بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، برای کنترل زیر دریایی از روش ADRC استفاده میگردد. روش پیشنهادی به اطلاعات زیادی از مدل زیردریایی نیاز نداشته، سیگنالهای اندازهگیری مورد نیاز برای کنترل را کمینه کرده و اثر اغتشاش خارجی و عدم قطعیّتهای مدل را در نظر میگیرد.
روش طراحی ADRC که میتوان آنرا جزء روشهای تطبیقی و مقاوم دستهبندی کرد، یکی از الگوریتمهای بسیار کارآمد برای برخورد با عدم قطعیّتهای مدل و اغتشاشات است. این روش طراحی، از یک تخمینگر حالت توسعه یافته بهره میگیرد که تا حدود زیادی میتواند اهداف موجود در این مقاله را برآورده سازد. این تخمینگر حالت توسعه با دریافت اطلاعات ورودی و خروجی سیستم، حالتها و بخشهای نامعلوم مدل را تخمین میزند.
-1 مقدمه
زیردریایی دارای دینامیکی به شدّت غیرخطّی بوده و رفتار آن تحت تأثیر اغتشاشات فراوانی قرار دارد. یک جسم زیردریایی دارای شش درجه آزادی بوده که سه درجه مربوط به موقعیّت1 و سه درجه مربوط به جهت2 آن میباشد. در مرجع [1] مدل بسیاری از اجسام دریایی نظیر کشتیها، شناورهای سطحی و اجسام زیردریایی بدست آمده و به تفصیل جزئییات هر مدل بیان شده است. در بسیاری از مراجعی که مربوط به طراحی کنترل-کننده برای سیستمهای زیردریایی میباشند، مدل مورد بررسی از مرجع [1] انتخاب شده است.
مدلی که در این مقاله مورد بررسی خواهد گرفت مربوط به یک جسم زیردریایی شش درجه آزادی بوده که برای کنترل این جسم، شش ورودی در دسترس میباشد. بنابراین سیستم دارای شش ورودی و شش خروجی بوده و یک سیستم چند متغیّره تلقّی میگردد. از ورودیهای سیستم، سه مورد از جنس نیرو بوده و موجب ایجاد حرکت خطّی میشوند. سه مورد نیز از جنس گشتاور بوده و حرکتهای دورانی را در پی خواهند داشت
خواص غیرخطّی مدل زیردریایی و رفتار پراغتشاش محیط دریا باعث میشود که کنترل موقعیّت و جهت این اجسام با دشواریهای فراوانی همراه باشد.[1-3] در مرجع [3] یک کنترلکننده مد لغزشی3 تطبیقی فازی برای کنترل موقعیّت یک جسم زیردریایی پیشنهاد شده است. در این مرجع از خاصیّت مقاوم بودن روش مد لغزشی استفاده شده و برای از بین اثر Chattering از تنظیم مناسب لایههای مرزی4 استفاده شده است. همچنین در این مرجع برای جبران اثرات عدم قطعیّتهاب مدل و اغتشاشات خارجی از یک الگوریتم تطبیقی فازی استفاده شده که باعث افزایش کارایی سیستم حلقه بسته شده است. از محدودیّتهای موجود در این روش این است که تنها موقعیّت زیردریایی کنترل شده و جهت زیردریایی مد نظر نمیباشد.
مرجع [4] کنترل زیردریایی را در یک صفحه عمودی بررسی نموده و با استفاده از فیدبک خروجی طراحی کنترلکننده صورت گرفته است. در این مرجع برای دستیابی به جهت مرجع، از مسیر مطلوب داده شده استفاده شده و مختصّات مرجعی برای تولید جهت مرجع بدست آمده است. سپس مدل غیرخطّی حول مسیر مرجع خطّیسازی شده و کنترلکننده استاتیکی طراحی شده است. از نواقص روش پیشنهادی میتوان به استفاده از مدل خطّی و محدود بودن فضای مانور زیردریایی اشاره کرد. همچنین الگوریتم طراحی شده نسبت به اغتشاشات خارجی و عدم قطعیّتهای مدل مقاوم نمیباشد.
