بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله مسئلهی کنترل تطبیقی زاویهی سمت یک شناور سطحی در حضور اغتشاشات محیطی و عدمقطعیتها بررسی میشود. در این راستا مدل سینماتیکی و دینامیکی سه درجهی آزادی شناور ارائه میگردد و ساختار ورودی کنترلی آن بیان میشود. برای بهبود عملکرد کنترلکننده، با تعریف انتگرال خطا به عنوان یک متغیر حالت جدید، مدل دینامیکی شناور در فرم فضای حالت الحاقی نوشته میشود. پس از آن مدل باد به عنوان اغتشاش محیطی موثر بر حرکت شناور توصیف میگردد. مراحل طراحی کنترلکنندهی تطبیقی مدل مرجع با انتگرال خروجی بر اساس روش کنترل بهینهی LQR و آنالیز پایداری آن مورد بررسی قرار میگیرد. پس از آن نتایج شبیهسازیهای عددی برای یک شناور نمونه با ورودی مرجع مربعی با دامنههای مختلف ارائه میشود تا عملکرد و مزایای روش پیشنهادی نشان داده شود.
.1 مقدمه
وسعت دریا و خطرات ناشی از آن سبب شده است تا در سالهای اخیر بر استفاده از وسایلی تاکید گردد که همزمان با اینکه جانشین نقش انسان در این پهنهی آبی میشوند، میتوانند از لازمهی حضور او در دریا نیز بکاهند. شناورهای زیردریایی بدون سرنشین1و شناورهای سطحی بدون سرنشین2از جمله این وسایل هستند که برای اهدافی مانند تحقیقات و اکتشافات علمی، جمعآوری اطلاعات، جاسوسی، ماموریتهای نظامی و ... مورد استفاده قرار میگیرند. استفاده از این شناورها باعث کاهش هزینههای مالی و جانی، افزایش امنیت، افزایش دقت و ... میشود. نیاز روزافزون به این شناورها و پیشرفت تکنولوژی سبب شده است تا مطالعات و تحقیقات فراوانی در راستای بهبود عملکرد آنها و کاهش نقش انسان در آنها صورت گیرد
یکی از اصلیترین مباحثی که در جهت خودگردان کردن حرکت شناور بسیار مورد تاکید میباشد، مسئلهی طراحی سیستم هدایت، کنترل و ناوبری است. این مسئله خصوصا در مواردی که شناور تحت تاثیر اغتشاشهای محیطی از جمله اثر اغتشاش باد، موج و جریان قرار میگیرد، بیشتر مورد توجه است. در این راستا مطالعات فراوانی در جهت طراحی یک سیستم کنترل مناسب که بتواند هم در مقابل اثرات نامطلوب مقاوم باشد و هم در مقابل تغییرات سیستم انعطافپذیر باشد، صورت گرفته است.
در [2] از ترکیب سه کنترلکننده برای کنترل شناور در صورت وجود اغتشاشات و عدم قطعیتها استفاده شده است. کنترلکنندهی اول یک کنترلکنندهی فیدبک برای تضمین پایداری سراسری، کنترلکنندهی دوم یک شبکهی عصبی با قابلیت یادگیری آنلاین برای ردیابی سرعت و کنترلکنندهی سوم یک جبرانساز مقاوم است که برای کاهش اثرات اغتشاشات نامشخص کراندار مورد استفاده قرار میگیرند.
در [3] برای حل مسئلهی ردیابی یک شناور کمعملگر بدون سرنشین، یک کنترلکنندهی مقاوم تطبیقی اشباعشده به همراه شبکهی عصبی پیشنهاد شده است. کنترلکنندهی ردیابی اشباع شده باعث کاهش دامنهی سیگنال کنترلی اشباع شده میگردد تا هم مسئلهی اشباع محرک حل شود و هم از کاهش عملکرد ردیابی در پاسخ گذرا جلوگیری شود. سرانجام یک شبکهی عصبی چندلایه به همراه کنترلکنندهی تطبیقی مقاوم برای جبران دینامیکهای مدل نشده، اغتشاشهای محیطی ناشی از موج، باد و جریان پیشنهاد میشود.
در [4] از روش کنترل تطبیقی فیدبک خروجی بر اساس رویتگر حالت برای کنترل فرمان مدل دو درجهی آزادی یک شناور استفاده شده است. همچنین از یک شبکهی عصبی با قانون بهروز رسانی برخط1 وزنها برای تخمین ترمهای غیرخطی و نامشخص مدل استفاده شد. در [5] یک کنترلکنندهی PID که ضرایب آن از طریق روش مدل معکوس تعیین میشود، برای کنترل یک قایق بدون سرنشین طراحی گردید و قابلیتهای روش پیشنهادی هم در شبیهسازیهای کامپیوتری و هم در تست عملی نشان داده شد. همچنین الگوریتم هدایت خط دید2 برای انجام مانورهای مختلف و طراحی مسیر مورد استفاده قرار گرفت.
در مقالهی حاضر با استفاده از روش کنترل تطبیقی مدل مرجع از فیدبک حالت و فیدبک انتگرال خطا برای کنترل شناور بر اساس روش کنترل بهینهی LQR استفاده میشود. لذا با تعریف یک متغیر الحاقی، سیستم را در یک فضای حالت جدید توصیف میکنیم تا کنترلکنندهی تطبیقی مدل مرجع پیشنهادی با صفر کردن ترم خطا، خروجی سیستم را به سمت خروجی مدل مرجع هدایت نماید.
از آنجایی که انتگرال خطا به عنوان یکی از ترمهای فیدبک استفاده میگردد، لذا این کنترلکننده مشابه یک کنترلکنندهی تطبیقی PI عمل میکند و لذا ویژگیهای کنترل کنندهی تناسبی-انتگرالگیر را دارا میباشد. علاوه بر این اغتشاش موثر بر حرکت سهدرجهی آزادی شناور که در اینجا اثرات باد در نظر گرفته شده است، مدلسازی میشود . نتایج شبیهسازی برای یک شناور تندرو پروازی به ازای یک ورودی مرجع مربعی با دامنههای متفاوت تحت شرایط - 1 - همراه با اغتشاش و عدم قطعیت - 2 - همراه با اغتشاش و بدون عدم قطعیت نشان داده شده است.
2 مدلسازی سیستم
حرکات هر جسمی در فضا را میتوان در شش درجهی آزادی شامل سه حرکت انتقالی و سه حرکت چرخشی توصیف نمود .[6] حرکات انتقالی شامل سرج - - ، سوی - - و هیو - - و حرکات چرخشی شامل رول - - ، پیچ - - و یاو - - میباشند. تمام این حرکات در شکل 1 به صورت نمادین برای یک شناور سطحی نشان داده شده است. بدیهی است که در بیشتر موارد خصوصا در مورد وسایل دریایی برای توصیف مدل فیزیکی سیستم نیازی به درنظر گرفتن تمام این درجات آزادی نیست و با توجه به نحوهی حرکت جسم میتوان بعضی از آنها را نادیده گرفت. برای یک شناور سطحی نیز مدلهای دینامیکی متفاوتی ارائه شده است که مدلهای دو درجهی آزادی [5]، سه درجهی آزادی [7] و چهاردرجهی آزادی [8] از معروفترین آنها میباشد.
