در سال ۲۰۰۱، الگوریتم کنترل غیر خطی تطبیقی مقاوم[۱۶] برای هدایت خودکار کشتی معرفی شد. البته در آن فرضیاتی وجود داشت که باعث مشکلاتی میشد[[۱۷]].
در سال ۲۰۰۱، برای مسئله ردیابی خودکار کشتیها، استفاده از روش فازی تطبیقی پیشنهاد شد [[۱۸]].
در سال ۲۰۰۴، هدایت خودکار تطبیقی غیر خطی بهبودیافته ایی طراحی شدکه با فرض دارا بودن پارامترهای ثابت برای هدایت کشتی دارای عدم قطعیت، مفید بود[[۱۹]].
در سال ۲۰۰۶، برای کنترل خودکار کشتیها، استفاده از کنترل فازی و اچ اینفینیتی پیشنهاد داده شد[[۲۰]].
تمام روش های کنترلی که تا اینجا معرفی شدند، هر یک دارای نقاط قوت و یا نقاط ضعفی نسبت به یکدیگر میباشند. برای مثال در برخی، مسئله ردیابی به خوبی انجام میگیرد اما در برابر اغتشاشات زیاد محیطی دارای پایداری لازم نیستند و یا اینکه سرعت عکس العمل خوبی در برابر تغییر مقدار ورودی مرجع ندارند.
کنترل لغزشی یکی از موثرترین روش های کنترل مقاوم غیر خطی برای رویارویی با سامانه های دارای مشخصاتی چون، عدم قطعیت در مدل و وجود پارامترهای دارای تغییرات زیاد میباشد[[۲۱],[۲۲]]. طرح کنترل کننده لغزشی روشی مقاوم برای مسئله حفظ پایداری وعملکرد یکنواخت در مقابل بی دقتیهای مدلسازی است. اما این روش دارای معایبی نیز میباشد، یکی از معایب کنترل لغزشی ایجاد پدیده وزوز[۲۳] برروی سطح لغزشی طراحی شده میباشد. برای برطرف کردن این پدیده میتوان از روشهایی مانند تخمین اشباع[۲۴] [[۲۵]] و یا کنترل لغزشی انتگرالی[[۲۶]] ویا تکنیک لایه مرزی[] برای بهبود بخشیدن به عمل کنترل استفاده کرد.
اگر عدم قطعیت در مدل زیاد باشد، کنترل لغزشی نیاز به یک لایه ضخیم دارد که این امر باعث ایجاد لرزش بزرگتر میشود. اگر ضخامت این لایه مرتبا افزایش یابد، به همان اندازه مزایای کنترل لغزشی کم میشود و به سمت یک سامانه بدون مد لغزشی میرویم. برای غلبه بر مشکل فوق میتوان از کنترلگرهای فازی برای تخمین مقدار تابع نامعلوم کنترل کننده مد لغزشی استفاده کرد. در واقع، تخمین ترمهای نامعلوم توسط سامانه های فازی باعث عملکرد مطلوب کل سامانه میگردد، البته این روش تا به حال به روش های گوناگون معرفی شده است که بسته به هدف مورد نظر، از روشی خاص بهره جسته اند. [[۲۷]]و][۲۸][
استفاده از سیستم های فازی به همراه کنترل لغزشی به منظورهای متفاوتی انجام میشود که یکی از آنها برای حذف اثر وزوز میباشد، یک مورد دیگر استفاده از سامانه های فازی در کنترل لغزشی به منظور تخمین ترمهای نامعلوم سامانه تحت کنترل میباشد که در فصول آینده به طور کامل مورد برسی قرار خواهد گرفت.
کنترل فازی[۲۹] بدلیل مزایایی که دارد به کرات در مقالات مورد بحث قرار گرفته است[۳۰]]و[۳۱]و[۳۲][. مزیت اصلی این کنترل نسبت به کنترلهای متعارف این است که در این روش نیازی به مدل ریاضی دقیق نیست و عمل کنترل برای سامانه هایی که مدل کردن آنها کار مشکلی است میتواند بازده ایی خوبی داشته باشد.
طبق مطالب اشاره شده، جهت بهبود مقاومت[۳۳] در کنترل فازی، مطالعات، تحقیقات و فعالیتهای زیادی انجام شده است که یکی از نتایج حاصل شده از این تحقیقات، استفاده از کنترل کننده لغزشی فازی[۳۴] میباشد[,]. کنترل لغزشی فازی ترکیبی از کنترل فازی و کنترل لغزشی است. کنترل لغزشی فازی یک روش کنترل بسیار مقاوم در مقابل بی دقتی های مدل و اغتشاشات خارجی میباشد. همانطور که ذکر شد، از بین بردن لرزش در لایه مرزی، یکی از مزایای استفاده از کنترل لغزشی فازی نسبت به کنترل لغزشی میباشد.
