خانه :: اساتید :: اخبار
بروزرسانی: 27-11-1396
کنترل پیشرفته

 

معرفی

هدف این بخش، معرفی سیستم های کنترل طراحی و پیاده سازی شده در آزمایشگاه سیستم های کنترل پیشرفته می باشد. کلیه این سیستم ها دارای دینامیک غیرخطی و ناپایدار می باشند و در نتیجه پایدارسازی و کنترل این سیستم ها همواره مورد توجه محققین بوده است. روش های کنترل ارائه شده برای کلیه سیستم ها با استفاده از جعبه ابزار ®xPC Target و محیط شبیه سازی سیمولینک  قابل اجرا می باشند که امکان فراهم آوردن ویژگی سخت افزار در حلقه  (HIL)، پیاده سازی آزمایشگاه تله  و رویکرد سریع نمونه برداری  را ممکن می سازند. سیستم های موجود در این آزمایشگاه که پوشش دهنده كامل مباحث كنترل خطي، کنترل غير خطي، کنترل مقاوم و روباتیک پیشرفته می باشند. 

تئوری سیستم ها

 

سیستم های کنترل کلاسیک در نیمه نخست قرن بیستم، نقش بسیار مهمی را در توسعه سیستم های صنعتی و مهندسی بازی کردند و بخش مهمی از دستاوردهای بشر در آن زمان، مرهون وجود روش های کنترل کلاسیک بوده است. اما رویکردهای کلاسیک و سنتی مانند مکان هندسی ریشه ها، پاسخ فرکانسی و روش نایکوئیست، علی رغم کاربرد موفقی که در طراحی سیستم های کنترل ساده داشتند، نیازهای صنعتی و فنی آن زمان را برآورده نمی کردند و اساساً برای حل مسائل کنترل در سیستم های پیچیده، نامناسب بودند.

در این زمان، شاخه جدیدی از تئوری مهندسی کنترل معرفی شد و مورد اقبال عمومی قرار گرفت که ما امروزه آن را، به عنوان «سیستم های کنترل مدرن» می شناسیم که تمرکز اصلی آن، بر روی مدل های فضای حالت و روش های طراحی موجود در این حوزه است. این روش ها، بعدها باعث رشد بی سابقه تئوری های کنترل و طرح مسائل و روش های به مراتب پیچیده تری شدند، که عملاً در زمان کنترل کلاسیک، کسی توان حل کردن آن ها را، نداشت.

درس «سیستم های کنترل مدرن» (Modern Control Systems)، مهم ترین درس رشته مهندسی کنترل پس از درس سیستم های کنترل خطی است و عملاً پیش نیاز همه درس های دیگری است که پس از آن، در مقطع کارشناسی ارشد مهندسی کنترل مطرح می شوند. این درس، در مقطع کارشناسی رشته مهندسی کنترل (به عنوان گرایشی از مهندسی برق یا مکانیک) به دانشجویان ارائه می شود. از طرفی، این درس در مقطع کارشناسی ارشد برخی از رشته ها نیز (مانند مهندسی برق-قدرت) به عنوان درس ضروری تعریف شده است.

مفاهیم اساسی و بنیادی معرفی شده در درس «کنترل مدرن» برای برقراری ارتباط با دروس پیشرفته کنترل بسیار ضروری هستند، که از جمله آن ها، می توان به کنترل بهینه، کنترل چند متغیره، کنترل غیر خطی و کنترل مقاوم اشاره نمود. علاوه بر این، برای افرادی که قصد ادامه تحصیل در مقطع دکترای تخصصی مهندسی کنترل را دارند، این درس (در کنار کنترل خطی و چند متغیره) به عنوان یکی از دروس اساسی در آزمون ورودی مقطع دکتری در نظر گرفته شده است و تسلط بر مفاهیم و روش های مطرح شده در آن، حائز اهمیت فراوان است.

