بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله روش طراحی کنترل کننده مد لغزشی، به عنوان یک روش طراحی کنترل کننده مقاوم برای سیستم های غیرخطی معرفی می گردد. هم چنین محدودیت ها و مشکلات این کنترل کننده و روش های غلبه بر آن مورد بررسی قرار می گیرد.
یک کنترلر شبکه فازی تطبیقی بر مبنای سیستم مد لغزشی برای بازوی روبات طراحی شده است تا مشکلات کنترلر های مد لغزشی شامل ترم های غیرخطی که باعث عدم قطعیت می شود را کاهش دهد. در مد لغزشی رفتار دینامیکی سیستم بر اساس سطح سوئیچینگ تعیین می شود و از عدم قطعیت ها و خطاهای خارجی مستقل است.
چون تاثیر chattering ، در کنترل مد لغزشی SMC ، مخرب است با تطبیق سازی یک کنترل مد لغزشی فازی تطبیقی AFSMC، با یک سطح لغزشی PIDبرطرف شده است. برای این روش پیشنهاد شده، از یک کنترل منطق فازی جهت تولید سیگنال کنترل ضربهای استفاده کردهایم. علاوه برآن، گین خروجی کنترل مد لغزشی فازی، FSMC، توسط یک سیستم فازی نظارتی بصورت روی خط تنظیم میشود تا از chattering جلوگیری کند. پایداری سیستم از لحاظ قضیهی پایداری لیاپانوف تضمین میشود.
شبیه- سازیهای عددی با استفاده از مدل دینامیکی یک بازوی روبات صلب مسطح با وجود عدم قطعیت موثر بودن این روش در مسائل ردیابی مسیر را نشان میدهد. مقایسهی نتایج این شبیهسازیها با آنچه که از SMC های معمولی با سطح لغزشی PIDبدست آمدهاند، نشان میدهند که کارایی کنترل سیستم روبات مطلوب بوده وAFSMC پیشنهاد شده میتواند ردیابی مسیر موردنظر ار برآورده ساخته و در برابر عدم قطعیتها و اغتشاشات مقاوم است.
مقدمه
در علم کنترل با مسئله طراحی کنترل کننده برای یک سیستم روبه رو هستیم به گونه ای که سیستم بتواند عملیات خاصی را که موردنظر است انجام دهد. با توجه به تنوع سیستم ها هم چنین اهداف کنترلی مختلفی که وجود دارد محققین روش های کنترلی متنوعی را پایه ریزی کرده و گسترش داده اند.برای مثال مدت ها از روش کنترل خطی برای طراحی سیستم های کنترل استفاده می شد اما امروزه به دلیل ماهیت غیرخطی و پیچیدگی سیستم های موجود ، از روش کنترل غیرخطی استفاده می گردد.
کنترل مد لغزشی1، SMC از سال 1970 تا به امروز به علت مقاوم بودن در برابر اغتشاشات و تغییر پارامترها مورد توجه فراوان قرار گرفته است. از نقطه نظر کنترل حرکت بازوهای روبات صلب به خاطر دینامیک پیچیده، مدهای ناپایدار در بازوها و مفاصل، احتیاج به روش های کنترل خاص دارند. از زمان مطرح شدن این روبات ها به عنوان یک سیستم تحت کنترل روش های متنوع و مختلفی برای کنترل آنها پیشنهاد و تست شده است
در اینجا ما به کنترلرهای غیرخطی مد لغزشی فازی-تطبیقی می پردازیم. به دلیل وجود ترمهای غیرخطی و اثرات کوپلینگ نوعی در سیستمهای روباتیک کار مشکلی است
روشهای متفاوتی همچون خطیسازی فیدبک ، کنترل پیشبینی مدل و کنترل مد لغزشی برای حل این مسئله دنبال شدهاست.
در زمینهی روباتیک، خطیسازی فیدبک بوسیلهی کنترل دینامیک معکوس صورت میپذیرد. کنترل گشتاور محاسبهشده براساس خطیسازی فیدبک توسعه یافتهاست.
