مجله اینترنتی دیتاسرا
امروز سه شنبه ۳۰ آبان ۱۳۹۶

طراحی کنترل کننده مد لغزشی مرتبه کبری برای سیستم کوادروتور

چکیده



کوادروتورها یک نمونه از هواپیما‌های بدون سرنشین هستند که دارای ویژگی‌های منحصر به فردی در مقایسه با دیگر پهپادها می‌باشند که می‌توان به برخواست و فرود به صورت عمودی، پرواز در محیط‌های کوچک و قابلیت مانور بالای آن‌ها اشاره کرد. همچنین ساختار نسبتا ساده، مقرون به صرفه و سیستم پرواز آسان کوادروتورها سبب شده است که به صورت گسترده‌ای به منظور توسعه، پیاده سازی و تست انواع روش‌های کنترل استفاده شوند. یکی از روش‌های کنترل مقاوم، کنترل مد لغزشی می-باشد که با وجود قابلیت‌های بالای کنترل مد لغزشی این روش یک اشکال عمده دارد و آن نوسان فرکانس بالا در سیگنال ورودی کنترل است که به پدیده‌ی چترینگ و یا وزوز معروف است. در چند دهه گذشته معادلات دیفرانسیل مرتبه کسری به زمینه‌های کاربردی مهندسی از جمله طراحی کنترل کننده‌ها وارد شده‌اند و امکان طراحی کنترل کننده‌هایی در جهت بهبود عملکرد مطلوب سیستم را فراهم کرده‌اند. در این مقاله از یک سطح لغزش مرتبه کسری برای طراحی قانون کنترل مد لغزشی برای کوادروتور استفاده شده است. هدف، بهبود عملکرد و کم کردن پدیده چترینگ در روش مد لغزشی می‌باشد. 


مشخصات

مشخصات

توسط: مرضیه کمالی؛ مهدی فرهادی؛ جواد عسگری مجله: مجله علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس سال انتشار: 1396 شمسی تعداد صفحات: 8 درج در دیتاسرا: ۱۳۹۶/۴/۱ منبع: دیتاسرا

خرید محصول

خرید محصول

عنوان: طراحی کنترل کننده مد لغزشی مرتبه کبری برای سیستم کوادروتور حجم: 1.33 مگابایت فرمت فایل: pdf قیمت: 1200 تومان رمز فایل (در صورت نیاز): www.datasara.com

فرمت ایمیل صحیح نمی باشد.

گروه نرم افزاری دیتاسرا www.datasara.com

نمای مطلب

طراحی کنترل کننده مد لغزشی مرتبه کبری برای سیستم کوادروتور



مقدمه



یکی از موضوعات اصلی در طراحی کنترل کنندهها  کنترل تحت شرایط نامعینی و عدم قطعیت در پارامترها میباشد  به همین دلیل در سالهای اخیر پژوهشها و مطالعات زیادی بر روی فرآیندهایی که دارای نامعینی هستند انجام گرفته است و با وجود توسعهی گستردهی انواع روشهای موفق کنترل تطبیقی  کنترل مقاوم هنوز علاقهمندی فزایندهای برای استفاده از روشهای کنترل مد لغزشی بهدلیل مشخصهی مقاوم بودن بالا و نیز سادگی آن در مقابله با عدم قطعیت و نامعینیهای غیرپارامتری و دینامیکهای مدل نشده وجود دارد      با وجود قابلیتهای بالای کنترل مد لغزشی  این روش یک اشکالل عمده دارد و آن نوسان در ورودی کنترل بهدلیل وجود تابع ناپیوستهی علامت در ورودی کنترل است که به پدیدهی چترینگ و یا وزوز معروف است  پدیدهی چترینگ میتواند منجر به نوسانات ناخواسته در سیستم کنترل شود



