پایان نامه طراحی و پياده سازی كنترلگر موقعيت برای روبات كشسانمفصل با لحاظ مسئلة اشباع عملگر
چكيده
در اين پژوهش مسئلة كنترل روبات كشسانمفصل با لحاظ محدوديت اشباع عملگر مورد بررسي دقيق قرار گرفته است. بدين منظور با استفاده از دو رويکرد مختلف روشهايي براي حل آن ارائه شده است. در ادامه با استفاده از شبيهسازيهاي مختلف عملكرد روشهاي ارائه شده بررسي و سپس پايداري مقاوم ساختار پيشنهادي به صورت نظري اثبات شده است. در پايان صحت ادعاهاي نظري با پيادهسازي عملي بر روي يك روبات كشسانمفصل دو درجه آزادي مورد تأييد قرار گرفته است.
در اين پژوهش دو مجموعه نوآوري به انجام رسيده است. در مجموعة اول ابتدا يك روش كلي با عنوان «حلقة ناظر» براي برخورد با مسئلة اشباع ارائه شده است. اين روش بر روي سيستمهاي مختلفي پياده شده تا نشان داده شود كه مستقل از مدل ميباشد. سپس يك ساختار كنترل تركيبي همراه با حلقة ناظر براي روباتهاي كشسانمفصل ارائه شده تا نشان داده شود كه روش ارائه شده براي كاربرد اصلي مورد نظر پروژه (يعني روبات كشسانمفصل) عملكرد مناسبي را در حضور اشباع ايجاد ميكند. در ادامة اين پژوهش به اثبات نظري پايداري براي ساختار «تركيبي + ناظر» پرداختهايم. سپس براي اينكه قابليت پيادهسازي روش ارائه شده نشان داده شود آن را بر روي يك روبات كشسانمفصل كه در راستاي همين پژوهش طراحي و ساخته شده است پياده نمودهايم.
مجموعه نوآوري دوم ارائة رويكرد ديگري براي مقابله با اثرات اشباع در روباتهاي كشسانمفصل بر پاية روشهاي بهينة چند منظوره مبتني بر نرمهاي H2 و H¥ است. در اين روشها براي مقاوم بودن كنترلگر از بهينهسازي H¥ سود جسته و براي كم كردن دامنة كنترل و جلوگيري از اشباع عملگر، نرم سيگنال كنترلي نيز در فرايند بهينهسازي در نظر گرفته شده است. براي طراحي عددي از تبديل مسئله به LMI و روشهاي عددي متناظر با آن استفاده شده است. همچنين جهت نشان دادن كاراييِ روش در عمل، پيادهسازي آن بر روي روبات مذكور انجام پذيرفته است.
كلمات كليدي: روبات كشسانمفصل، اشباع عملگر، كنترل تركيبي، حلقة ناظر، روش كنترل H2/H∞، منطق فازي.