در مرجع [5]با استفاده از روش طراحی غیرخطّی تطبیقی کنترلکنندهای طراحی شده که میتواند زیردریایی را به سمت زوایای Pitch، Yaw و عمق از پیش تعیین شده هدایت کند. کنترلکننده طراحی شده تنها برای مانورهای خاصّی بوده و نسبت به عدم قطعیّتهای پارامتری و اغتشاشات خارجی مقاوم میباشد. یکی از نقاط مثبت روش پیشنهادی این است که از یک رویتگر حالت برای تخمین سرعتهای خطّی استفاده شده که این موضوع، هزینههای استفاده از سنسور را تا حدود زیادی کاهش میدهد.
مرجع [6]نیز یک روش غیرخطّی را برای کنترل عمق زیردریایی پیشنهاد داده است. بر خلاف بسیاری از روشهای موجود برای کنترل عمق زیردریایی که محدود بودن زاویه Pitchدر زمان مانور از فرضیّات اساسی آنها است[7-8,1]، در [6] این فرض محدود کننده برطرف شده و با انجام اصلاحاتی، کنترل عمق زیردریایی صورت گرفته است.
دینامیک پیچیده و غیرخطّی حاکم بر رفتار زیردریایی باعث شده که برخی مراجع از ابزارهایی نظیر شبکههای عصبی مصنوعی1 و منطق فازی برای دستیابی به اهداف کنترلی خود بهره ببرند.[9-16] مرجع [9] مروری بر تحقیقات صورت گرفته در زمینه کنترل و هدایت اجسام زیردریایی با استفاده از شبکههای عصبی را نشان میدهد. در این مرجع روشهای مختلف دستهبندی شده و ارزیابی عملکرد هر روش از جنبههای مختلف بررسی شده است.
مرجع [10] با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی که با تکنیکهای تطبیقی ترکیب شده است، کنترلکنندهای طراحی شده که میتواند تمام متغیّرهای زیردریایی را اعم از موقعیّت و جهت کنترل کند. شبکه عصبی مورد استفاده از نوع RBF2 بوده که برای مدلسازی بخشهای نامعلوم دینامیک سیستم و اغتشاشات خارحی مورد استفاده قرار گرفته است. طراحی کنترلکننده و اثبات پایداری سیستم حلقه بسته با بکارگیری نظریّه لیاپانف صورت گرفته و از معایب روش پیشنهادی، نیاز آن به تمام حالتهای سیستم است. بعبارتی موقعیّت، جهت، سرعتهای خطّی و زاویهای همگی معلوم و در دسترس فرض میشوند که این موضوع میتواند از لحاظ عملی با
محدودیّتهایی مواجه باشد.
در مرجع [11]، با استفاده روش مد لغزشی برای ردیابی مسیر مرجع توسط زیردریایی مورد استفاده قرار گرفته که از شبکههای عصبی برای جبران اثر بخشهای مدل نشدهی دینامیک بهره گرفته شده است. شبکهی عصبی در واقع بخشهای نامعلوم را به صورت برخط تخمین زده و در اختیار الگوریتم کنترلی قرار میدهد. متغیّر کنترلی در نظر گرفته شده نیز تنها عمق زیردریایی میباشد.
به طور خلاصه، محدویتهای موجود در مراجع مختلف را میتوان به صورت زیر دسته بندی کرد،
- مدل زیردریایی ساده در نظر گرفته شده است.
- اطلاعات زیادی برای دستیابی به اهداف کنترلی در دسترس فرض میشوند.
- طراحی کنترلکننده محدود به مانورهای خاصّی بوده و تنها تعدادی ازمتغیّرهای زیردریایی کنترل می-شوند.