کنترل کننده لغزشی فازی ترکیبی است از کنترل فازی و کنترل لغزشی، بطوری که قدرت کنترلگر در مقابل عدم قطعیت مدل و اغتشاش خارجی حفظ شود.
از آنجایی که مشخص کردن پارامترها از اهمیت بسیار بالایی در طراحی کنترلگر برخوردار است و باعث بهبود رفتار سامانه میشود، برای عملکرد بالای پارامترها از الگوریتم تطبیق استفاده شده[۳۵]],-[۳۶],و[۳۷]و[۳۸]و[۳۹][[۴۰]وو[۴۱][۴۲][و در نتیجه ساختار کنترلی جدید را کنترل کننده لغزشی فازی تطبیقی[۴۳]نام نهادند][۴۴]-[۴۵][۴۶][۴۷][۴۸][۴۹][۵۰][۵۱][۵۲][۵۳][۵۴][.
مراحل طراحی را میتوان به شکل زیر بیان کرد: در ابتدا مدل فازی اولیه ایی برای بیان مشخصات دینامیکی سامانه تحت کنترل ساخته میشود، بر اساس این مدلهای فازی و برای دستیابی به اهداف کنترلی، کنترلگر لغزشی فازی طراحی میشود. سپس قوانین تطبیق برای تنظیم پارامترهای قابل تنظیم مدلهای فازی طراحی میشود و در نهایت توسط تئوری لیاپانوف، پایداری کل سامانه برسی میشود.
قانون تطبیق برای کنترل کننده لغزشی فازی تطبیقی ،تابعی از بردار خطای ردیابی است].[۵۵][. بدین معنی که قوانین تطبیق تنها خطاهای پارامتر مدل فازی را از طریق نفوذ بر بردار خطای ردیابی برگشت میدهد. بنابراین قوانین تطبیق در کنترل کننده لغزشی فازی تطبیقی، پارامترهای مدل فازی سامانه را تنظیم میکند، سپس کنترلگر، بردار خطای ردیابی را به سمت صفر هدایت کند[[۵۶]] , [[۵۷]] , [[۵۸]]. حتی با وجود بردار خطای ردیابی به سمت صفر میرود.
البته برای جبران خطای خطای مدلینگ، نیاز به سیگنالهای بزرگ کنترلگر برای رسیدن به اهداف کنترلی میباشد که این امر باعث بوجود آمدن پدیده وزوز میشود.
معمولا طراحی کنترلگر لغزشی فازی با فرض وجود تمامی حالتهای قابل اندازه گیری سامانه طراحی میشوند و قوانین تطبیق بر اساس بردار خطای ردیابی سامانه، طراحی میشود[۱۸-]. اما در بسیاری موارد تمامی حالتهای سامانه تحت کنترل در دسترس نمیباشند و در نتیجه قوانین تطبیق به سختی محقق میشوند، بنابراین بردار خطای ردیابی نمیتواند صفر شود.
برای برسی رفتار سامانه های غیر خطی که در آنها تمامی حالتها قابل اندازه گیری نمیباشند، مطالعات فراوانی صورت گرفته است، یکی از نتایج این تحقیقات، معرفی کنترل فازی بر اساس مشاهده گر است][۵۹]-[۶۰][۶۱][۶۲][۶۳][. در این ساختار کنترل، ابتدا مشاهده گر، بردار خطای ردیابی را تخمین میزند و سپس یک تابع لیاپانوف حقیقی اکیدا مثبت را انتخاب کرده و بعد از آن قوانین تطبیق طراحی میشوند [-].
همانطور که ذکر شد، برای سامانه های غیر خطی، طراحی مشاهده گر برای تخمین تمامی متغیرهای حالت، یک مشکل چالش انگیز میباشد. مشاهده گر های غیر خطی از طرق مختلف و با توجه به رفتارهای ذاتی دینامیکهای غیر خطی آنها طراحی میشوند.
با بهره گرفتن از مشاهده گرهای غیر خطی، میتوان بر مشکلاتی از قبیل شرایط محدودیت آور وعدم قطعیت های مدل و عدم مقاومت [۶۴]وتخمین همراه با نویز، غلبه کرد. باید دقت داشت که اگر سامانه مورد نظر تحت تاثیر اغتشاش نیز قرار داشته باشد، مشاهده گر طراحی شده باید مقاوم باشد.
انگیزه:
تعداد قابل ملاحظه ایی از کشتیهایی که امروزه در دنیا استفاده میشوند تنها دارای یک پروانه و یک سکان میباشد و همانطور که اشاره شد سیستم فوق یک سامانه زیر تحریک میباشد. البته، در این سامانه ها میتوان با اضافه کردن یک محرک به بدنه شناور، آنرا به یک شناور فول محرک تبدیل کرد. بطوریکه برای تمام درجات آزادی و یا به زبان دیگر، برای تمام حرکات مورد نیاز بصورت مستقیم محرک داشته باشد. اما این کار برای مصارف معمولی از لحاظ اقتصادی هزینه زیادی دارد.