1-1- جايگاه روباتهاي كشسانمفصل در مهندسي كنترل. 1
1-2- مشكلات كنترل روباتهاي كشسانمفصل.. 3
1-3- كنترل با وجود محدوديت دامنه. 4
2- مروري بر پژوهشهاي قبلي و بيان چالشها 9
2-1- كنترل روباتهاي كشسانمفصل.. 9
2-1-4- پيشنهادات مختلف براي كنترل. 15
2-1-5- كميتهاي فيدبك شده و تقليل اندازهگيريها 15
2-1-7- كنترل مقاوم و پايداري.. 18
2-1-9- جمعبندي و بيان چالشها 22
2-2- مسئلة اشباع عملگر و روشهاي برخورد با آن. 22
2-2-1- مشكلات ناشي از اشباع. 23
2-2-2- روشهاي عمومي برخورد با مسئلة اشباع. 25
2-2-3- روشهاي بهينه و مقاوم در برخورد با اشباع. 26
2-2-5- مسئلة اشباع در روباتها 29
3- حلقة ناظر فازي، روشي براي برخورد با مسئله اشباع عملگر. 32
3-4- استفاده از حلقة ناظر بر روي دو سيستم عمومي.. 39
3-4-1- سيستم ناپايدار دو ورودي-دو خروجي.. 40
4- مسئلة اشباع در FJR و استفاده از روش حلقة ناظر براي برخورد با آن. 48
4-1- مدلسازي روباتهاي كشسانمفصل.. 48
4-1-1- كنترل تركيبي و رويكرد روية ناوردا براي كنترل FJR ها 53
4-2- استفاده از حلقة ناظر در ساختار تركيبي براي FJR.. 57
4-3- بررسي عملكرد روش ارائه شده با شبيهسازي.. 58
4-4- اثبات پايداري براي ساختار «تركيبي + ناظر» 62
4-4-1- پايداري زير سيستم تند. 64
4-4-2- لمهاي مورد نياز براي اثبات پايداري.. 67
4-4-3- اثبات پايداري سيستم كامل.. 71
5- نگاه دوم: روشهاي بهينة H¥ و H2 براي مقابله با اثرات اشباع در FJR.. 76
5-1- طراحي با رويكرد حساسيت مخلوط.. 79
5-2- طراحي با رويكرد H2 /H¥. 81
5-3- بررسي كارايي روشهاي ارائه شده 82
6-1- معرفي مجموعة آزمايشگاهي ساخته شده 91
6-1-1- سختافزار الكترومكانيكي.. 91
6-3- تخمين پارامترهاي سيستم. 100
6-4-2- كنترل تركيبي تحت نظارت ناظر فازي.. 109
پيوست الف: كنترل تركيبي و رويكرد روية ناوردا براي FJR چند محوره 118
پيوست ب: طراحي كنترل بهينة چندمنظوره مبتني بر نرم H¥ با تبديل به LMI. 127
پيوست ج: راهنماي كار با جعبهابزار زمان حقيقي نرمافزار MATLAB.. 132
پيوست د: راهنماي فني روبات خواجهنصير. 137
پيوست هـ : نتايج بيشتري از پيادهسازيها 140
واژهنامه انگليسي به فارسي.. 145
واژهنامه فارسي به انگليسي.. 146
مقالات استخراج شده از اين پژوهش…. 147
شكل 1‑1- بازوي ايستگاه فضايي بينالمللي.. 3
شكل 1‑2- دست 4 انگشتي DLR و ميكروهارمونيكدرايو به كار رفته در آن. 3
شكل 2‑1- ساختار ارائه شده در مقالة [108] براي مقابله با اشباع. 28
شكل 3‑2- ساختار حلقه بسته با حضور حلقة ناظر. 34
شكل 3‑3- تعريف متغيرهاي زباني براي دامنة سيگنال كنترل. 36
شكل 3‑4- تعريف متغيرهاي زباني براي مشتق سيگنال كنترل. 36
