پایان نامه طراحی سیستم کنترل با قاطعیت پیکربندی مجدد با وجود محدودیت اشباع دامنه عملگر

پایان نامه طراحی سیستم کنترل با قاطعیت  پیکربندی مجدد با وجود محدودیت اشباع دامنه عملگر

چکیده: 

در این پژوهش، یک سیستم کنترل با قابلیت پیکربندی مجدد (سیستم کنترلی مقاوم خطا FTCS)، طراحی می شود به طوری که توانایی سازگاری خطاهای سیستم را به طور اتوماتیک دارد و پایداری کلی سیستم و عملکرد قابل قبولی را حتی در حضور خطاها حفظ می کند. 

ابتدا توسط طرح تشخیص خطا، که شامل یک فیلتر کالمن دو مرحله ای است، اطلاعات متغیر حالت و پارامتر خطای سیستم را به طور همزمان، به دست می آورم. ارزیابی نتایج این قسمت توسط اندیس ارزیابی معرفی شده انجام شده است. سپس کنترل کننده پیکربندی مجدد به طور اتوماتیک با استفاده از الگوریتم جایابی ساختار ویژه را طراحی می کنم به طوری که تا دینامیک های سیستم حلقه بسته، مسیرهای مدل مرجع تنزل یافته را دنبال کنند. در زمان کوتاهی نیز ورودی فرمان را به طور اتوماتیک جهت جلوگیری عملگرها از اشباع، به روش گفته شده، تنظیم می کنم. از این طریق تنزل در عملکرد دینامیک از طریق مدل های مرجع تنزل یافته و تنزل در عملکرد حالت ماندگار با استفاده از روش های تنظیم دینامیک ورودی فرمان، در نظر گرفته می شود.

در این پژوهش برای خطا در هر عملگرد، یک مدل مرجع تنزل یافته در نظر گرفته ام. از این طریق با اثرات متفاوت خطاها در ورودی های کنترلی متفاوت به طور مجزا برخورد می شود. ساختار کلی FTCS طراحی شده، شامل بخش های مدیریت فرمان، تشخیص خطا، مکانیسم پیکربندی مجدد و کنترل کننده های فیدبک و پیش سو با قابلیت پیکربندی مجدد است.

در اکثر کارهای قبلی تلاش شده است سیستم خطادار همان مدل مرجع نامی مربوط به شرایط بدون خطا را ردیابی کند. این حالت در بیشتر سیستم های عملی که افزونگی سخت افزاری زیادی نیز ندارند، ایجاد مشکل می کند و حتی منجر به ناپایداری کل سیستم می شود. در این پژوهش تنزل عملکرد قابل قبولی برای سیستم در حضور خطاهای عملگر در طراحی وارد می شود. 

کاربرد سیستم کنترل با قابلیت پیکربندی مجدد طراحی شده در این پژوهش، در زمینه های مختلف مانند هواپیماها و صنایع هوایی، صنایع زیر دریایی، صنایع هسته ای و شیمیایی، تجهیزات پزشکی و… می باشد. 

روش ارائه شده برای یک مدل هواپیمی F-8 شبیه سازی شده و نتایج مطلوبی به دست آمده است.

مقدمه: 

سیستم های طراحی شده امروزه همواره در معرض خطاها هستند. خطاهای عملگر عملکرد سیستم کنترل را کاهش می دهند و حتی ممکن است منجر به از کار افتادن کلی سیستم شوند. در بسیاری از موقعیت های خطا، عملکرد سیستم جهت جلوگیری از آسیب به ماشین یا انسان، متوقف می شود. از این رو، تشخیص و برخورد با خطاها نقش مهمی در تکنولوژی مدرن دارد. امروزه اجزای اتوماتیک در یک صورت پیچیده طوری در تقابل با یکدیگر می باشند که یک خطا در یک جزء ممکن است منجر به خرابی کل سیستم شود. 

در این تحقیق، تشخیص خطا همراه با کنترل مقاوم خطا بررسی می شود و نشان داده می شود که چگونه اطلاعات به دست آمده از تشخیص خطا در تطبیق کنترل کننده با شرایط سیستم خطادار استفاده می شود. به عبارت دیگر، یک نوع سازگاری خطا انجام می شود، که شامل انتخاب یک ساختار جدید کنترلی به صورت طراحی مجدد روی خط است که با رفتار سیستم خطادار سازگاری بیشتری داشته باشد. جهت جلوگیری از خرابی بیشتر یا آسیب به ماشین یا انسان، خطاها باید به سرعت شناخته شوند تا تصمیمات لازم جهت جلوگیری از انتشار اثرات آنها، گرفته شود. ساختار یک سیستم مقاوم خطا در شکل نشان داده شده است. 

طراحی یک سیستم مقاوم خطا، شامل دو مرحله است: تشخیص خطا و طراحی مجدد کنترل. در روش های گذشته، خطاهای خاصی با اندازه گیری سیگنال های بخصوصی در سیستم، شناسایی می شدند و در صورت رخداد خطا کنترل کننده به یک جزء افزوده سوئیچ می کرد. در بسیاری از سیستم های مدرن امروزه، این روش پیچیده و گران قیمت است. 

روش ارائه شده در این تحقیق بر پایه افزونگی تحلیلی است. خطا براساس اطلاعات مدل سیستم و اندازه گیری های روی خط شناسایی می شود. سپس مدل با موقعیت خطا سازگار شده و کنترل کننده مجددا طوری طراحی می شود که سیستم حلقه بسته شامل سیستم خطادار، خصوصیات مطلوب را فراهم کند. 

یک خطا در یک سیستم دینامیکی شامل انحراف ساختار سیستم یا پارامترهای آن از شرایط نامی است. به عنوان مثال خطای ساختاری می تواند وقفه یک عملگر، تلفات در یک سنسور یا عدم اتصال اجزای سیستم باشد. تغییرات پارامتری در اثر آسیب یا فرسایش ایجاد می شود. تمام این خطاها منجر به انحرافاتی در ورودی و خروجی های دینامیک سیستم از مقدار نامی می شود و عملکرد کلی سیستم را تغییر می دهند. 

عدم قطعیت و اغتشاش نیز منجر به تغییر رفتار سیستم می شوند. خطا به صورت سیگنال خارجی اضافه شده (خطای جمع شونده) یا به صورت تغییرات پارامتری (خطای ضرب شونده) در مدل سیستم وارد می شود. اغتشاشات معمولا به صورت سیگنال های ورودی ناشناخته ای هستند که به خروجی سیستم اضافه می شوند. عدم قطعیت های مدل، پارامترهای مدل را مشابه خطاهای ضرب شونده تغییر می دهند. اغتشاشات و عدم قطعیت ها، اثرات نامطلوبی هستند که می دانیم وجود دارند و اثرشان بر عملکرد سیستم را می توان توسط اندازه گیری های مناسب مانند فیلتر کردن در نظر گرفت و یا با طراحی مقاوم با آن برخورد کرد. کنترل کننده ها طوری طراحی می شوند که تا حد مشخصی بتوانند حتی المقدور با اغتشاشات و عدم قطعیت های مدل مقابله کنند. معمولا خطا اثرات بسیار شدیدی بر سیستم دارد، طوری که با یک کنترل کننده با ساختار ثابت نمی توان اثراتشان را تعدیل کرد. کنترل مقاوم خطا، قانون کنترل را طوری تغییر می دهد که اثر خطاها تا حد قابل قبولی کاهش می یابد.