بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله، یک کنترلکننده -PID فازی به منظور حل مسئله ردیابی یک مسیر مطلوب برای ربات نگهبان مرزی دو لینکی پیشنهاد شده است. ضرایب کنترل کننده PID توسط یک سیستم فازی با مجموعههای گوسی به صورت برخط و بدون نیاز به پارامترهای مدل تنظیم میگردد. در نهایت با پیادهسازی عملی کنترلکننده پیشنهادی توسط سخت افزارهای مناسب بر روی ربات نگهبان مرزی و بررسی و مقایسه نتایج حاصل از این کنترلکننده با کنترلکننده PID کلاسیک، موفقیت کنترلکننده پیشنهادی نشان داده شده است.
.1 مقدمه
به طور حتم یکی از مهمترین عوامل نظامی در هر کشوری استفاده از سیستمهای هوشمند رباتیک در صنایع دفاعی آن است. جنگهای عصر جدید به جای نفر به نفر بودن و رو در رو کشته شدن و برای حفظ جان انسانها، به سمت ربات-ها میل پیدا کردهاند.
رباتهای نظامی،عمدتاً برای شناسایی اهداف استفاده میشوند و کنترل این رباتها از اهمیت بسزایی برخوردار است. کنترلکننده PID از رایجترین نمونههای الگوریتم کنترل بازخوردی است که به دلیل سادگی ساختار و تعداد کم پارامتر قابل تنظیم، یکی از مشهورترین و پرکاربردترین کنترلکنندهها در صنعت به حساب میآید.
از مزایای کنترلکنندههای PID از نقطه نظر کارایی، میتوان به توانایی آنها در حذف خطای حالت ماندگار و ردیابی ورودی مرجع سیستم تحت کنترل اشاره کرد. اما، سیستمهای واقعی غیرخطی بوده و کنترل این سیستمها با روشهای کلاسیک کنترل خطی مانند کنترلکننده PID دارای دقت کمتر بوده و رسیدن به عملکرد کنترلی مطلوب در حضور نامعینیهای پارامتری و غیر پارامتری و سیستمهای تاخیردار، امری دشوار میباشد. به منظور دستیابی به عملکرد مطلوب، استفاده از کنترلکنندههای هوشمند و تلفیق آنها با کنترلکنندههای کلاسیک مطرح میشود.
از جمله این کنترلکنندهها، کنترل فازی است. کنترلکنندههای فازی که بر مبنای منطق فازی بنا شدهاند، رویکرد کنترلی موفقی برای بسیاری از سیستمهای غیرخطی پیچیده یا حتی غیر تحلیلی میباشند. مجموعههای فازی، توانایی تعمیم بسیار بالایی دارند.
این مجموعهها به مدلسازی دقیق ریاضیاتی از فرایند نیازمند نیستند. آنها تقریبزنندههای عمومی هستند و قادرند سیستمهای واقعی را با وجود پیچیدگی، از روی دادههای تجربی و بر اساس محاسبات عددی، با دقت خاصی تقریب بزنند؛ بنابراین برای طراحی سیستمهای کنترل غیرخطی با دینامیک نامشخص مناسب میباشند. در سالهای اخیر، محققان بسیاری، از سیستمهای فازی در کنترل پروسههای غیرخطی استفاده نمودهاند و نتایج رضایتبخشی بدست آوردهاند
در [1]، برای کنترل یک در اتوماتیک از یک کنترلکننده فازی استفاده شده است. نتایج تحلیلها نشان داده که کنترلهای انجام شده با منطق فازی، در زمان کمتر و با اطمینان بیشتر نسبت به کنترلهای معمولی عمل میکند. برای بهره بردن همزمان از مزیتهای هر دو نوع کنترلکننده، اولین گزینه ترکیب این دو کنترلکننده میباشد. یکی از اولین کارها در زمینه کنترل ترکیبی در [2] آمده است. در این مقاله، ضمن بیان محدودیتهای کنترلکننده فازی، یک مکانیزم سوئیچینگ برای ترکیب دو کنترل فازی نوع PI و PD بکار برده شده و نشان داده است که با ترکیب آنها، کنترلکننده نهایی از نظر پایگاه قوانین سادهتر و دارای قوانین کمتر میباشد.
در [3]، از کنترلکننده -PID فازی خود تنظیم برای بهبود عملکرد سیستم کنترل هواپیما استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیهسازیها حاکی از کنترل اثر اختلال و عملکرد رضایتبخش کنترلکننده -PID فازی در مقایسه با کنترلکننده PID معمولی است.
