سیستم های کنترل تطبیقی ، بررسی کاربرد و روش ها

در بررسی دینامیک سیستم ها ، نامعینی یا عدم قطعیت یکی از مسائل مهم در آن می باشد ، با در نظر گرفتن نامعینی در سیستم دینامیکی ما مجاز به استفاده مستقیم از این متغیر نخواهیم بود و نیاز هست تا در قوانین کنترلی جایی برای تدوین یک دینامیک که از آن به دینامیک تخمین گر یا سیستم تطبیقی تعبیر می شود در نظر بگیریم ، بنابه تئوری لیاپانوف این قانون به منظور برقراری شرط دوم آن که منفی شدن مشتق تابع لیاپانوف می باشد بدست می آید ، جایی که علامت عبارت دارای متغیر تطبیق برایمان نامعین بوده و درصدد حذف آن خواهیم بود .

سیستم های کنترل تطبیقی بر چند روش استوارند ، همانند روش های کنترل که بر سه نوع بیان شدند ، سیستم های تطبیقی برای مدل های خطی همچون روش مدل مرجع ، سیستم تطبیقی برای سیستم های غیرخطی همچون روش مدلغزشی یا توابع پیچشی بیان شده در روش گام به عقب و نهایتا روش های هوشمند در بدست آوردن تخمین از متغیرها مانند روش شبکه های عصبی یا فازی که به کرار مورد استفاده قرار گرفته اند .

آنچه در کاربرد سیستم تطبیقی اهیمت بالایی دارد بدست آوردن پایداری داخلی حلقه بسته در ضمن آن می باشد ، به این منظور که هدف نهایی در کاربرد آن محقق شود ، این مسئله بیشتر در سیستم های غیرخطی خود را نشان می دهد . در این مسئله هدف تخمین دقیق پارامتر یا مجموعه پارامترهای مورد اشاره نیست بلکه هدف اصلی بدست آوردن پایداری سیستم و رسیدن به مقادیر مطلوب برای خروجی های سیستم می باشد .

پروژه - پایان نامه انجام شده در زمینه کنترل (شماره 1)

آموزش دینامیکی شبکه عصبی تطبیقی برای کنترل سیستم های غیر افاین (non affine) :

در این پروژه مهندسی برق کنترل ما به مشکل سیستم های نان افاین در محیط های همراه با عدم قطعیت (نامعینی) می پردازیم . در فرایند طراحی  قانون کنترل، یک تکنیک پایدار تطبیقی NN به صورت طراحی کنترل ردیابی است . در این حالت برای سیستم غیر خطی nonaffine، با فرض پایین بودن این نامعینی با ترکیب یک خطای ردیابی فیلتر با قضیه ضمنی عملکرد، ثبات ورودی به متغیرهای حالت و در نظر گرفتن تئوری بهره کوچک می توانیم به پاسخ مطلوب در خروجی دست یابیم . در روش آموزشی ارائه شده در این پروژه مهندسی برق علاوه بر کاهش خطای شبکه عصبی در محیط همراه با نامعینی می توانیم محدودیت های مسئله در یک دینامیک محدود شده را نیز اعمال کنیم و سیستم را بدون درگیر نمودن در منطقه اشباع کنترل نماییم . 

در این پروژه از تابع تحریک جزئی مداوم استفاده کردیم . در این شرایط سیگنال خروجی می تواند کلیه نقاط مجاز در حرکت را لمس کند و اصطلاحا سیستم در تمامی نقاط تست می شود .

برای طراحی تابع ورودی در این حالت می توان انواع مختلف سیگنال ها در محدوده متوسط مقدار معمول قرار داد و از میانگین آن ها در تحریک سیستم استفاده کرد ، استفاده از سیستم تطبیقی باعث می شود تا سیستم در خروجی نسبت به تشخیص خطای خروجی از خطای پارامتر به صورت هوشمند نیز عمل نماید .

کنترل به روش گام به عقب و باز طراحی تابع لیاپانوف ، backstepping control

یکی از اساسی ترین مسائل در طراحی کنترلر غیرخطی برای سیستم هایی از این نوع یافتن تابع لیاپانوفی می باشد که بتواند پایداری سیستم حلقه بسته شامل این کنترلر را به اثبات برساند ، در واقع اصلی ترین مسئله در تئوری کنترل همین مسئله می باشد ، در این میان برخی روش ها که وجود برخی محدودیت ها در سیستم را الزامی می داند ، می تواند در یافتن فرم کلی تابع لیاپانوف به ما کمک کند ، یکی از این روش ها و شاید معروف ترین آن ها کنترل گام به عقب می باشد ، ابداع این روش نیز به سال های نزدیکتر از سایر روش ها برمی گردد و آن در دهه 90 می باشد .