در مجموعه فرادرس های سیستم های کنترل مدرن، علاوه بر تشریح کامل مباحث درس «کنترل مدرن»، پیاده سازی عملی روش ها و حل مسائل کاربردی در نرم افزار متلب نیز در دستور کار قرار گرفته است. از این رو، این مجموعه آموزشی، علاوه بر دانشجویان و علاقه مندانی که قصد یادگیری مباحث تئوری این درس را دارند، برای افرادی نیز که می خواهند پیاده سازی عملی و کاربردهای کنترل مدرن را فرا بگیرند، یک منبع مطالعاتی بی نظیر است. علاوه بر این، سعی شده است در مراحل مختلف آموزش، با حل نمونه سؤال هایی، این آموزش برای داوطلبان شرکت در آزمون دکترای مهندسی کنترل نیز قابل استفاده باشد.

 

محتویات این درس به شکل زیر می باشد:

  • درس یکم: مقدمه ای بر کنترل مدرن
    1. مروری بر کنترل کلاسیک
    2. بررسی کاستی های روش های کنترل کلاسیک
    3. چرایی استفاده از روش های پیچیده تر برای تحلیل و طراحی
    4. مدل های فضای حالت
    5. زمینه های مختلف تئوری کنترل​

  • درس دوم: مروری بر جبر خطی (الف)
    1. مروری بر جبر خطی و کاربرد آن در کنترل مدرن
    2. فضاهای برداری
      1. زیر فضای برداری
      2. اشتراک زیر فضا ها
      3. ترکیب خطی بردارها
      4. وابستگی و استقلال برداری
      5. بردارهای پایه
    3. ماتریس ها و نگاشت های خطی
    4. خواص ماتریس ها

  • درس سوم: مروری بر جبر خطی (ب)
    1. دستگاه های معادلات جبری
    2. فضای پوچی ماتریس ها
    3. رتبه ماتریس ها
    4. توابع ماتریسی
    5. قضیه کیلیهامیلتون (CayleyHamilton)
    6. مقادیر ویژه، بردارهای ویژه و ساختار ویژه
    7. تجزیه به مقادیر تکین یا SVD
    8. دترمینان ها

  • درس چهارم: مدل های فضای حالت
  • نمایش سیستم ها با مدل های فضای حالت
  • سیستم های خطی و غیر خطی
  • روش های خطی سازی
  • مدل های پیوستهزمان و گسستهزمان
  • روش های مدل سازی در فضای حالت
  • انتخاب متغیرهای حالت

  • درس پنجم: حل مدل های فضای حالت
  • حل معادلات یک مدل فضای حالت
  • ماتریس انتقال حالت
  • پاسخ ورودی صفر سیستم های دینامیکی خطی
  • ویژگی های پاسخ یک سیستم دینامیکی
  • حل عددی معادلات فضای حالت
  • نمودار صفحه فاز

  • درس ششم: تبدیل مدل های فضای حالت
    1. تبدیل ها و نگاشت های خطی
    2. قطری سازی سیستم های خطی
    3. نمایش های کانونیکال جردن

  • درس هفتم: تجزیه مودال و ساختار ویژه
    1. مودهای سیستم
    2. تجزیه مودال
    3. تحلیل ساختار ویژه سیستم های خطی

  • درس هشتم: کنترل پذیری (الف)
  • کنترل پذیری یا Controllability
  • بررسی مفهوم کنترل ناپذیری
  • مدل های غیر کمینه (مینیمال)
  • تعریف عمومی کنترل پذیری

  • درس نهم: کنترل پذیری (ب)
    1. معیارها و آزمون های کنترل پذیری
    2. ماتریس (گرامیان) کنترل پذیری
    3. بررسی کنترل پذیری با نمایش های قطری و جردن
    4. تجزیه سیستم های کنترل ناپذیر

  • درس دهم: رؤیت پذیری
    1. رؤیت پذیری یا Observability
    2. بررسی مفهوم رؤیت ناپذیری
    3. تعریف عمومی رؤیت پذیری
    4. معیارها و آزمون های رؤیت پذیری
    5. ماتریس (گرامیان) رؤیت پذیری
    6. بررسی رؤیت پذیری با نمایش های قطری و جردن
    7. تجزیه سیستم های رؤیت ناپذیر
    8. دوگانی در سیستم های خطی​