شكل 3‑5- تعريف متغيرهاي زباني براي بهرة ضرب شده در خطا 36
شكل 3‑6- نگاشت غير خطي معادل با منطق مورد استفاده 38
شكل 3‑7- خروجيها در حالت Sat 41
شكل 3‑8- خروجي اول در دو شبيهسازي Fuz و NoSat 42
شكل 3‑9- خروجي دوم در دو شبيهسازي Fuz و NoSat 42
شكل 3‑10- مقدار بهره در شبيهسازي Fuz. 42
شكل 3‑11- خروجي سه حالت NoSat، Sat و Fuz براي ورودي مرجع با دامنة 5/0. 44
شكل 3‑12- خروجي سه حالت NoSat، Sat و Fuz براي ورودي مرجع با دامنة 7/0. 44
شكل 3‑13- خروجي سه حالت NoSat، Sat و Fuz براي ورودي مرجع با دامنة 9/0. 44
شكل 3‑14- مقدار بهرة اعمال شده توسط ناظر براي ورودي مرجع با دامنة 9/0. 45
شكل 3‑15- اثر حلقة ناظر بر دامنة كنترل براي ورودي مرجع با دامنة 9/0. 45
شكل 4‑1- روبات كشسانمفصل يك درجه آزادي.. 53
شكل 4‑2- ساختار كنترل تركيبي براي FJR.. 57
شكل 4‑3- نحوة استفاده از حلقة ناظر براي FJR.. 58
شكل 4‑4- رديابي در حالت NoSat، بدون محدوديت عملگر و بدون ناظر. 60
شكل 4‑5- ناپايداري ناشي از اشباع با كران d = 830 در حالت Sat 60
شكل 4‑6- رديابي در حالت Fuz با كران اشباع به اندازة d = 830. 61
شكل 4‑7- مقدار l در حالت Fuz با كران اشباع به اندازة d = 830. 61
شكل 5‑1- نمودار حلقه بستة سيستم با عدم قطعيت ضربي در ورودي.. 78
شكل 5‑2- چگونگي وزندهي سيگنالها براي مسئلة حساسيت مخلوط.. 79
شكل 5‑3- مدلهاي شناسايي شده (P1 تا P20) و مدل نامي P0 83
شكل 5‑4- چگونگي اختيار كران بالاي عدم قطعيت… 84
شكل 5‑5- نمودارهاي بود دو كنترلگر. 86
شكل 5‑6- رديابي براي ورودي مرجع سينوسي با d = 12. 87
شكل 5‑7- سيگنال كنترل براي ورودي مرجع سينوسي با d = 12. 88
شكل 5‑8- ناپايداري رويكردهاي مختلف براي محدوديت دامنة d = 9. 88
شكل 6‑1- تصوير روبات مورد استفاده 90
شكل 6‑2- چگونگي عملكرد هارمونيك درايو. 91
شكل 6‑3- نمودار بلوكي روبات مورد استفاده 92
شكل 6‑4- تصوير مفصل كشسانِ ساخته شده 94
شكل 6‑6- مدل مورد استفاده براي اعمال ولتاژ به موتور دوم. 96
شكل 6‑7- مدل مورد استفاده براي خواندن كدگذار سوم. 97
شكل 6‑8- بازوي يك درجه با جعبه دنده 98
شكل 6‑9- دياگرام بلوكي ديناميك بازوي يك محوره 99
شكل 6‑10- زاوية اندازهگيري شدة بازوي دوم و مقدار شبيهسازي شدة آن. 103
شكل 6‑11- زاوية اندازهگيري شدة موتور دوم و مقدار شبيهسازي شدة آن. 103
شكل 6‑12- كنترل حلقه بستة PD براي بازوي دوم با اندازهگيري مكان عملگر. 104
شكل 6‑13- رفتار بازو با كنترل PD صلب براي ورودي سينوسي.. 105
شكل 6‑14- كنترل حلقه بستة PD براي بازوي دوم با اندازهگيري مكان بازو. 106