و رفتار سیستم را از حالت ایدهآل خارج کند  همچنین بهدلیل داشتن فرکانسهای بالای سوئیچینگ ممکن است باعث ایجاد رزونانس و تحریک دینامیکهای مدل نشده سیستم شود که درنهایت موجب افت عملکرد سیستم خواهد شد  ص  برای حذف پدیدهی چترینگ چندین روش وجود دارد  یکی از روشهای پرکاربرد برای کاهش لرزش یا نوسانات ناخواسته روش تقریب پیوسته است که نسبت به روشهای دیگر کاربرد بیشتری دارد  این روش با ایجاد یک لایه مرزی باریک در اطراف سطح لغزش  ناپیوستگی سیگنال کنترل را هموار میکند  استفاده از روش تقریب پیوسته در هر صورت منجر به کاهش دقت کنترلی میشود و خطای ماندگار در این روش صفر نمیگردد      روش دیگر هموار کردن نوسانات ناخواسته  استفاده از الگوریتم فازی در تعیین دامنه لایه مرزی باریکی در اطراف سطح لغزش است کهه مشکل این روش  کند شدن روش کنترلی است  از روشهای دیگر برای کاهش پدیدهی چترینگ استفاده از کنترل مد لغزشی مرتبهی بالا است که با استفاده از این روش  علاوه بر حفظ مزیتهای اصلی روش کنترل مد لغزشی استاندارد میتوان از رخ دادن پدیدهی چترینگ بدون کاهش دقت جلوگیری کرد      یکی از مشکلات این روش زمانی است که دینامیکهای مزاحم باعث افزایش درجه نسبی سیستم میشوند و در این حالت الگوریتم کنترل مد لغزشی مرتبه بالا نیز با مشکل چترینگ مواجه میشود  علاوه بر این  طراحی قانون کنترل برای تضمین خواص همگرایی سیستم با استفاده از روشهای سیستماتیک برای کنترل مد لغزشی مرتبه بالا و حتی مرتبه دوم نیز مشکل بهنظر میرسد  در چند سال گذشته و پس از توسعه مفاهیم معادلات دیفرانسیل مرتبه کسری در زمینههای کاربردی مهندسی  مشخص شد که بسیاری از سیستمها میتوانند توسط این معادلات توصیف شوند  همچنین با بهکارگیری این معادلات  امکان طراحی کنترل کنندههایی با عملکرد بهتر در قیاس با کنترل کنندههای مرتبه صحیح فراهم شده است  محباسبات دیفرانسیل مرتبهی کسری  سابقهی قدیمی و در حدود سال در علم ریاضیات دارد و قدمت آن بر میگردد به معادلات دیفرانسیل معمولی و زمانی که معادلات دیفرانسیل توسط لابینز و نیوتن کشف شد  مسئله معادلات مرتبه کسری اولین بار توسط لابینز در نامهای در سپتامبر سال میلادی دربارهی مشتق مرتبهی کسری  مطرح و به موضوعی که تحقیق در مورد آن برای مدتت بیش از  سال ادامه داشت  تبدیل گردید      در بسیاری از سالها این شاخه از علم به عنوان یک موض نظری مطرح بود و تقریبآ هیچ برنامهی کاربردی برای آن در نظر گرفته نشده بود اما در دهههای اخیر  محاسبات دیفرانسیل و انتگرال مرتبهی کسری به یک موض جالب توجه در میان محققان تبدیل شده است  ایدهی طراحی کنترل کنندههای مرتبهی کسری  اولین بار توسط اوستلوپ در سال  میلادیی مطرح شد  او طرح یک کنترل کنندهی مرتبهی کسری مقاوم را معرفی کرد و آن را کرون  نامگذاری کرد  سپس در سال    میلادی  پادلابنی یک کنترل کننده پیآیدی مرتبهی کسری را معرفی کرد که امروزه جزء شناخته شدهترین  کنترل کنندههای مرتبه کسری است  از آن زمان بسیاری از روشهای مختلف در رابطه با کنترل کنندههای مرتبهی کسری بررسی شدهاند که کنترل کنندههای بهینهی مرتبهی کسری  کنترل کنندههای تطبیقی و کنترل کنندههای مد لغزشی مرتبهی کسری از آن دسته هستند      در     یک کنترلکننده مد لغزشی مرتبه کسری فازی برای یک دسته از سیستمهای غیرخطی بیان شده است و از یک سطح لغزش مرتبه کسری با مرتبهی کسری کمتر از یک برای طراحی قانون کنترل استفاده شده است  روش ارائه شده در مورد دو سیستم بازوی ربات و مخازن به هم متصل مورد بررسی قرارر گرفته و به این نتیجه رسیده است که با استفاده از سطح لغزش مرتبه کسری  سیستم کنترل در ردیابی مسیر مطلوب میتواند پاسخ مقاومتر و سریعتری بدهد  سپس با هدف کاهش پدیده چترینگ از الگوریتم فازی در تعیین بهره تابع علامت  استفاده کرده است  روش کنترل مد لغزشی مرتبه کسری براساس تنظیم پارامترها به روش کنترل فازی در مورد یک سرو موتور بررسی شده است  این مقاله نیز درر طراحی قانون کنترل مد لغزشی از سطح لغزش مرتبه کسری بهره برده و با استفاده از یک تابع لیاپانوف معروف پایداری آن اثبات شده است  نتایج حاصله در این مقاله نشان میدهد که ردیابی خطا و تضمین پایداری در حضور اختلال و نیز کاهش نوسانات در سیگنال خروجی در روش کنترل مد لغزشی مرتبه کسری براساس تنظیم پارامترها توسط کنترل فازی نسبت به مرتبه صحیح آن عملکرد بهتری دارد  همچنین روش کنترل مد لغزشی مرتبه کسری برای سیستم ترمز ضد قفل و برای تنظیم لغزش به مقدار موردنظر ارائه شده است  در این مقاله از یک سطح لغزش برای طراحی قانون کنترل مد لغزشیی استفاده شده است و نتایج آزمایشات تجربی در این مقاله نشان میدهد که این روش در مقایسه با بهکارگیری سطح لغزش مرتبه صحیح  در مقابله با نامعینی در سیستم ترمز ضد قفل و رساندن سرعت لغزش به مقدار مطلوب عملکرد بهتری دارد  هدف در این مقاله  بررسی تاثیر استفاده از سطح لغزش مرتبه کسری در طراحی قانون کنترل در مورد سیستم کوادروتور با استفاده از روش کنترل مد لغزشی و نیزز بهبود و مقایسه عملکرد آن با ن مرتبه صحیح میباشد  برای این منظور در ابتدا مروری بر تعاریف اولیه معادلات دیفرانسیل مرتبه کسری بیان می شود  سپس مدل ریاضی کوادروتور و معادلات کنترل موقعیت آن برحسب زوایای مطلوب معرفی میشود  درنهایت با استفاده از سطح لغزش مرتبه کسری  قانون کنترل بهازای بهطور جداگانه طراحی و تاثیر سطح لغزش به ازای ح های مختلف در عملکرد سیستم کنترل و حذف پدیده چترینگ مورد ارزیابی قرار میگیرد و نتایج حاصله با یکدیگر قیاس میشوند  همچنین در این مقاله مشتق مرتبه کسری بر هر دو بخش کنترل پیوسته و کنترل گسسته تاثیر میگذارد و پایداری قانون کنترل نیز بر این مبنا اثبات میشود  برخلاف پژوهشهای پیشین مانند مقالاتی چون  که در آنها استفاده از معادلات مرتبه کسری در طراحی قانون کنترل بر کاهش میزان چترینگ بی تاثیر بوده و از روشهای هوشمند مانند روش تنظیم پارامترها بهوسیله کنترل فازی برای کاهش دامنهی نوسانات سیگنال ورودی کنترل بهره بردهاند  در این مقاله تاثیر مستقیم مشتق مرتبه کسری سطح لغزش در طراحی قانون کنترل مد لغزشی بر کاهش پدیده چترینگ مورد بررسی قرار میگیرد  و  تعارض در محاسبات مرتبهی کسری معادلات دیفرانسیل و انتگرال مرتبهی کسری  تعمیم یافتهی معادلات دیفرانسیل مرتبهی یک هستند  در واقع  تلاش برای گسترش تعاریف خاصی از مرتبهی صحیح به مرتبههای اختیاری منجر به ایجاد تعاریف مختلفی برای مشتقات و انتگرالهای مرتبهی کسری گردید  از معروفترین این تعاریف  تعریف ریمان   لیویل  و تعریف کاپوتو  است  



