بخشی از مقاله
چکیده - دینامیک های هلیکوپتر سه درجه آزادی به صورت غیر خطی در نظر گرفته شده و به صورت متقابل به هم وصل شدهاند. به منظور کنترل این سیستم، در این مقاله یک کنترلگر تنظیم کننده مربعی خطی - LQR - برای کنترل سیستم هلیکوپتر آزمایشگاهی اعمال شده که پارامترهای بهینه آن بوسیله روشهای بهینه سازی مختلف شامل روش کلاسیک برنامه ریزی مربعی متوالی - SQP - روش بهینه سازی توده ذرات - PSO - و الگوریتم ژنتیک - GA - بدست آمده و مقایسه شده است. نتایج نشان میدهند که کنترل کننده LQRSQP با در نظر گرفتن خروجیهای سیستم شامل زوایای حرکت و ارتفاع با اعمال ورودی غیر از پله در مقایسه با روش LQRPSO و LQRGA از نظر سرعت و دقت عملکرد بسیار خوبی داشته است.
-1 مقدمه
هلیکوپترها دارای دینامیک های غیرخطی و حلقه باز ناپایدار میباشند . [1 ] به علت اتصال متقاطع بین کانالهای کنترلی، کنترل چنین سیستمهای چند ورودی چند خروجی به صورت یک چالش درآمده است. روشهای سنتی برای کنترل پرواز هلکوپتر شامل خطی سازی این دینامیکهای غیر خطی حول یک شرایط نقطه تعادل از پیش انتخاب شده یا نقاط حالت بین دور پرواز میباشد.[2] براساس بر مدلهای خطی بدست آمده، تکنیکهای تک خروجی تک ورودی SISO با یک کنترل کننده PID بسیار به کار برده شده است .[5-3]
البته این روش نیاز به چندین کنترل چند حلقهای دارد، که طراحی آن را غیر قابل انعطاف و مشکل نموده است. بنابراین به روشهای طراحی کنترل کننده چند متغیره - MIMO - توجه بسیاری شده است. برای مثال، اجرای خطی سازی موفقیت آمیز LQR برای یک سیستم هلیکوپتر در [6] ارائه شده است. در [7] از کنترل مد لغزشی برای پایداری یک مدل هلکوپتر غیر خطی در پروازهای عمودی استفاده شد. روشهای کنترل MIMO دیگری در تحقیقات برای هلیکوپتر معرفی شدند 8]و.[9 کنترل تطبیقی مقاوم ترکیب شده با تنظیم کننده مربعی خطی برای سیستم هلیکوپتر سه درجه آزادی در [10] ارائه شد.
در این مقاله از تنظیم کننده مربعی خطی برای کنترل سیستم هلیکوپتر استفاده شده است. گاهی اوقات تنظیم پارامترهای این تنظیم کننده به منظور دستیابی به پاسخ بهینه مشکل میباشد. هدف یافتن پارامترهای Q و R بهینه این کنترلگر به کمک روش بهینهسازی کلاسیک برنامه ریزی درجه دوم متوالی - SQP - میباشد به طوریکه مشخصات پاسخ پله کمینه بدست آید. به منظور بررسی کارایی روش پیشنهادی، با تغییر دادن در ورودیها نتایج گرفته شده از آن با الگوریتم بهینه سازی توده ذرات و ژنتیک مقایسه شده است.
در این مقاله از تنظیم کننده مربعی خطی برای کنترل سیستم هلیکوپتر استفاده شده است. گاهی اوقات تنظیم پارامترهای این تنظیم کننده به منظور دستیابی به پاسخ بهینه مشکل میباشد. هدف یافتن پارامترهای Q و R بهینه این کنترلگر به کمک روش بهینهسازی کلاسیک برنامه ریزی درجه دوم متوالی - SQP - میباشد به طوریکه مشخصات پاسخ پله کمینه بدست آید. به منظور بررسی کارایی روش پیشنهادی، با تغییر دادن در ورودیها نتایج گرفته شده از آن با الگوریتم بهینه سازی توده ذرات و ژنتیک مقایسه شده است.
در این مقاله ابتدا معادلات دینامیکی سیستم هلیکوپتر آورده شده سپس نحوه طراحی به کمک روش تنظیم کننده مربعی خطی برای این سیستم بیان شده است. در ادامه روش بهینه سازی کلاسیک برنامه ریزی مربعی متوالی و همچنین الگوریتم بهینهسازی توده ذرات به منظور یافتن ضرایب Q و R کنترلگر LQR معرفی شده است. سپس شبیه سازیها و نتیجه گیری آورده شده است.
-2 معرفی صورت مسئله
-1-2 دینامیکهای سیستم هلیکوپتر
هلیکوپتر سه درجه آزادی شامل یک پایه است که بازویی بر آن سوار شده است. بازو بدنه هلیکوپتر را حرکت میدهد. بازو حول یک محور قائم به خوبی حول یک محور افقی چرخانده میشود. انکودرهایی که بر روی این محورها سوار شده اند به اندازه گیری ارتفاع و حرکت افقی بازو اجازه میدهند. بدنه هلیکوپتر در انتهای بازوی آن سوار شده و چرخش آن حول یک محور گام آزاد است. زاویه گام با یک انکودر سوم اندازه گیری میشود.
بر طبق یک محدودیت سخت افزاری ، حرکت بازه زوایای ارتفاع و گام بین 1]و[-1 در نظر گرفته شده است. دو موتور DC با ملخها سوار شده بر روی بدنه هلیکوپتر میتوانند یک نیروی متناسب با ولتاژ به کار برده شده در موتورهای DC تولید نمایند. نیروی تولید شده بوسیله ملخها میتواند منجر به این شود که بدنه هلیکوپتر از زمین بلند شود. هدف وزنه تعادل کاهش توان نیازمند به موتورها میباشد. سیستم هلکوپتر در شکل 1 نشان داده شده است .[1]
-2-2 خطی سازی
در [11] نشان داده شد که مدل غیر خطی در بخش دوم رفتار دینامیکی ضروری یک هلیکوپتر را گرفته است. بنابراین در این کار این مدل برای توصیف سیستم هلیکوپتر آزمایشگاهی و به منظور طراحی کنترل کننده LQR به کار برده شده است.
