خانه :: اساتید :: اخبار

بازدید:47173   بروزرسانی: 22-02-1403

Farhad Bayat

عنوان کتاب: کنترل پیش بین مبتنی بر مدل: تئوری و کاربردها
چکيده

با گسترش دامنه کاربردهای نظریه کنترل، به‌سرعت روش­های پیشرفته کنترلی به‌منظور بهره­گیری در صنایع مختلف توسعه پیدا کردند. بدون شک، یکی از توانمندترین و پرکاربردترین روش­های پیشرفته کنترلی که توانمندی آن در دستیابی به عملکردهای بسیار بالا و مواجهه با مسائل کنترليِ چندمتغيره و داراي محدوديت (مقيد) به اثبات رسیده است، روشی موسوم به ‹‹کنترل پیش­ بین مبتنی بر مدل›› یا به‌اختصار ‹‹کنترل پیش ­بین›› است. ایده این روش نخستين بار توسط پروپوي (Propoi) در سال 1963 و در قالب یک مسئله کنترل مبتنی بر بهینه ­سازی معرفي شد. پس‌ازآن در دهه‌هاي 1960 و 1970 تئوری­ها و کاربردهای صنعتی ارزشمندی از این روش پديدار شدند و به‌سرعت توسعه پیدا کردند.

هرچند امروزه منابع، کتب و مقالات ارزشمندی در زمینه تئوری­های کنترل پیش­ بین در دسترس است، ولی به‌واسطه وسعت و گستردگی تئوری­ها و الگوریتم­های توسعه‌یافته در این حوزه، هریک از این منابع با تکیه‌بر یکی از ساختارهای موجود به بیان مطالب پرداخته و فرمول­بندی منحصربه‌فرد خود را ارائه داده­اند. این امر باعث شده است که دانشجویان، محققین و مهندسین در بدو ورود به مباحث این روش کنترلی با سردرگمی مواجه شوند و امکان تفکیک و تجمیع مباحث به واسط فرمول­بندی­های متفاوت در مراجع مختلف به‌راحتی امکان­پذیر نباشد.

کتاب حاضر ثمره سال‌ها پژوهش و تدریس مداوم اینجانب در دانشگاه و برگرفته از تجربیات حاصل از ارتباط مستقیم با محققین سرشناس بین­ المللی در حوزه کنترل پیش­ بین بوده است. در تألیف این کتاب سعی شده است که از یک­سو تمام نسخه ­های اصلی روش کنترل پیش ­بین در یک چارچوب کاملاً واحد (برخلاف عمده منابع موجود) و با رویکردی مفهومی به صورتی دقیق و کاربردی فرمول­بندی شوند. این امر امکان برقراری ارتباط بین نسخه ­های مختلف روش کنترل پیش ­بین را برای محققین این حوزه به‌راحتی فراهم می­کند. از سوی دیگر، به‌منظور کاربردی نمودن مباحث و سهولت شبیه ­سازی و درنهایت پیاده­ سازی عملی الگوریتم­های ارائه‌شده، یک جعبه‌ابزار اختصاصی تحت عنوان ‹‹کنترل پیش ­بین در سه‌گام (MPC3S)›› توسط مؤلف طراحی شده و در اختیار محققین و خوانندگان کتاب قرار گرفته است. لازم به ذکر است، کلیه مثال­های مطرح‌شده در این کتاب توسط این جعبه‌ابزار شبیه ­سازی و نتایج آن­ها استخراج شده­اند. ویژگی بارز و متمایزکننده جعبه‌ابزار MPC3S در مقایسه با سایر ابزارهای مشابه آن است که کدها و توابع پیاده ­سازی شده در آن اساساً هیچ تفاوتی با الگوریتم­های ارائه‌شده در کتاب نداشته و درنتیجه خواننده با واکاوی کدهای داخل جعبه‌ابزار به‌راحتی درک مناسبی از روش پیاده ­سازی الگوریتم­ها به دست می­ آورد. ویژگی مهم دیگر در این جعبه‌ابزار سهولت بهره­ گیری از آن است. به‌طوری‌که کل فرایند تعریف، حل و شبیه ­سازی حلقه ­بسته، تنها با سه دستور ساده زیر به انجام می رسد و نتایج در اختیار طراح قرار می­گیرد:

MPC_Problem()

MPC_Solve()

MPC_Sim()

 به‌منظور دانلود جعبه‌ابزار MPC3S و راهنمای استفاده از آن به آدرس زیر مراجعه فرمایید:

http://www.znu.ac.ir/members/newpage/915 

شایان‌ذکر است، کتاب حاضر مطابق با سرفصل­های مصوب وزارت علوم، تحقیقات و فناوری برای درس ‹‹کنترل پیش ­بین›› در مقاطع کارشناسی ارشد و دکتری تألیف شده و می­تواند به‌عنوان یک مرجع مناسب و کامل برای دانشجویان این مقاطع استفاده شود. از سوی دیگر، با توجه به اینکه کتاب حاضر تمام مباحث مقدماتی تا پیشرفته در حوزه ‹‹کنترل پیش ­بین›› و نیز ‹‹بهینه ­سازی کاربردی›› را پوشش می ­دهد، لذا می­ تواند به‌عنوان مرجعی مناسب برای مهندسین و محققین در رشته­ های مختلف مورداستفاده واقع شود.