پرندههای هدایتپذیر از راه دور  با نماد اقتصادی پهپاد  و یا هواپیماهای بدون سرنشین  یک دسته از وسایل نقلیهی هدایت محور هستند که بدون نیاز به خلبان از راه دور و یا بهصورت خودکار هدایت میشوند  این وسایل پرنده از نیروهای آیرودینامیک٣ برای پرواز در مسیر دلخواه استفاده میکنند  پهپادها برای انجام عملیاتهایی که برای انسان خطرناک و کسلکننده هستند بسیار مناسباند  در حال حاضر از پهپادها در برنامههای نظامی که شامل جاسوسی و حمله میشود  استفاده میکنند  این هواپیماها همچنین در برنامههای غیرنظامی مانند مطالعات جغرافیایی و نقشهبرداری و کاربردهایی مانند تجسس و نجات و بیشتر در حوادث غیرمترقبهی طبیعی استفاده میشوند  هر یک از ماموریتهای ذکر شده در دسته اعمال کسلکننده و خطرناک جای میگیرند و جایگزین کردن یک هواپیمای بدون سرنشین       کنترل موقعیت با تغییر سرعت روتورها میتوان نیروی بالارونده و حرکت عرضی را تغییر داد  بهعنوان مثال افزایش و یا کاهش سرعت چهار پروانه با یکدیگر نیروی عمودی را تولید میکند که توسط ورودی  کنترل میشود  همچنین تغییر سرعت جفت پروانههای روبروی هم به صورت معکوس سبب چرخش حول محور   و حرکت عرضی در راستای این محورها میشود که توسط ورودیهای    کنترل میشوند  چرخش حول محور س ماهرانهتر است و در نتیجه اختلاف متقابل گشتاور بین هر چهار پروانه میباشد و کنترل آن توسط ورودی   انجام میگیرد  اما برخلاف پارامترهای ارتفاع و چرخش کوادروتور  موقعیتها را نمیتوان مستقیمآ به وسیله کنترل یکی از ورودیها ی کنترل کرد  بهعبارت دیگر  موقعیتهای    میتوانند توسط کنترل زوایای رول و پیچ   کنترل شوند وو زوایای  بایستی براساس      محاسبه شوند و درنهایت به سیستم اعمال شود  شکل    با توجه به معادلات موقعیت کوادروتور میتوان زوایای   را برحسب      آورد  با ترکیب معادلات  داریم:



   طراحی کنترل کتتده مد لغزشی مرتبه کبری  ر کنترل مد لغزشی ایدهآل از یک سطح لغزش با مشتق و انتگرال مرتبه صحیح برای طراحی قانون کنترل استفاده میشود  حال آنکه در طراحی کنترل کننده مد لغزشی مرتبه کسری در سطح لغزش میتوان به جای مشتق  انتگرال مرتبه صحیح از مشتق و انتگرال مرتبه کسری استفاده نمود  با وجه به اینکه معادلات دیفرانسیل و انتگرال مرتبه کسری از درجهی آزادی یشتری نسبت به معادلات مرتبه صحیح برخوردارند این امکان وجود دارد که  عملکرد سیستم کنترل را در مقایسه با کنترلکنندههای مرتبهی بخشید  در این بخش از یک سطح لغزش برای بهدست وردن قانون کنترل مد لغزشی استفاده میشود و تاثیر آن را بر کاهش میزان چترینگ مورد ارزیابی قرار میگیرد       کنتول مد  با سطم لغوش موتبه کشوی با موتبه کمتو از



    و  نتایج شبیهسازی قسمت اول در این قسمت به شبیهسازی عملکرد قانون کنترل مد لغزشی طراحی شده برای کوادروتور پرداخته میشود  مقادیر مطلوب را بهصورت:   در نظر بگیرید  پارامترهای سیستم نیز برای تمامی شبیهسازیها یکسان در نظر گرفته شده و در جدول   درج گردیده است  همچنین پارامترهای استفاده شده برای کنترل کننده در شبیهسازی بهصورت جدول   می باشد  توجه داشته باشید هنگامی که در       باشد با یک سطح لغزش مرتبه صحیح مواجه هستید که در واقع همان کنترل مد لغزشی استاندارد است  در این صورت نتایج شبیهسازی برای ردیابی موقعیت و زوایای مطلوب با استفاده از روش کنترل مد لغزشی استاندارد و براساس روش کنترل موقعیت و بادر نظر گرفتن شرایط اولیه حرکت از مبدا مختصات بهصورت   شکل   میباشد    شکل و   نیز مسیر حرکت کوادروتورر در مسیر مطلوب و شروع از مبدا مختصات را بهصورت سه بعدی نشان میدهد  برای آنالیز دقیقتر روش کنترلی و مقایسه با روشهای دیگر  تنها رفتار ارتفاع کوادروتور را مورد بررسی قرار میگیرد  لازم بهذکر است که طراحی قانون کنترل برای تمامی زوایا مشابه است  همانطور که در   شکل     دیده میشود  با استفاده از روش کنترل مد لغزشی استاندارد  سیگنال     که معرف ارتفاع کوادروتورر در هر لحظه از زمان است  به خوبی مسیر مطلوب  را دنبال کرده است  اما سیگنال خطا که برابر با اختلاف این دو است و در   شکل     نشان داده شده  به صورت نوسانی است و با وجود اینکه بسیار ناچیز است اما هیچ گاه به صورت دقیق صفر نمیشود  