- در صورت مقاومسازی روش پیشنهادی، پیچیدگیهای محاسباتی زیادی وارد الگوریتم کنترلی شده که میتواند از لحاظ عملی محدودیّت به حساب آید.
در این مقاله، هدف این است که برای دستیابی به روشی کنترلی مناسب، الگوریتمی معرفی شود که محدویت-های بیان شده در بالا را از بین ببرد. بعبارت دیگر ویژگیهای اصلی الگوریتم عبارتند از، به اطلاعات زیادی از مدل زیردریایی نیاز نداشته باشد.
سیگنالهای اندازهگیری مورد نیاز برای کنترل ، کمینه گردد و در نتیجه تعداد سنسور مورد نیاز بهینه گردد. کنترلکننده محدود به مانور خاصّی نبوده و بتواند هر نوع مسیر مرجع مطلوبی را دریابی کند.
اثر اغتشاش خارجی و عدم قطعیّتهای مدل را از بین ببرد.
پیچیدگیهای محاسباتی زیادی نداشته و برای پیادهسازی عملی مناسب باشد.
برای دستیابی به اهداف بیان شده در بالا، باید الگوریتمی معرفی گردد که - 1 توانایی تخمین حالت را داشته باشد که بتواند بسیاری از سیگنالهای مورد نیاز را تخمین بزند، - 2 نسبت به عدم قطعیّتهای مدل و اغتشاشات خارجی مقاوم باشد. این ویژگیها را میتوان در الگوریتم کنترلی ADRC1 پیدا نمود
روش طراحی ADRC که میتوان آنرا جزء روشهای تطبیقی و مقاوم دستهبندی کرد، یکی از الگوریتمهای بسیار کارآمد برای برخورد با عدم قطعیّتهای مدل و اغتشاشات است. این روش طراحی، از یک تخمینگر حالت توسعه یافته2 بهره میگیرد که تا حدود زیادی میتواند اهداف موجود در این مقاله را برآورده سازد. این تخمین-گر حالت توسعه با دریافت اطلاعات ورودی و خروجی سیستم، حالتها و بخشهای نامعلوم مدل را تخمین می-زند. جزییات روش در فصول دوم و سوم به تفصیل بررسی خواهند شد.
به طور خلاصه، هدف کلّی این است که محدودیتهای موجود در روشهای طراحی شده قبلی با استفاده از روش ADRC از بین برده شود. در بخشدوّم، ابتدا مقدمّات لازم از الگوریتم ADRC بیان شده و معرفی مختصری از آن صورت خواهد گرفت. در بخش سوم نیز معادلات دینامیکی زیردریایی به تفصیل بیان شده و به گونهای این معادلات بازنویسی خواهند شد که روش ADRC قابل اعمال باشد. سپس طراحی کنترلکننده و اثبات پایداری آن ارائه میگردد. بخش چهارم نتایج شبیهسازی را در برداشته و در بخش پنجم، نتیجهگیریهای اصلی بیان می-گردد.
-2 مدلسازی
در این بخش، معرفی مدل یک زیردریایی و طراحی کنترلکننده برای آن صورت خواهد گرفت. ابتدا مدل دینامیکی یک جسم زیردریایی با 6 درجه آزادی به طور کامل بیان شده و سپس این مدل جهت طراحی کنترلکننده به صورت مناسبی بازنویسی خواهد شد.
اجسام زیردریایی که به طور کلّی جهت انجام مانورهای مختلف در زیر آب طراحی میشوند، دارای 6 درجه آزادی بوده که 3 درجه آن مربوطبه موقعیّت3 و 3 درجه آن مربوط به جهت 4 میباشد. جهت نمایش موقعیّت و جهت یک جسم که دارای یک تکیهگاه ثابت زمینی نیست، دستگاه مختصّاتی متصّل به بدنه جسم در نظر گرفته شده و تمام اندازهگیریها در این مرجع که به نام دستگاه بدنه5 شناخته میشود، صورت میپذیرد.