در [4] و [5]، عملکرد بهتر کنترلکننده -PID فازی و -PID فازی درجه کسری برای کنترل سرعت موتور DC، در بخشهای بالازدگی، زمان صعود، زمان نشست و خطای حالت ماندگار در مقایسه با کنترلکنندههای PID، PID درجه کسری و PID خود تنظیم نشان داده شده است.
در [6] و [7]، برای کنترل موقعیت یک بازوی ماهر رباتیکی، از کنترلکننده -PID فازی استفاده شده است. برای اثبات عملکرد کنترلکننده از یک کنترلکننده PID و یک کنترلکننده فازی استفاده شده و نتایج شبیهسازیها مقایسه شده که حاکی از خطای حالت ماندگار کمتر برای کنترلکننده -PID فازی است.
در [8] و [9]، یک سیستم کنترل سطح آب آورده شده است. ابتدا کنترلکننده PID برای تخمین خطای حالت ماندگار پیادهسازی شده و سپس از کنترلکننده منطق فازی استفاده شده است. مقایسه نتایج شبیهسازیها نشانگر زمان نشست سریعتر، ردیابی بهتر، خطای مطلق، بالازدگی و مربع خطای وابسته به زمان کمتر و عملکرد بهتر کنترلکننده فازی است.
در این مقاله برآنیم تا مناسب بودن کنترلکننده -PID فازی را جهت حل مسئله ردیابی ربات دو درجه آزادی بررسی کنیم. روش کنترلی ارائه شده دارای یک بخش کنترلکننده PID و یک بخش سیستم به روزرسانی بر خط بهرههای این کنترلکننده میباشد. در سیستم تنظیم ضرایب با توجه به خاصیت تخمین جهانی توابع گوسی از این توابع بهره برده شده است. برای افزایش بازده عملیات تخمین ضرایب، تمرکز این توابع را حول نقطه صفر در نظر گرفته ایم. کنترلکننده پیشنهاد شده به صورت عملی بر روی ربات نامبرده اعمال شده و نتایج رضایت بخشی حاصل گردیده است.
در این مقاله، ابتدا در بخش 2 به معرفی کنترلکننده PID و طراحی کنترلکننده -PID فازی میپردازیم. در بخش 3، بعد از معرفی ربات نگهبان مرزی و بیان ساختار مکانیکی آن و نیز سخت افزار کنترلکننده و راه انداز موتور ربات، مدل سینماتیکی آن را به دست میآوریم. سپس به پیادهسازی کنترلکنندهها روی ربات مذکور و مقایسه نتایج آن میپردازیم. نهایتا در بخش 4، نتیجهگیری کلی و در بخش 5، مراجع ارائه میگردد.
.2 کنترل کننده
در این بخش کنترلکنندههای PID کلاسیک و PID خود تنظیم مبتنی بر منطق فازی ارائه خواهد شد. در کنترل کلاسیک، کنترلکننده PID یک استراتژی کنترلی برای سیستمهای خطی ثابت با زمان میباشد که منجر به پایداری و بهبود عملکرد سیستم میشود. اما به هرحال جهت اعمال یک کنترلکننده PID به یک سیستم غیرخطی مانند ربات نگهبان مرزی، میتوان از قابلیتهای همزمان کنترلکننده PID و سیستمهای فازی بهره برد، بطوریکه بتوان بهرههای PID را در هر لحظه با یک سیستم فازی بصورت برخط تنظیم و بهروز رسانی نمود.
2؛.2 کنترلکننده -PID فازی
در این مقاله، منطق فازی به عنوان مکمل کنترلکننده PID مورد استفاده قرار میگیرد. همانگونه که در بلوک دیاگرام ارائه شده در شکل 1 نشان داده شده است
شکل :1 بلوک دیاگرام کنترلکننده پیشنهادی برای ربات نگهبان مرزی
کنترلکننده فازی که در اینجا استفاده شده، بیشتر به عنوان کنترلکننده فازی مبتنی بر خطا شناخته میشود که در آن، ورودیها، خطا و مشتق خطای سیستم میباشند. ورودیهای سیستم فازی ابتدا توسط توابع عضویتی که برای آن در نظر گرفته میشود، به صورت فازی در آمده و سپس با توجه به مجموعه قوانینی که برای سیستم فازی در نظر گرفته می-شود، استدلالی تقریبی بر روی ورودیها صورت گرفته و سیستم فازی، خروجی مورد نظر را تولید مینماید. قوانین استفاده شده برای سیستم فازی در این مقاله به صورت زیر میباشد:
که P و Q به ترتیب مجموعه های فازی تعریف شده روی e و e و R ، مجموعه فازی روی خروجی سیستم فازی است.