با این حال، تمایلات اخیر در طراحی شناورها بر این بوده است که از یک محرک در قسمت سینه کشتی استفاده شود. روش فوق که باعث فول محرک شدن کشتی میشود در مواردی چون مانور سریع برای پهلو گرفتن در لنگرگاه و راحت تر کردن ارتباط با کشتی کناری، استفاده میشود.
در سرعت های بالا به دلیل سرعت جریان آب عبوری از کنار شناور، محرک فوق اثر خود را از دست داده و عکس العمل بسیار ضعیفی از خود نشان میدهد.
با این وجود برای برخی کشتیها که نیاز به دقت بالایی دارند، استفاده از محرک مکمل ضروری است.
اهداف:
هدف اصلی در این پایان نامه این است که یک نمونه سامانه زیر تحریک درجه دو (تمرکز بر روی یک شناور اثر سطحی میباشد) را در نظر گرفته، مدل دینامیک آن را بدست آوریم و سپس با بهره گرفتن از دانش روشهایی چون، کنترل لغزشی و کنترل لغزشی فازی و کنترل لغزشی فازی تطبیقی و کنترل لغزشی فازی تطبیقی جدید به همراه مشاهده گر، هدایت کشتی فوق را کنترل کرده و پایداری و ردیابی کل سامانه را مورد برسی قرار دهیم.
سپس نتایج هر قسمت را با بخشهای قبل مقایسه کرده و مزایا و معایب استفاده از هر کدام از این کنترلگر ها را برسی می کنیم. سعی میشود که نتایج این پایان نامه با نتایج نهایی یکی از روش های کنترلی که قبلا برای هدایت کشتیها معرفی شده است، مقایسه و نقاط قدرت وضعف آن برسی شود.
در واقع نوآوری پژوهشی این پایان نامه، استفاده از یک کنترلگر جدید[۶۵] به همراه مشاهده گر حالت برای هدایت یک سامانه زیر تحریک و برسی نتایج حاصله میباشد. در اینجا بدلیل استفاده از کنترل لغزشی، انتظار میرود بر خلاف مرجع [۷۹] سامانه، دارای پایداری خوبی باشد. همچنین در مراجع [۷۵],[۷۷] ، اغتشاشات وعدم قطعیت های مدل میتوانند در محدوده خاصی قرار بگیرند تا پایداری سامانه تضمین شود، در حال که در روش فوق این محدوده میتواند بسیار بزرگتر باشد.
ساختار گزارش
فصل اول شامل مقدمه ایی است بر تاریخچه ایی از کنترلگر ارائه شده و همچنین بر فعالیتهای انجام شده در این گزارش و مرور کلی بر فصلهای آتی آن.
در فصل دوم که مربوط به پیش نیازهای پژوهشی میباشد به معرفی کنترلگر لغزشی و برسی معایب آن و چگونگی برطرف کردن آنها پرداخته و یکی از راه های بهبود عملکرد کنترل لغزشی که استفاده از منطق فازی در کنترل لغزشی میباشد را معرفی کرده و به برسی پیرامون آن و انواع کنترل لغزشی فازی میپردازیم.
در فصل سوم به طراحی یک کنترلر لغزشی فازی تطبیقی جدید به همراه یک مشاهده گر پرداخته، سپس با بهره گرفتن از تئوری پایدار لیاپانوف، پایداری را مورد برسی قرار میدهیم.
در فصل چهارم، به برسی و چگونگی بدست آوردن مدل دینامیکی یک شناور به منظور کنترل و هدایت آن میپردازیم در این قسمت با بهره گرفتن از قوانین فیزیکی سعی میکنیم معادله ایی دینامیکی بدست آوریم که مشخص کننده رابطه بین تغییرات سکان کشتی و تغییرات جهت حرکت کشتی باشد، سپس کنترلگر طراحی شده در فصل سه را به سامانه شناور مورد نظر مدل شده، اعمال کرده و در شرایط مختلف که شامل وجود اغتشاش خارجی و همچنین عمل ردیابی به شکل های متفاوت میباشد را مورد آزمایش قرار داده و نتایج شبیه سازی شده را ارائه میدهیم.
نهایتا در فصل پنجم به نتیجه گیری و مقایسه بین روشها میپردازیم.