به هرحال این طراحیهای هنگامی امکانپذیر است که دینامیکهای روبات مشخص باشند. روشهای کنترل تطبیقی را میتوان جهت مواجهه با دینامیکهای ناشناختهی روبات بکار گرفت. در این روشها، پارامتریزهسازی خطی بایستی لحاظ شود، بدان معناکه پارامترهای ناشناخته بایستی بصورت خطی باشند. علاوه براین، پارامترهای ناشناخته باید ثابت بوده یا به آهستگی تغییر کنند. به هرحال، اگر سیستمهای دینامیک روباتیک غیرخطی، با کوپلینگ بالا، و متغیر با زمان باشند، خاصیت پارامتریزه کردن خطی ممکن است کاربردی نباشد
بعلاوه پیادهسازی نیز به یک دانش دقیق از ساختار مدل دینامیکی احتیاج دارد. در حالت کلی، عدم قطعیت هایی همچون بار مفید متغیر2، بخش غیرخطی، اغتشاش ناشناخته، و جزء فرکانس بالای دینامیکها ممکن است در سیستمهای روباتیک کاربردی شناخته شده نباشند. بنابراین لازم است تا این اثرات که شامل هم عدم قطعیت های ساختار یافته - پارامتریک - وهم عدم قطعیت های ساختار نیافته - دینامیکهای مدل نشده - میشود، در نظر بگیریم ، کنترل مد لغزشی - SMC - یکی از موثرترین روشهای کنترل مقاوم غیرخطی است که دینامیکهای سیستم را با یک خاصیت تغییرناپذیر هنگامی که دینامیکهای سیستم در مد لغزشی کنترل شدهاست فراهم میآورد.
اولین قدم در طراحی SMC انتخاب یک سطح لغزشی است که کارایی مطلوب حلقه بسته را درحالت فضای متغیر مدل نماید. - Zhu et al,2010 - در گام دوم، طراحی یک قانون کنترلی ضربهای است که مسیرهای حالت سیستم به سمت سطح لغزشی حرکت کرده و روی آن باقی بماند. مسیر حالت سیستم در بازهی زمانی قبل از آنکه به سطح لغزشی برسد فاز دستیابی میگویند.
به محض اینکه مسیر سیستم به سطح لغزشی برسد، روی آن باقی مانده و در امتداد آن میلغزد تا به مبدا برسد. لغزش مسیر سیستم در طول سطح لغزشی به مبدا را مد لغزشی گویند. تحت شرایط معینی، SMC نسبت به اختلالات سیستم و اغتشاش خارجی مقاوم است. - Vakula, Sudha,2012 - در عمل محدودیت فرکانس سوئیچینگ باعث می گردد حالت های سیستم بر روی سطح سوئیچینگ باقی نمانده و در اطراف آن نوسان کند. این نوسانات را chattering می نامند که امری نامطلوب است زیرا باعث افزایش فعالیت کنترلی و تحریک دینامیک های فرکانس بالای سیستم می گردد
. به هرحال، این روش کنترلی اشکالاتی را متناظر با chattering کنترلی بزرگ ایجاد میکند که ممکن است مکانیزمهای کوپل شده را پوشانده و دینامیکهای فرکانس بالای نامطلوب را تحریک نماید در این مقاله، یک الگوریتم کنترلی جدید بوسیلهی ترکیب روش فازی با روش یک سطح لغزشی PID3 توسعه داده شدهاست.
روش پیشنهاد شده الگوریتم فازی تطبیقی را با تکنیک کنترل مقاوم جهت تضمین یک کارایی ردیابی مقاوم برای سیستم روباتیک نامعین ترکیب میکند. ثابت گشته است که سیستم حلقه بسته در صورتیکه تمامی سیگنالها کراندار بوده و خروجی سیستم بتواند خروجی مرجع مطلوب را با وجود اغتشاشات و عدم قطعیت های مدلسازی بطور مجانبی دنبال نماید از نظر لیاپانوفی پایدار جامع است. الگوریتم کنترلی پیشنهاد شده از طریق شبیهسازی به یک بازوی روبات مسطح با 3 درجهی آزادی اعمال شده-است. نتایج این شبیهسازی نشان میدهد که کارایی کنترل سیستم روبات مطلوب است.
با پدیدهی chattering توسط استفاده از یک کنترل فازی که با یک تابع علامت خالص در قانون کنترلی جایگزین شدهاست، رفتار شده-است. این شیوهی پیشنهاد شده با کنترلرهای مد لغزشی معمول موجود برای بازوهای روبات از لحاظ مزیتها و کاراییهای کنترلی مقایسه شدهاست.یک آنالیز مقایسه ای همراه با تعداد زیادی از نتایج شبیه سازی این نکته را که کارایی کنترلر PIDساختار متغیر توسعه یافته تحت آن هایی که کنترلر ساختار متغیر موجود با سطح لغزشی PID دارند بهتر است.