روش گام به عقب در سیستم هایی که به فرم فیدبک محض باشند قابل اعمال می باشد ، سیستم های اینچنینی در هر یک از معادلات خود تنها می توانند دارای ترم هایی از همان متغیر حالت و متغیر حالت بعدی باشد که در این حالت به منظور پایدارسازی این معادله از متغیر دوم به عنوان کنترلر مجازی استفاده خواهیم کرد .  در هر مرحله نیز با توجه به این طراحی یک فرم ساده مربعی لیاپانوف برای آن آورده می شود .

در طراحی کنترلر به روش بازگشت به عقب می توان با استفاده از بحث توابع پیچشی نسبت به تطبیقی نمودن کنترلر نیز اقدام نمود ، در این حالت بایستی از بحث توابع پیچشی نیز استفاده کرد .

در دینامیک های زیر می توان از روش بازگشت به عقب در طراحی کنترلر استفاده کرد :

1. پایدارساز سیستم قدرت 
2. سیستم کنترل توربین گاز 
3. سیستم مبدل های DC به DC
4. سیستم های کنترل فعال در ساختمان ها و خودرو

کاربرد سیستم های کنترل فازی در درایو و ماشین :

سیستم های درایو برای انواع ماشین های القائی دارای پیچیدگی های خاص خود به دلیل درایورهای مختلف ، تغییرات پارامتری ، مدل بار و روش های کلیدزنی دارند ، سیستم های کنترل متداول در کلیدزنی این ماشین ها معمولا از روش های مرسوم از جمله PI ، PID برای کاهش خطا و تنظیم پریود زمانی کلیدزنی ها استفاده می کنند ، حال آنکه این روش ها در عمل تحت شرایط خاص قابل انجام می باشند و در نتیجه گیری نیز از لحاظ نتایج کار آنچنان توفیقی ندارند .

• بالا بودن میزان اورشوت 
• بالا بودن زمان نشست سیستم 
• وجود نوسانات حالت ماندگار 
• نوسانات بالای حالت گذرا
• خطای حالت ماندگار

از جمله کیفیت های نامطلوب استفاده از سیستم های کنترل متداول می باشند .

در کنار این مسائل در استفاده از سیستم های کنترل محدودیت های اساسی در دینامیک سیستم نادیده گرفته می شود ، تمامی سیستم های استفاده شده در مدار کنترلر تا خود ماشین و علی الخصوص سیستم درایو دارای نامعینی می باشند ، این نامعینی ها در عمل وجود دارند و بهتر است در تئوری کار در نظر گرفته شوند که در این صورت سیستم های کنترل مرسوم قادر به پایدارسازی سیستم نخواهند بود .

در این حالت ما ناچار به استفاده از دو روش هستیم :

1. به کارگیری مدل دقیق غیرخطی سیستم استفاده شده
2. استفاده از کنترلرهای تطبیق پذیر نظیر شبکه های عصبی ، منطق فازی و یا ترکیب این دو بصورت بهینه

در مورد اول مسلما کار سختی پیش رو خواهیم داشت چرا که یک اینورتر در شبکه های قدرت در تجزیه مُدال با 3 متغیر حالت تعریف می شود حال محاسبه کنید کاربرد این روش برای سیستم دو پل سه فاز با 6 IGBT .

در مورد دوم شناسایی دقیق سیستم بکار رفته از لحاظ رفتار در شرایط گوناگون سیستم نظیر سرعت های پایین ، سرعت بالا ، بی باری ، گشتاور بالا یا پایین ، شرایط خطا و ... و تعریف سیستم کنترلی به صورت ترکیبی از روش های هوشمند و متداول می توانیم بهبود رفتار سیستم در شرایط مختلف را داشته باشیم .

در الگوریتم فازی با انتخاب متغیرهای تاثیرگار به صورت مناسب و ارائه خروجی های مناسب در کنترلر اصلی و یا در سیستم کلیدزنی و ایجاد قوانین براساس منطق فازی (نوع اول یا دوم) نسبت به کنترل کلی آن اقدام کرد .

در شبکه های عصبی نیز بایستی روش را از روی جداسازی و الگوسازی انجام دهیم ، در این حالت بایستی سیستم را تحت شرایط گوناگون مورد آزمایش قرار داده و در تقسیم بندی از آن بهره ببریم .