شكل 6‑15- رفتار بازوي دوم با كنترل PD صلب با اندازهگيري مكان بازو. 106
شكل 6‑16- رفتار بازو با سوييچ كردن كنترل تركيبي و كنترل صلب… 107
شكل 6‑17- رفتار بازو با كنترل تركيبي با بهره بالا. 108
شكل 6‑18- دامنة كنترل در روش كنترل تركيبي.. 109
شكل 6‑19- چگونگي پيادهسازي منطق نظارت… 109
شكل 6‑20- اثر حلقة ناظر بر رديابي سيگنال 20Sin(2t) براي نقطه كار 180 درجه. 111
شكل 6‑21- اثر حلقة ناظر بر رديابي سيگنال مربعي با دامنة 20 براي نقطه كار 0 درجه. 112
شكل ب‑1- دياگرام بلوكي مسألة مخلوط H2/H¥. 127
شكل ج‑1- چگونگي نصب كارت جديد. 134
شكل ج‑2- تنظيمات مربوط به بلوکهاي ورودي يا خروجي.. 134
شكل ج‑3- تنظيم پارامترهاي شبيه سازي.. 135
شكل ج‑4- تنظيم پارامترهاي زمان حقيقي.. 135
شكل ج‑5- توليد کد C ، ارتباط با پورت ، اجراي برنامه. 136
شكل د‑1- نمايي از رابط كاربر برنامة FjrInit.exe. 139
شكل ه ‑1- اثر حلقة ناظر بر رديابي سيگنال 40Sin(2t) براي نقطه كار 180 درجه. 140
شكل ه ‑2- اثر حلقة ناظر بر رديابي سيگنال 20Sin(4t) براي نقطه كار 0 درجه. 141
شكل ه ‑3- اثر حلقة ناظر بر رديابي سيگنال 20Sin(2t) براي نقطه كار 90- درجه. 142
شكل ه ‑4- اثر حلقة ناظر بر رديابي سيگنال مربعي با دامنة 20 براي نقطه كار 0 درجه. 143
شكل ه ‑5- اثر حلقة ناظر بر رديابي سيگنال مربعي با دامنة 20 براي نقطه كار 0 درجه – با ميرايي.. 144
جدول 2‑1- اولين مقالات ارائه شده در مورد روباتهاي كشسانمفصل.. 10
جدول 2‑2- مقالاتي كه خط اوليه را پي گرفتهاند. 13
جدول 4‑1- كران كمينة قابل قبول براي دو حالت Sat و Fuz. 60
جدول 4‑2- نرمهاي خطا براي دو حالت Sat و Fuz به ازاي مقادير مختلف d. 61
جدول 5‑1- مقادير dmin براي وروديهاي مختلف… 89
جدول 6‑1-ضريب كشساني اندازهگيري شده براي نقطة كار 90 درجه. 102
جدول 6‑2-ضريب كشساني اندازهگيري شده براي نقطة كار 90- درجه. 102
جدول 6‑3-پارامترهاي شناسايي شده 102
جدول 6‑4-پارامترهاي محاسبه شده 102
جدول د‑1- مشخصات موتور اول. 137
جدول د‑2- مشخصات موتور دوم همراه با جعبه دنده 137
جدول د‑3- مشخصات هارمونيكدرايو. 137
جدول د‑4- مشخصات سيگنالهاي اعمال شده از رايانه به روبات… 138
جدول د‑5- مشخصات سيگنالهاي اندازهگيري شده توسط رايانه. 138
در اين فصل با ورود به دنياي «روباتهاي كشسانمفصل» و بررسي مشكلات كنترل آنها و سپس با بررسي وجوه گوناگون مسئلة «محدوديت دامنة كنترل» زمينههاي لازم براي بيان چالشهاي موجود را فراهم آوردهايم. بدين ترتيب به بيان انگيزه و ضرورت انجام اين پژوهش پرداخته و در پايان به معرفي اجمالي نوآوريهاي اين پژوهش خواهيم پرداخت.