  • درس یازدهم: تئوری تحقق (الف)
    1. تئوری تحقق سیستم های دینامیکی خطی
    2. تحقق کمینه یا مینیمال
    3. تحقق سیستم های اسکالر یا یک ورودی، یک خروجی (SISO)
    4. تحقق های کانونیکال
      1. تحقق کنترل کننده
      2. تحقق رؤیت گر
      3. تحقق کنترل پذیری
      4. تحقق رویت پذیری
    5. تحقق های سری و موازی

  • درس دوازدهم: تئوری تحقق (ب)
  • تبدیل تحقق ها
  • تبدیل مدل فضای حالت به تابع تبدیل (انتقال)
  • تحقق سیستم های غیر اسکالر یا MIMO

  • درس سیزدهم: تحلیل پایداری
    1. پایداری سیستم های خطی
    2. تعریف پایداری در سیستم های خطی تغییرناپذیر با زمان یا LTI
    3. روش اول لیاپانوف برای تحلیل پایداری مبتنی بر خطی سازی
    4. روش دوم لیاپانوف برای تحلیل پایداری
    5. کاربرد تحلیل لیاپانوف برای بررسی پایداری سیستم های LTI

  • درس چهاردهم: طراحی فیدبک حالت
    1. طراحی کنترل خطی مبتنی بر فیدبک حالت
    2. منظور از فیدبک حالت چیست؟
    3. فیدبک حالت در سیستم های اسکالر
    4. بررسی اثر فیدبک حالت در رفتار سیستم
    5. جایابی قطب های حلقه بسته
    6. فیدبک حالت در سیستم های غیر اسکالر یا MIMO
    7. حل مسئله تعقیب یا Tracking با فیدبک حالت
    8. فیدبک حالت با کنترل انتگرالی

  • درس پانزدهم: طراحی رؤیت گر حالت
    1. طراحی رؤیت گرهای خطی
    2. منظور از رؤیت گر حالت چیست؟
    3. بررسی ساختار و عملکرد یک رویت گر حالت
    4. رؤیت گرها با کاهش مرتبه (ناقص)
    5. طراحی فیدبک حالت با رؤیت گرهای کامل و ناقص
    6. جایابی قطب های رؤیت گر

  • درس شانزدهم: مقدمه ای بر سیستم های کنترل بهینه و تخمین حالت
    1. آشنایی با مسئله کنترل بهینه
    2. کنترل بهینه سیستم های خطی
    3. راه حل مسئله کنترل بهینه خطی با رویکرد لیاپانوف
    4. مسئله تخمین حالت بهینه
    5. فیلتر کالمن
    6. دوگانی کنترل بهینه و تخمین حالت بهینه

فعالیت های پژوهشی

 طرح های پژوهشی انجام شده يا در حال انجام

  • سامانه هوشمند نظارت بر سلامتی و تغذیه اسب مبتنی بر شبکه بی سیم، دانشگاه زنجان
  • طراحي وساخت سيستم تعليق مغناطيسي و پیاده سازی كنترلر هوشمند در آن، دانشگاه تبریز
  • طراحي و ساخت يک سيستم ارتباط ایمن در شبکه هاي حسگر بيسيم بر اساس همزمان­سازی سيستم هاي آشوبناک، دانشگاه زنجان.

 

اهم عناوين فعاليت های تحقيقاتی دانشجويان فعال در آزمايشگاه

در حال حاضر فعالیت‌های مختلفی در آزمایشگاه با رویكرد سیستم‌های كنترل پیشرفته، روباتیک، كنترل مقاوم و کنترل غیرخطی در حال انجام است كه اهم آنها به شرح زیر می­‌باشد:

 