موجب افت عملکرد سیستم شود  هنگامی که در سطح لغزش    باشد با یک سطح لغزش مرتبه کسری با مرتبه پایینتر از یک  وبرو هستید    شکل نشاندهنده دامنه نوسان سیگنال با در نظر گرفتن همچنین   شکل و   نیز نشان دهنده سیگنال خطا در این ححالت میباشد  با دقت در   شکل میتوان نتیجه گرفت که با طراحی قانون کنترل با استفاده از سطح لغزش مرتبه کسری      به انتظاراتی که در موردد کاهش دامنه نوسانات در ورودی سیگنال کنترل داشتیم دست نیافتیم و با کاهش  دامنه نوسان سیگنال ورودی  به شدت افزایش پیدا میکند  فمچنین با توجه به   شکل و   میتوان دریافت که فرکانس نوسان سیگنال خطا نیز به شدت افزایش یافته و بهبودی در مقدار خطا نیز حاصل نشده ست  در ادامه سطح لغزش مرتبه کسری دیگری را معرفی میشود و قانون کنترل مد لغزشی براساس آن بهدست میآید و سپس تاثیر آن را بر پدیدهی



و در نتیجه سطح لغزش مرتبه کسری پایدار است         نتایج شبیهسازی قسمت دوم نتایج شبیهسازی طراحی قانون کنترل مد لغزشی مرتبه کسری با در نظر گرفتن سطح لغزش      در مورد کنترل ارتفاع و با در نظر گرفتن بهصورت   شکل میباشد  تاثیر افزایش مقدار کل در بازهی   در سطح لغزش   سیگنال کنترل  ‌‌کاملا مشهود است و به ازای افزایش کل دامنه نوسانات بسیار کاهش مییابد    شکل       نیز نشاندهنده سیگنال خطای ردیابی ارتفاع کوادروتور میباشد که همانطور که مشخص است با وجود کاهش چشمگیر دامنه نوسان سیگنال ورودی کنترل  ردیابی ارتفاع مطلوب نیز به خوبی صورتت گرفته است و فرکانس نوسان سیگنال خطا نیز با افزایش کل کاهش پیدا و  نتیجه ی در این مقاله هدف بررسی تاثیر سطح لغزش مرتبه کسری در طراحی قانون کنترل مد لغزشی و تاثیر آن بر میزانن چترینگ و بهبود آن بود  در این راستا برای طراحی قانون کنترل مد لغزشی از سطح لغزش مرتبه کسری  با در نظر گرفتن مقادیر مختلف  در بازهی   در مورد کوادروتور طراحی گردید و نتایج بهدست آمده را میتوان بهصورت زیر دسته بندی نمود هنگامی که در واقع با یک سطح لغزش مرتبه صحیح  مرتبه اول  مواجه هستیم که همان کنترل مد لغزشی استاندارد است  در این حالت برای اینکه کوادروتور بتواند مسیر مطلوب را دنبال کند دامنه نوسان سیگنال کنترل دچار نوسانات شدید میگردید  هنگامی باشد  مرتبه ببطح لغزش از ق کسری و با مرتبه کمتر از یک میباشد  در این حالت دامنه نوسان در ورودی کنترل  چترینگ  از دامنه نوسان در روش مد لغزشی استاندارد  بزرگتر میشود و در واقع نه تنها بهبودی در میزان چترینگ حاصل نشد بلکه دامنه نوسانات نیز افزایش مییابد  هنگامی که     با بببطح لغزش مرتبه کسری بیشتر از یک روبرو هستیم  در این حالت دامنه نوسان در ورودی کنترل نسبت به روش کنترل مد لغزشی استاندارد  کاهش قابل ملاحظهای مییابد  در واقع با استفاده از این سطح لغزش میتوان از چترینگ بسیار کمتری برخوردار بود که میتواند به عنوان یکی از مزایای مهم کنترل مد لغزشی مرتبه کسری مطرح شود  


مطالب پیشنهادی
متأسفانه موردی یافت نشد.
ناحیه کاربری

فرمت ایمیل صحیح نمی باشد. ایمیل خود را وارد نمایید.

رمز عبور خود را وارد نمایید.

گزیده ها
گزیده های پر بیننده ترین اخبار روز و هفته
گزیده های وبگردی و اخبار جذاب
گزیده های وبگردی و اخبار جذاب
گزیده های پر بیننده ترین اخبار روز و هفته
مجله اینترنتی دیتاسرا
کلیه حقوق مادی و معنوی این وبسایت متعلق به گروه نرم افزاری دیتاسرا می باشد.
Copyright © 2015