1-1- جايگاه روباتهاي كشسانمفصل در مهندسي كنترل
طراحي كنترل براي روباتها از اوايل دهه 1970 توجه مهندسان كنترل را به خود جلب كرد و كمكم روباتها در كاربردهاي متنوعي مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه روباتهاي چندمحوره در كاربردهاي مختلف فضايي، صنعتي و غيره به كار گرفته شدهاند كه اغلب با كنترلگرهاي متداول مانند PID كار ميكنند و ميتوان ادعا كرد كه مسئلة كنترل مكان براي روباتهاي صلب امروزه به طور مناسبي فهميده و حل شده است [[i]]. اما رفتهرفته در اثر جايگزيني روباتهاي متداول با روباتهاي جديد كه كوچكتر، سبكتر، سريعتر و باهوشتر هستند ديگر كنترلگرهاي متداول پاسخ مناسبي به نيازهاي كنترلي روباتها نداده و مسائل جديدي در مهندسي كنترل رخ مينمايد. ميتوان نشان داد كه در اغلب كاربردهاي جديد مانند روباتهاي پيشرفتة فضايي، روباتهاي خدمتكار، سيستمهاي پسخورانندة نيرو[1]، دستها و بازوهاي ماهر روباتيكي [[ii]] و ريزروباتها[2]، مسئلة مشترك اصلي براي كنترل روباتها «كشساني مفاصل» است. در اغلب موارد، كشساني نتيجة ذاتي القا شده از طرف ساختار روبات ميباشد؛ اما در مواردي نيز كشساني عمداً به روبات اضافه ميشود. تا چندي پيش رويكرد طراحي روباتها «هرچه صلبتر بهتر» بود و اين رويكرد نه به خاطر نارسايي روباتهاي كشسان، بلكه به خاطر سادگي كنترل در روباتهاي صلب اتخاذ ميشد [[iii]، [iv] و [v]]؛ اما امروزه اين رويكرد كمرنگ شده است زيرا در واقع صلب بودن و كشساني هر كدام مزيتهاي خود را دارند. در عملگرهاي صلب پهناي باند بالايي براي اعمال نيرو وجود دارد كه كنترل را ساده ميكند؛ از طرف ديگر اگر از عملگرهاي كشسان استفاده شود كنترل نيروي پايدار و كمنويز به علاوة ايجاد ايمني در تعامل با اشياي خارجي و برخوردهاي اتفاقي را خواهيم داشت [[vi] و [vii]].
منشأ ايجاد كشساني در مفاصل، اغلب سيستم انتقال توان ميباشد اگر در آن از عناصري مانند هارمونيكدرايو، تسمه (مانند روبات RTX [[viii]]) يا محورهاي بلند [[ix]] استفاده شده باشد. علاوه بر سيستم انتقال توان، حسگرهاي گشتاور و يا برخي عملگرها [6، 7، [x]] نيز ميتوانند منشأ كشساني باشند. از نظر تعداد، در اغلب روباتهاي كشسانمفصل[3] (FJR) منشأ ايجاد كشساني هارمونيكدرايو است (مثلاً در بازوي ايستگاه فضايي بينالمللي (شكل 1‑1)، دست روباتيكي ساخته شده در مركز فضايي آلمان (شكل 1‑2) و روبات صنعتي GE-P50 [[xi]]) و ديگر موارد ذكر شده به صورت انگشتشمار رخ مينمايند. (براي آشنايي عمومي با هارمونيكدرايو به مرجع [[xii]] رجوع نماييد).
شكل 1‑1- بازوي ايستگاه فضايي بينالمللي | شكل 1‑2- دست 4 انگشتي DLR و ميكروهارمونيكدرايو به كار رفته در آن |
1-2- مشكلات كنترل روباتهاي كشسانمفصل
همانطور كه ديديم استفاده از روباتهاي كشسان مسئلهاي غير قابل اجتناب است؛ اما اين كار مشكلات كنترلي خاص خود را به وجود خواهد آورد. در [11] نشان داده شده است كه بهكارگيري الگوريتمهاي كنترلي كه با فرض صلبيت طراحي شدهاند براي برخي روباتهاي واقعي كه كاملاً صلب نيستند باعث ايجاد محدوديت در عملكرد روبات ميشود. در اين مقاله همچنين به طور تجربي نشان داده شده است كه در يك روبات خاص (روبات P50 از كارخانه General Electric) كشساني مفاصل منجر به ايجاد مودهاي نوساني با ميرايي كم در پاسخ حلقه باز ميشود. شبيه به اين نتايج در ديگر روباتها نيز مشاهده ميشود؛ مثلاً در بازوهاي هيدروليكي بخاطر نرمي خطوط هيدروليكي و تراكم پذيري روغن مورد استفاده، در فركانس تشديد، روبات خوشرفتار نيست و اين واقعيت روي الگوريتمهاي كنترليِ صلب محدوديت پهناي باند ميگذارد و ممكن است حتي منجر به ناپايداري شود [3]. از طرف ديگر در [[xiii]] نشان داده شده است كه يك روبات كشسان سه محوره قابل خطيسازي با فيدبك نيست و كنترل آن روشهاي جديدي ميطلبد. به طور كلي امروزه پذيرفته شده است كه روشهاي صلب جوابگوي تمامي نيازهاي كنترلي در روباتيك نيستند و در نظر گرفتن خاصيت كشساني از اهميت بالايي برخوردار است.