شرحی بر خدمات در زمینه مهندسی برق کنترل :::

پروژه ها و پایان نامه های مهندسی برق کنترل عمدتا در بندهای زیر خلاصه می گردند :

1-  مدل سازی سیستم ها : مدلسازی با استفاده از روش های SVM ، مدلسازی با روش های هوشمند ، مدلسازی با ANFIS ، مدلسازی خطی ، مدلسازی غیرخطی ، مدلسازی تعمیم یافته ، شناسایی سیستم با الگوریتم های برداری و هوشمند

2-  طراحی کنترلر برای سیستم های خطی : طراحی کنترلر برای ماشین های القائی ، ماشین سنکرون ، ماشین DC ، طراحی کنترلر LQR ، طراحی کنترلر فازی ، طراحی کنترلر عصبی ، طراحی کنترلر LQG ، طراحی کنترلر مد لغزشی برای سیستم خطی ، خطی سازی

3-  طراحی کنترلر غیرخطی : کنترلرهای برمبنای لیاپانوف(Lyapanov based control) ، کنترلر خطی سازی ورودی – خروجی(Input-Output linearization) ، کنترلر خطی سازی (Input state linearization)، فیدبک ورودی ، کنترلر برمبنای بازگشت به عقب (backstepping control) ، کنترل بر مبنای مدلغزشی (Sliding mode control) ، کنترل دینامیک وارون در رباتیک (Inversion dynamic) ، کنترل تاخیردار (Time delay control)

4-  طراحی کنترلر مقاوم : کنترل مقاوم با استفاده از H اینفینیتی ، با استفاده از روش H2 ، کنترلر مقاوم با استفاده از مد لغزشی

5-  طراحی کنترلر تطبیقی : کنترل تطبیقی براساس مدلغزشی ، کنترل تطبیقی براساس پسیوتی ، کنترل تطبیقی براساس روش اسلاتین ، کنترل تطبیقی با استفاده از روش های هوشمند عصبی –فازی

6-  طراحی رویت گر : فیلتر کالمن ، رویت گر بر مبنای مد لغزشی

7-  رباتیک : مدلسازی ربات ، ربات توانبخشی ، ربات با تاخیر زمانی ، طراحی کنترلر فضاپیما ، طراحی کنترل تطبیقی مقاوم ، ربات پوششی

8-  کنترل در سیستم های قدرت : پایدارساز سیستم قدرت ، مبدل های سیستم قدرت ، کنترل ماشین ، کنترل توربین گاز ، کنترل توربین بخار ، کنترل مقاوم سیستم گاورنر ، طراحی کنترلر سیستم تحریک 

پروژه ها و پایان نامه های انجام گرفته در زمینه برق کنترل :

گروه برق کنترل در طی 2 سال اخیر پروژه ها و پایان نامه های با عناوین زیر را در دانشگاه های مختلف به انجام رسانده اند که مختصری از مهمترین آنها را در ادامه خواهیم دید :

1-  در زمینه کنترل غیرخطی ::: کنترل گام به عقب تطبیقی برای سیستم PSS با استفاده از مدلغزشی – دانشگاه تربیت مدرس

2-  در زمینه کنترل غیرخطی ::: کنترل تطبیقی براساس مدلغزشی برای سیستم شاسی خودرو – دانشگاه تبریز

3-  در زمینه طراحی رویت گر ::: طراحی رویت گر حالت با استفاده از روش مد لغزشی برای توربین – دانشگاه آزاد ابرکوه

4-  در زمینه کنترل غیرخطی ::: طراحی سیستم کنترل غیرخطی براساس گام به عقب برای سیستم توربین گاز – دانشگاه آزاد بابلسر

5-  در زمینه کنترل غیرخطی ::: کنترل بالگرد تک روتوره با ارائه یک کنترل کننده غیرخطی مقاوم – دانشگاه صنعتی مالک اشتر

6-  در زمینه شناسایی سیستم ::: شناسایی سیستم دامادیک با استفاده از شبکه های عصبی (شناسایی سیستم و شناسایی عیب) – آزاد تبریز

7-  کنترل مقاوم ::: کنترل مقاوم یک ریزشبکه قدرت با استفاده از روش H اینفینیتی – آزاد قزوین

8-  کنترل مقاوم ::: مدلسازی و کنترل مقاوم یک شبکه توان بار – فرکانس – آزاد تهران جنوب

9-  کنترل آشوب ::: کنترل آشوب در یک نوسان ساز با استفاده از روش ترکیبی مدلغزشی و فازی – آزاد شیراز

10- کنترل غیرخطی ::: طراحی کنترل کننده تطبیقی هوشمند برای دسته ای از سیستم های غیرخطی نامعین مقید – اصفهان

11-  در زمینه رباتیک ::: کنترل نیرو برای ربات توانبخشی با در نظر گرفتن نامعینی نیروی خارجی – نجف آباد

12-  در زمینه رباتیک ::: کنترل از راه دور ربات جراحی با در نظر گرفتن تاخیر – شیراز

13-  کنترل چندمتغیره ::: طراحی و شبیه سازی کنترل مدلغزشی برای سیستم های چندمتغیره – یزد

14- کنترل فازی ::: کنترل تطبیقی فازی برای کووادروتور – رشت

15-  طراحی تخمین گر ::: طراحی تخمین گر به منظور شناسایی مکان برای موشک بالستیک