  • طراحی کنترل کننده مقاوم برای سیستم­های تصادفی تأخیردار در حضور عدم قطعیت­های چندوجهی ‏  
  • کنترل حالت لغزشی مبتنی بر نامساوی ماتریسی خطی برای سامانه­های زمان گسسته تکین دارای عدم قطعیت و تأخیرهای زمانی چندگانه  
  • طراحی و کنترل تطبیقی سیستم آشوبناک چهار بعدی جدید دارای جاذب مخفی چند شاخه ای ‏  
  • طراحی کنترل کننده ردیاب مسیر حالت لغزشی با الگوریتم فوق پیچشی برای مدل­های شناور سطحی در حضور عدم قطعیت و ‏اغتشاشات نامیرا.‏  
  • كنترل فيدبك خروجي استاتيك سيستم هاي تكه اي خطي زمان گسسته تاخيري با استفاده از روش كنترل H  مبتني بر LMI و لم فینسلر
  • کنترل حالت لغزشی زمان محدود تطبیقی روبات پرنده دارای عدم قطعیت پارامتری  
  • طراحي و پياده سازي روش حالت لغزشی پایانه­ای سریع در كنترل مبدل هاي DC/DC  
  • بررسی پایداری سیستم های TLP در توربین های بادی شناور  
  • طراحي كنترل كننده بازخورد غيرخطي مركب براي سيستم هاي كليدزني زمان گسسته  
  • کنترل سرعت متغیر توربین های بادی توسط روش ترکیبی Fuzzy – Posicast 
  • کنترل حالت لغزشی زمان پیوسته برای ردیابی مقاوم روبات های غیرهولونومیک در حضور عدم قطعیت و تاخیرهای زمانی 
  • کنترل پیش بین گشتاور موتورهای القایی با رویکرد مقاوم   
  • طراحي سيستم مخابراتي امن با استفاده از همزمان سازي زمان محدود آشوب و کاربرد آن در شبکه هاي بيسيم 

پروژه ها

سيستم کنترل دو جرم- فنر

-این سیستم دارای دوجرم (قابل تغییر) می باشد که به واسطه یک فنر به هم اتصال دارند و با افزودن یک (یا دو) فنر دیگر این جرم¬ها می‌توانند به پایه‌های ثابت در دو انتها متصل شوند. کنترل موقعیت یکی از جرم‌ها با تحریک جرم دیگر هدف کنترلی مورد مطالعه در این سیستم می‌باشد که سازه اصلی آن با استفاده از پلکسی‌گلاس ساخته شده است. از دو سنسور مادون قرمز شارپ GP2Y0A21YK با قابلیت اندازه گیری فواصل بین 10 تا 80 سانتیمتر با دقت خطای کمتر از 1 میلیمتر جهت اندازه‌گیری موقعیت دو جرم استفاده شده است. سروو موتور به کار گرفته شده در این سیستم، سروو موتور MG996R است که دارای حداکثر گشتاور 11(Kg.cm) و سرعت 2.38(rad/s) می باشد. در این سیستم، یک بورد آردوینو Mega2560  در کنار یک منبع تغذیه پنج ولت و سه آمپر به کار گرفته شده است 
در خصوص بخش نرم¬افزاری باید اشاره کرد که کنترل این سیستم به صورت دیجیتال با نرم افزار واسط آردوینو متلب در محیط سیمولینک صورت می‌گیرد (که برقراری ارتباط بین نرم افزار آردوینو  و محیط سیمولینک نرم‌افزار متلب با استفاده از بسته پشتیبان سخت‌افزاری آردوینو محقق می‌شود). لذا پیاده‌سازی انواع کنترل کننده‌ها برای کنترل  این سیستم امکان‌پذیر خواهد بود.

 

سيستم کنترل کارت- پاندول معکوس 

-سیستم پاندول معکوس در کنترل خطی و غیرخطی به عنوان سیستم مکانیکی و دینامیکی زیرفعال مورد توجه بسیار می باشد. این سیستم، به علت کمتر بودن تعداد محرک‌ها نسبت به درجات آزادی آن، زیرفعال است که خود محدودیت‌های زیادی را برای آنچه که از طریق‌ کنترل‌کننده می‌توان بدست آورد، ایجاد می‌کند. زیرفعال بودن سیستم پاندول معکوس، یکی از چالش‌های مهم کنترلی در آن می‌باشد؛ زیرا باید تنها با یک ورودی کنترلی، دو متغیر حالت کنترل شوند. پاندول معکوس آزمایشگاهی به منظور بررسی رفتار سیستم های مشابه در صنعت ارائه شده است. انواع سیستم های تعادلی مانند موشک، روبات های دوپا و ... از جمله سیستم های مشابه سیستم پاندول معکوس در صنعت می باشند. این سیستم، دارای دینامیک غیر خطی، ناپایدار و به شدت ارتجاعی است. پاندول معکوس زمانی پایدار است که پاندول به صورت قائم قرار گرفته و بدون نوسان و جابجایی باشد. 


