پایان نامه پیاده سازی کنترل مد لغزشی فازی – تطبیقی بر روی سیستم روبات سیار چرخ دار

پایان نامه پیاده سازی کنترل مد لغزشی فازی – تطبیقی بر روی سیستم روبات سیار چرخ دار

چکیده:

در سالهای اخیر کنترل کننده های مد لغزشی بسیار مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته اند. اما تعیین سطح لغزش مناسب و غلبه بر مشکل Chattering از جمله مهمترین عوامل محدود کننده استفاده از این روش کنترلی هستند. برای حل این مشکل روشهای متعددی ارائه شده است. یکی از این روش ها، ترکیب کنترل کننده مد لغزشی با مفاهیم فازی و تطبیقی است. 

در این پایان نامه برای کنترل یک روبات سیار از کنترل فازی- تطبیقی همراه با مد لغزشی استفاده شده است. بدین ترتیب که ابتدا مدل دینامیکی سیستم استخراج شده است. سپس براساس این مدل، کنترل کننده مد لغزشی طراحی میشود. نتایج حاصل از این کنترل کننده نشان می دهد که سیگنال کنترلی رفتار نامطلوبی دارد. 

در صورت استفاده از کنترل کننده فازی – تطبیقی نیز مشاهده میشود که پاسخ سیستم در لحظات اولیه حرکت مطلوب نیست و برای تطبیق کامل قوانین فازی زمان زیادی لازم است. در نهایت کنترل کننده فازی – تطبیقی همراه با مد لغزشی طراحی میشود که نتایج حاصل از آن بیانگر رفتار مناسب سیستم از لحاظ زمان پاسخ دهی و شکل سیگنال کنترلی است. 

مقدمه: 

معادلات ریاضی نمی توانند به طور دقیق سیستم فیزیکی واقعی را مدل کنند و همواره نامعینی وجود دارد. نامعینی بدین معنی است که ما با وجود در اختیار داشتن ورودی و اندازه آن نمی توانیم خروجی سیستم فیزیکی واقعی را پیش بینی و تعیین کنیم. بنابراین ما نسبت به سیستم نامطمئن هستیم. 

دو روش جهت مواجهه با مدل های نامعین وجود دارد. کنترل مقاوم و کنترل تطبیقی. کنترل مود لغزشی روشی از کنترل مقاوم می باشد. 

به طور خلاصه هدف این کنترل کننده قرار دادن کلیه مسیرهای حالت سیستم بر یک سطح پایدار می باشد تا پس از آن مسیرهای حالت سیستمبر روی آن سطح به سمت نقطه مورد نظر (نقطه تعادل) لغزش یابند. انتخاب این سطح سبب می شود تا صورت مساله از پایداری و کنترل یک سیستم مرتبه بالاتر به مساله پایداری سیستم مرتبه یک تبدیل شود. باید توجه داشت که کنترل سیستم مرتبه اول بسیار ساده تر خواهد بود. 

فصل اول: 

کلیات 

1-1- طرح موضوح 

امروزه با توسعه و پیشرفت سیستم های خودکار نیاز به استراتژی های کنترلی مناسب بیش از پیش احساس می شود. از این رو تئوری های مختلفی برای کنترل این گونه سیستم ها ارائه شده است. تئوری هایی نظیر کنترل کننده های کلاسیک (PI، PID و…)، کنترل کننده های فازی، کنترل کننده های مد لغزشی و… هریک از این کنترل کننده ها در برخی از سیستم ها عملکرد مناسبی از خود بروز می دهند و در برخی دیگر خیر. 

لذا برخی از تئوری پردازان تلاش کرده اند با ترکیب این تئوری ها، به شیوه جدیدی برای کنترل سیستم ها دست یابند تا از مزایای آنها تواما استفاده کنند. 

یکی از سیستم هایی که دارای دینامیک نسبتا پیچیده ای است و با بسیاری از شیوه های کنترلی رایج عملکرد مناسبی از خود بروز نمی دهد، سیستم روبات سیار است. در سیستم کنترل این ربات باید با استفاده از گشتاور مناسب، ربات را در مسیر مناسب از پیش تعیین شده ای به حرکت درآورد. اما از آنجا که کلیه مدل های سیستم های فیزیکی، به سبب دقت اندازه گیری محدود و نیز تاثیر عواملی چون اغتشاش و نویز دارای نامعینی هستند. لذا از کنترل کننده مد لغزشی که روشی از کنترل مقاوم می باشد، جهت مواجهه با نامعینی های موجود در مدل استفاده می شود. در کنترل به روش مد لغزشی، هدف راندن مسیرهای حالت سیستم بر روی یک سطح لغزش انتخاب شده توسط طراح در فضای حالت و حفظ مسیرهای حالت بر آن سطح می باشد. کنترل مد لغزشی کاربردهای موفقیت آمیز بسیاری در سیستم های کنترل مقاوم داشته است. در این روش رفتار دینامیک وضعیت سیستم با انتخاب مناسب سطح لغزشی تعیین می شود. همچنین پاسخ سیستم می تواند به یک پاسخ سریع، همراه با پایداری، دفع آشفتگی و عدم حساسیت به متغیرهای پارامتری سیستم دست یابد. با وجود همه پیشرفت های انجام شده در حوزه طراحی کنترل کننده های مد لغزشی، این کنترل کننده ها از برخی کمبودها رنج می برند. از جمله مشکلاتی که در برخورد با این کنترل کننده وجود دارد، نوسانات فرکانس بالا در سیگنال کنترلی می باشد. با توجه به اینکه این نوسانات فرکانس بالا می تواند دینامیک های مدل نشده سیستم تحت کنترل را تحریک نماید، لذا باعث عدم دقت شبیه سازی ها و عدم تطابق آن با واقعیت خواهد شد. این نوسانات می توانند باعث برود اشکال و کاهش عمر محرک های سیستم نیز گردند. 

در سال های اخیر تحقیقاتی صورت گرفته که روش های طراحی کنترل فازی مبتنی بر کنترل مد لغزشی را مطرح می کند. تجمیع سیستم های فازی با کنترل کننده مد لغزشی در مثال های متنوعی دیده می شود. با مطرح شدن مفهوم کنترل فازی برای کنترل مد لغزشی و فازی سازی سطح لغزش، نوسانات فرکانس بالا در سیستم مد لغزشی بهبود یافته است. قوانین کنترل فازی می توانند با توجه به شرایط دسترسی به کنترل مد لغزشی به طور سیستماتیک تعریف شوند و در این روش ها مشکلات پیاده سازی کنترل کننده مد لغزشی با استفاده از روش های مبتنی بر منطق فازی تا حدودی حل شده اند. 

ولی سیستم های فازی نیز، به قوانین اگر – آنگاه نیاز دارند که می بایست از قبل تدوین گردند. وجود نامعینی در بسیاری از سیستم ها موجب گردیده است که قوانین اگر و آنگاه فازی ثابت نه تنها موجب بهبود عملکرد سیستم حلقه بسته نمی شود، بلکه باعث رفتار نامطلوب نیز خواهد شد. جهت غلبه بر این مشکل، افزودن یک قانون تطابق به کنترل کننده های فازی مد لغزشی پیشنهاد می گردد.