پیش نیازهای پژوهشی
مقدمه
در این فصل به توضیح مختصری پیرامون کنترل ساختار متغیر، مد لغزشی و کنترل لغزشی و سپس سامانه های فازی و چگونگی استفاده از سامانه فازی به عنوان کنترل فازی خواهیم پرداخت. در ادامه به این موضوع اشاره خواهد شد که کنترل لغزشی دارای معایبی میباشد و برای برطرف کردن و یا حداقل کردن آنها میتوان از روش های مختلفی استفاده کرد. یکی از روش های معرفی شده، استفاده از سامانه های فازی جهت برطرف کردن مشکلات و بهبود بخشیدن به کنترل لغزشی میباشد. این درحالی است که، استفاده از سامانه های فازی به طریقهای متفاوت و به منظور بهبود مشخصات مختلف سیستم کنترل، مورد استفاده قرار میگیرد. در این فصل به برسی دو نوع کنترل لغزشی فازی میپردازیم و سپس در فصل بعدی با بهره گرفتن از ترکیب و تغییراتی در هر کدام از آنها، یک روش کنترل جدید را معرفی خواهیم کرد.
تئوری کنترل لغزشی:
تئوریهای اولیه و مبانی کنترل لغزشی تحت عنوان کنترل ساختار متغیر مطرح شده اند که علت این نامگذاری، تغییر ساختار این کنترل کننده در حین فرایند کنترل میباشد][۶۶][. یک سامانه ساختار متغیر، یک سامانه دینامیکی است که ساختار آن با توجه به مقدار فعلی بردارهای حالت[۶۷]آن تغییر می کند. تغییرات این ساختار همیشه در جهتی انجام می پذیردکه مقدار یک تابع معین موسوم به سطح نا پیوستگی، به سمت صفر میل کند. این سطح ناپیوستگی باید طوری تعیین شده باشد که در صورت صفر شدن آن خطای سامانه به سمت صفر میل کند. به دلیل اینکه تغییر ساختار کنترل کننده، در نهایت منجر به نوسانات کوچکی حول سطح مزبور می شود، این کنترل کننده ها به کنترل کننده های لغزشی مشهور شده اند و به سطح نا پیوستگی نیز اصطلاحا سطح لغزش گفته می شود.
یکی از مشکلات عملی این موضوع، پدیده وزوز ناشی از نقص افزارهای سوئیچینگ و تاخیرهاست][۶۸][. هنگامی که یکی از مسیرهای حالت به سمت سطح لغزش در حرکت باشد ابتدا در یک نقطه آن را قطع می کند، در حالت ایده ال، باید مسیر حالت از همین نقطه لغزش روی سطح را آغاز کند اما در واقعیت تاخیری میان زمان تغییر علامت متغیر حالت و زمان سوئیچینگ کنترل وجود دارد. به هنگام این تاخیر مسیر حالت از سطح لغزش گذشته، وارد ناحیه دیگر میشود. زمانی که کنترل سوئیچ می کند، مسیر حالت جهت خود را به سمت سطح تغییر می دهد و دیگر بار آن را قطع می کند. تکرار این فرایند سبب ایجاد حرکتی زیگ زاگ ( نوسانی) مطابق شکل زیر می گردد که به نام وزوز خوانده می شود.
وزوز موجب کاهش دقت کنترل، تلفات گرمایی فراوان در مدارهای الکتریکی و ساییده شدن اجزای متحرک مکانیکی می گردد. علاوه بر این ممکن است دینامیک مدل نشده با فرکانس بالا را تحریک کند. عملکرد سامانه را تخریب نمایدو یا حتی سبب نا پایداری گردد.
یکی از مشکلات کنترل لغزشی، وجود ترمهای نامعلوم در مدل سامانه میباشد، عدم قطعیت در عمل مدلینگ باعث وجود ترمهای نامعلوم در مدل دینامیکی سامانه میشود. در طراحی کنترلگر، این ترمهای نامعلوم باعث عملکرد ضعیف و راندمان پایین در سامانه میشوند.
کنترل فازی تطبیقی
معمولا کنترل کننده های فازی در وضعیتهایی کار میکنند که در آن یک عدم قطعیت بزرگ با تغییرات نا معلوم در پارامترها و ساختارهای سامانه وجود دارد.
مزیت های کنترل فازی تطبیقی نسبت به کنترل فازی غیر تطبیقی:
-
- عملکرد و کارایی بهتر معمولا قابل دستیابی میباشد، چرا که کنترل کننده فازی تطبیقی میتواند خود را با توجه به تغییرات محیطی تنظیم نماید.
-
- دانش کمتری از سامانه تحت کنترل لازم است، چرا که قانون تطبیق میتواند در جهت یادگیری دینامیک سامانه در طی عملیات زمان حقیقی کمک نماید.
در واقع، هدف اصلی کنترل تطبیقی عبارت است از ثابت نگه داشتن کارایی یک سامانه در حضور عدم قطعیت های ذکر شده میباشد. بنابراین کنترل فازی پیشرفته بایستی تطبیقی باشد.