سيستم کنترل تعليق مغناطيسی

-در سیستم تعلیق مغناطیسی، عامل تأثیرگذار اختلال عوامل محیطي و نيز اغتشاشات سنسور می باشد که باعث می شوند تا موقعیت جسم معلق از حالت تعادل خارج شود. بنابراین باید کنترل¬کننده ای برای این سیستم طراحی شود تا تعادل بین نیروی مغناطیسی و وزن جسم معلق را حفظ نماید و در مقابل اغتشاشات محیط مقاوم باشد. در این سیستم، سخت-افزار شامل سیم پیچ، مدار درایور PWM، سنسور اثر هال UGN3503، کارت داده PCL-818L، و جسم معلق می باشد. در این سیستم کنترلی، برای انجام مراحل طراحی و پیاده سازی و همچنین بخش شبیه سازی از نرم افزارهاي متلب و سیمولینک استفاده شده است. همچنین جعبه ابزار xPC Target جهت ایجاد ارتباط محیط شبیه سازی با PCL-818L DAQ Card مورد استفاده قرار گرفته است. از قابلیت های جعبه ابزار مذکور می توان به پیاده سازی، تست و توسعه سیستم های بلارنگ  با استفاده از سخت افزار کامپیوتر اشاره نمود. این محیط از کامپیوترهای میزبان و هدف جهت اجرای برنامه استفاده می کند. پس از پیاده سازی سیستم کنترلی در محیط شبیه سازی کامپیوتر میزبان، برنامه کامپایل  می-شود. برنامه کامپایل شده توسط پروتکل ارتباطی به کامپیوتر هدف فرستاده شده و بصورت بلادرنگ اجرا می شود. همچنین جعبه ابزار xPC Target این قابلیت را دارد که تعدادی از سیگنالهای مدل اجرا شده در کامپیوتر هدف را به کامپیوتر میزبان منتقل نماید.


سيستم کنترل پاندول معکوس دورانی 

-سیستم پاندول معکوس دورانی دارای دینامیک غیرخطی، ناپایدار، غیرمینیمم فاز و زیرفعال است و در نتیجه پایدارسازی و کنترل این سیستم همواره مورد توجه بوده است. عوامل تأثیرگذار روی سیستم اختلال عوامل محیطي و نيز اغتشاشات می باشند که باعث  شده اند تا کنترل این سیستم به عنوان یک مسئله پیچیده همواره مطرح باشد. این سیستم، یک مسئله کنترلی بسیار متداول جهت آموزش تئوری های کنترل خطی و غیرخطی مربوط به سیستم های مکانیکی با دینامیک غیرخطی، روباتیک، موشک، وسایل نقلیه هوایی و سفینه های فضایی می باشد که در مراکز تحقیقاتی سراسر جهان مورد استفاده قرار می گیرد. نوعی از این سیستم برای کنترل تعادل موتورسیکلت در حرکت دوار برای مسیرهای با شعاع های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. این سیستم با توجه به ویژگی های ناپایداری، غیرخطی و غیرمینیمم فاز بودن به منظور تست و آزمایش کنترلرهای مختلف کاربرد دارد. 
سیستم پاندول معکوس دوار به پاندول فوروتا  نیز مشهور می باشد. اين سيستم، شامل يك بازوی دوار در صفحه افقي است كه از يك طرف به شفت موتور متصل مي باشد و از طرف ديگر يك ميله به آن متصل شده است. انتهاي اين ميله مي تواند به صورت آزادانه به عنوان يك پاندول حركت كند؛ به طوري كه در تمامي لحظات، صفحه حركت پاندول عمود بر بازوي دوار باشد. پاندول معکوس دوار نوع توسعه یافته سیستم کارت- پاندول معکوس می  باشد.