مطالب ارائه‌شده در این کتاب در نه فصل دسته­ بندی شده است. در فصل اول کتاب، به بیان مفاهیم اولیه، آشنایی با سیستم­های کنترل کلاسیک و محدودیت­های آن­ها پرداخته شده است. همچنین تاریخچه­ ای مختصر از روند پیدایش و توسعه روش کنترل پیش ­بین ارائه و مثال­هایی انگیزشی در این خصوص ارائه شده است. در فصل دوم، انواع نسخه ­های کنترل پیش­ بین و اجزاء سازنده آن موردبررسی قرار گرفته است. در این خصوص، به‌اختصار مدل­های مختلف مورداستفاده در روش کنترل پیش ­بین، تابع هزینه و انواع محدودیت­های (قیدهای) موردبررسی در این روش موردتوجه قرار گرفته است. درنهایت، فرمول ­بندی مسئله کنترل پیش ­بین ارائه شده است. در فصل سوم، به تبیین انواع روش­های پیش ­بینی مبتنی بر مدل پرداخته شده است. برای این منظور ابتدا یک چارچوب واحد برای توصیف بردار پیش ­بینی ارائه شده است. سپس با بهره ­گیری از آن کلیه مدل­های پیش ­بینی متناظر با انواع مدل­های کاربردی تعیین شده­اند. در فصل چهارم، حل مسئله کنترل پیش­ بین غیرمقید موردبررسی قرار گرفته است. با بهره ­گیری از چارچوب واحد ارائه‌شده، فرمول­بندی مسئله برای کلیه نسخه­ های موردمطالعه استخراج شده است. در فصل پنجم، تحلیل عملکرد سیستم حلقه­بسته در حضور کنترل­ کننده پیش ­بین غیرمقید مورد ارزیابی قرار گرفته است. در این راستا، ابتدا یک مدل بلوک ­دیاگرامی معادل برای سیستم حلقه ­بسته در حضور کنترل­ کننده پیش ­بین غیرمقید استخراج شده است. سپس، با بهره ­گیری از ابزارهای تحلیل در کنترل کلاسیک امکان ارزیابی عملکرد سیستم حلقه ­بسته شامل پایداری، حساسیت و مقاوم بودن فراهم شده است. در فصل ششم، به بررسی و فرمول­بندی مسئله کنترل پیش­بین مقید پرداخته شده است. مشابه با رویکرد فصل چهارم، در این فصل هم با بهره­ گیری از چارچوب واحد ارائه شده برای مدل­های پیش­بینی، فرمول­بندی مسئله کنترل پیش­بین مقید برای کلیه نسخه­ های موردمطالعه استخراج شده است. درنهایت، مسئله کنترل پیش­ بین در قالب یک مسئله بهینه­ سازی مقید فرمول­بندی شده است. در فصل هفتم، به بررسی اصول و الگوریتم­های حل مسائل بهینه­سازی محدب (غیرمقید/مقید) پرداخته شده است. شایان‌ذکر است، این فصل تا حد زیادی به‌صورت مستقل از سایر فصل­های کتاب نگارش یافته و در صورت لزوم بدون از دست رفتن پیوستگی مطالب امکان حذف این فصل وجود دارد. در فصل هشتم، به بیان مبانی و تئوری­های یکی از روش­های نوین کنترل پیش­بین تحت عنوان ‹‹کنترل پیش­بین صریح›› پرداخته شده است. در این روش، با بهره­گیری از ابزار بهینه­سازی چندپارامتری امکان حل مسئله کنترل پیش­بین به‌صورت برون­خط فراهم شده است. با استفاده از این روش، امکان بهره­گیری از ایده کنترل پیش­بین در حوزه وسیع­تری از کاربردهای صنعتی با دینامیک سریع فراهم می­شود. در این فصل ابتدا تئوری­ها و الگوریتم­های بهینه­ سازی چندپارامتری بیان شده و سپس با استفاده از آن به حل مسئله کنترل پیش­بین صریح پرداخته شده است. در فصل نهم به بررسی و آموزش روال بهره­گیری از جعبه‌ابزار اختصاصی طراحی شده برای این کتاب تحت عنوان کنترل پیش­ بین در سه‌گام (MPC3S) پرداخته شده است. همچنین، ساختار و اجزاء کلیه توابع موجود در این جعبه‌ابزار شامل طراحی و شبیه­ سازی انواع روش­های کنترل پیش ­بین، الگوریتم­های بهینه­ سازی عددی، الگوریتم­های بهینه­ سازی چندپارامتری و نیز الگوریتم­های مربوط به مجموعه ­های چندوجهی موردبررسی قرار گرفته است. شایان‌ذکر است، فصل هفتم این کتاب به همراه بخشی از فصل هشتم (بخش 8-1) و فصل نهم، می­تواند به‌عنوان یک مرجع مناسب و کاربردی برای دروس بهینه­ سازی و کاربرد آن در مهندسی مورد استفاده قرار گیرد. کلیه کدها و الگوریتم­های بهینه ­سازی مطرح‌شده در این کتاب در جعبه‌ابزار MPC3S در دسترس هستند.