روشی جهت تنظیم خودکار کنترل کننده مبتنی بر مدل برای پایدارساز سه محوره معرفی و ارائه شده است. در پژوهش [13] به ارائه یک مدل برایسکو پرداخته شده، و سپس به شناسایی و کنترل مدل پیشنهادی پرداخته شده است. پایدارسازی مود لغزشی یک سکوی سه محوره در [14] مورد بررسی قرار گرفته شده است.
همچنین در [15] با استفاده از روش خطی سازی فیدبک حالت و کنترل مود لغزشی تطبیقی به کنترل سروسیستم جیمبال با سرعت پایین پرداخته شده است. در [16] به طراحی یک حلقه کنترلی پایدارساز با استفاده از LQG/LTR برای سیستم جیمبال با دو درجه آزادی پرداخته است. در [17] به بررسی عملکرد یک جیمبال چهار درجه آزادی بر اساس تنظیم خودکار و تطبیقی جیمبال پرداخته شده است. از دیگر روشهای پایدار سازی و کنترل دوربین سوار بر جیمبال با سه درجه آزادی، استفاده از کنترلکننده PID بهینه شده توسط الگوریتمهای بهینهسازی تکاملی میباشد
در این پژوهش در بخش 2 با کمک مدلسازی دقیق ریاضی ابتدا معادلات دینامیکی و سینماتیکی یک سکوی سه درجه آزادی برای چرخش در راستای پیچ استخراج شده و در بخش 3 به طراحی کنترلر PID و مد لغزشی میپردازیم. و در بخش 4 نتایج حاصل از شبیهسازیها ارائه میشود.
.2 استخراج معادلات سینماتیکی و دینامیکی
در این بخش به معرفی معادلات سینماتیکی و دینامیکی یک سیستم چندجسمی* میپردازیم و در ادامه با استفاده از این قواعد سکو مود نظر را تحلیل میکنیم.
.1.2 معادلات سینماتیکی یک سیستم چند جسمی
در این پژوهش متغیر مفصلی مربوط به مفصل ام را با نشان میدهیم. ماتریس انتقال همگن - - موقعیت دستگاه ام را در دستگاه ام بیان کند.در این حالت تابعی از متغیرهای مفصلی میباشد.
با انتخاب اصولی و سیستماتیک دستگاه محورهای مختصاتی را به رابط ها وصل میکنیم. و با استفاده از قرارداد دناویت هارتنبرگ در[19]، ماتریس انتقال همگن از یک رابط به رابط دیگر را بدست میاوریم.