كار بر روي كنترل روباتهاي كشسانمفصل از اوايل دهه 80 آغاز شده است و هنوز ادامه دارد. ديدگاههاي متنوعي در دو دهة گذشته براي برخورد با مسئلة كشساني در مفاصل ارائه شدهاند و صدها مقاله در اين زمينه را ميتوان در ميان منابع يافت. به طور كلي اين مقالات را ميتوان به دو دسته تقسيم كرد: مقالات تحليل و مقالات طراحي. در دستة اول نويسندگان به مباحثي چون مدلسازي روباتهاي كشسانمفصل، بيان پايههاي رياضي مورد استفاده، بررسي خواص اين روباتها، تحليل پايداري و غيره پرداختهاند. در دستة دوم نويسندگان صرفاً به طراحي كنترل براي يكي از مدلهاي ارائه شده پرداختهاند كه در ميان اين مقالات به انواع روشهاي كنترلي كلاسيك، مدرن، هوشمند، خطي، غيرخطي، مقاوم، تطبيقي و … بر ميخوريم. در بخش 2-1- پويش جامعي از كارهاي انجام شده در اين زمينه را ارائه خواهيم كرد. در يك كلام نتيجهاي كه با مرور ادبيات موضوع ميتوان به آن رسيد اين است كه در واقع بسياري از مشكلات كنترل روباتهاي كشسانمفصل بررسي شدهاند اما جنبههاي عملي مسئله خيلي كم مورد توجه قرار گرفتهاند و اغلب مقالات با مدلهايي كار كردهاند كه در استخراج آنها فرضهاي ساده كننده (و شايد غير واقعي) زيادي به كار رفته است. بيشتر مقالات كارايي روش پيشنهادي خود را توسط شبيهسازي آزمودهاند و تنها در موارد معدودي به پيادهسازي بر ميخوريم. حتي مسئلة اشباع عملگرها كه از متداولترين مشكلات عملي كنترل است تقريباً در هيچ مقالهاي در نظر گرفته نشده است. در اين پژوهش اين کاستيها مورد بررسي، تعريف دقيق و حل قرار گرفتهاند.
1-3- كنترل با وجود محدوديت دامنه
از ابتداي شكلگيري مهندسي كنترل به صورت امروزي، بحث محدوديت دامنة كنترل و
اشباع شدن عملگرها به دليل گريزناپذير بودن مواجهه با آن و جدي بودن مشكلات ناشي از آن، مطرح بوده است. در دهههاي 50 و 60 همزمان با شكوفايي كنترل بهينه پژوهشگران به محدوديت ناشي از اشباع عملگر نيز نظر داشتهاند [به عنوان نمونه [xiv]، [xv]، [xvi]]. نتيجة آن پژوهشها به صورت روشهايي از خانوادة bang-bang امروزه در كتب درسي كنترل بهينه جمعبندي شدهاند و قدمت و حجم پژوهش در اين زمينه چنان بوده است كه كتب و ويژهنامههاي بسياري در اين باره منتشر شده است [[xvii]، [xviii]، [xix] و…]. پس از گذشت چند دهه، در دهة اخير شاهد رويكرد مجددي به مسئلة اشباع هستيم و اين واقعيت نشان ميدهد كه هنوز اين مسئله به طور كامل حل نشده است و از وجوه گوناگون جاي كار دارد. شاهد اين مدعا علاوه بر حجم كثير مقالات در سالهاي اخير، ميتواند گفتة صابري، Lin و Teel (كه هر كدام صاحب مقالات (و كتب) متعددي در اين زمينه هستند) در مقالات [[xx]، [xxi] و [xxii]] باشد كه به اين واقعيت اذعان داشتهاند. در واقع چند دهه قبل مهندسان كنترل در پي «رفع مانعي به نام اشباع عملگر» بودند كه اين مسئله تا حد زيادي از حالت مانع بودن خارج شد. امروزه پژوهشگران بيشتر در پي «حفظ عملكرد در حضور محدوديتي به نام اشباع» هستند.