 

سيستم کنترل کوادروتور 

سیستم کنترل روبات کوادروتور (کوادکوپتر) دارای ویژگی هایی شامل قابلیت کنترل از طریق سیمولینک متلب، تخمین مکان و جهت کوادروتور با استفاده از حسگرهای شتاب سنج، ژیروسکوپ و دوربین، و نرخ نمونه-برداری بالای 200 هرتز می باشد. در این سیستم، از طریق سیمولینک، برنامه ساخته می شود و از طریق سیگنال های وای فای به بورد رزبری پای  ارسال می گردد. برنامه به صورت مستقل بر روی بورد رزبری پای اجرا می شود. دوربین نیز تصاویر را به بورد رزبری پای می فرستند. سرعت چرخش چهار موتور محاسبه شده و به ریزپردازنده ارسال می  شود و واحد IMU اطلاعات ژیروسکوپ و شتاب سنج را به بورد می فرستد. 


سيستم شبکه حسگر بيسيم آشوبناک

هدف از طراح سیستم شبکه حسگر بیسیم آشوبناک، طراحی و فراهم آوردن روشی بر پايه همزمان سازي سیستم های آشوبناک زمان محدود براي تضمين کارآيي بالا به منظور افزايش امنيت در شبکه هاي حسگر بيسيم می باشد. يکي از نيازهاي اساسي در بسياري از کاربردهای عملی مانند شبکه هاي حسگر بيسيم، کوتاه بودن زمان همزمان شدن است. با توجه به حساسيت زياد سيستم هاي آشوبي به مقدار اوليه و همچنين نويز و نامعيني هاي موجود در فرستنده، گيرنده و کانال انتقال، يکي از اهداف اين سیستم، استفاده از روش های کنترل تطبيقي در همزمان سازي سيستم هاي مخابرات امن آشوبي عملی است. سیستم مخابراتی انتخاب شده، سیستم ماسک زدن آشوبی فرض می شود و سیستم آشوبی موجود در فرستنده و گیرنده، سیستم آشوبی چوآ در نظر گرفته شده است. همزمان سازی در مراحل طراحی، شبیه سازی و ساخت به صورت زمان محدود انجام می شود و تأخیر کانال ارتباطی، ثابت در نظر گرفته شده است. همچنین اثرات اغتشاش خارجی و نامعینی پارامتری در فرآیند طراحی و ساخت در نظر گرفته شده اند. 

مقالات

 

برخی از مقالات اخیر منتشر شده در مجلات معتبر كه تعدادی از آنها توسط دانشجویان فعال آزمایشگاه به انجام رسیده اند، به شرح زیر می‌باشد:

 

  • Afshari, M., Mobayen, S., Hajmohammadi, R., Baleanu, D.: Global sliding mode control via LMI approach for uncertain ‎chaotic systems with input nonlinearities and multiple delays. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics (2017).  

  • Mobayen, S., Takougang Kingni, S., Pham, V.T., Nazarimehr, F., Jafari, S.: Analysis, synchronization and circuit design of a new highly nonlinear chaotic system. International Journal of Systems Science (2017).  

  • Mobayen, S., Volos, C.K., Kaçar, S., Çavuşoğlu, Ü.: New class of chaotic systems with equilibrium points ‎like a 3-leaved clover. Nonlinear Dynamics (2017).  

  • Mofid, O., Mobayen, S.: Adaptive synchronization of fractional-order quadratic chaotic flows with non-hyperbolic equilibrium. Journal of Vibration and Control (2017).  

  • Vaseghi, B., Pourmina, M.A., Mobayen‎, S.: Finite-time chaos synchronization and its application in wireless sensor ‎networks. Transactions of the Institute of Measurement and Control (2017)  


  • Hajmohammadi, R., Mobayen, S.: An efficient observer design method for singular discrete-time systems ‎with time-delay and nonlinearity: LMI approach. Scientia Iranica (2017).  

  • Xi, X., Mobayen, S., Ren, H., Jafari, S.: Robust finite-time synchronization of a class of chaotic systems ‎via adaptive global sliding mode control. Journal of Vibration and Control (2017).  









کد های متلب

 

 

 

 

 

 

بازدید امروز: 3