مشكلات ناشي از اشباع شدن عملگر(ها) را به طور كلي ميتوان سه دسته نمود: كوكشدگي[4]، ناپايداري و تغيير جهت بردار كنترل. بويژه مشكل ناپايداري نه تنها در تمام سيستمها بسيار جدي است بلكه در فصل 4- نشان خواهيم داد كه در روباتهاي كشسانمفصل نيز اين مشكل رخ ميدهد و مهمترين كاستي در آخرين روشهاي ارائه شده براي كنترل اين روباتها (كه با فرض عدم وجود محدوديت دامنه ارائه شدهاند) همين مشكل است. در اين پژوهش براي رفع اين مشكلات با جلوگيري از رخ دادن اشباع چارهانديشي شده است.
در اين بخش به اجمال نوآوريهاي اين پژوهش را معرفي خواهيم كرد. در اين پژوهش دو مجموعه نوآوري به انجام رسيده است. در مجموعة اول ابتدا يك روش كلي با عنوان «حلقة ناظر» براي برخورد با مسئلة اشباع ارائه گشته است [C8][5] كه سه ويژگي مهم دارد: 1) وابسته به مدل نيست، 2) خارج از ساختار اصلي كنترل سيستم قراردارد و به همين دليل خواص نظري اصلي سيستم را بر هم نميزند، و 3) محاسبات برخط[6] پيچيدهاي ندارد و در عمل به سهولت قابل پيادهسازي ميباشد. اين روش بر روي سيستمهاي مختلفي پياده شده است تا نشان داده شود كه مستقل از مدل ميباشد (ويژگي اول) [C9]. سپس يك ساختار كنترل تركيبي[7] با رويكرد روية ناوردا[8] همراه با حلقة ناظر براي روباتهاي كشسانمفصل ارائه شده است تا نشان داده شود كه روش ارائه شده براي كاربرد مورد نظر اصلي پروژه (يعني FJR) عملكرد مناسبي را در حضور اشباع ايجاد ميكند [J1 و C6]. ساختار تركيبيِ به كار گرفته شده در عدم حضور اشباع داراي اثبات نظري پايداري است اما نشان دادهايم كه در حضور اشباع ناپايدار ميگردد [C7]. در اين پژوهش به اثبات نظري پايداري براي ساختار «تركيبي + ناظر» پرداختهايم [C2، C5 و J3] و بدين ترتيب نشان دادهايم كه تعميم خواص نظري سيستم در حضور حلقة ناظر بدون مشكل امكانپذير است (ويژگي دوم). در ادامه براي اينكه قابليت پيادهسازي روش ارائه شده (ويژگي سوم) نشان داده شود آن را بر روي يك روبات كشسانمفصل كه در راستاي همين پژوهش طراحي و ساخته شده است پياده نمودهايم.
مجموعه نوآوري دوم ارائة رويكرد ديگري براي مقابله با اثرات اشباع بر پاية روشهاي بهينة چند منظوره مبتني بر نرمهاي H2 و H¥ است كه به دو روش منتهي ميشود [C4]. در اين روشها براي مقاوم بودن كنترلگر از بهينهسازي H¥ سود جسته و براي كم كردن دامنة كنترل و جلوگيري از اشباع عملگر، نرم سيگنال كنترلي را نيز در فرايند بهينهسازي وارد كردهايم. براي طراحي عددي از تبديل مسئله به LMI و روشهاي عددي متناظر با آن بهره بردهايم. تمام مراحل اعم از ارائة ايدة اوليه، تعريف مسئله منطبق بر نيازهاي FJR بر مبناي آن ايده، چارهجويي براي نكات عملي در طراحي كنترلگر، طراحي كنترلگر و در نهايت نشان دادن كاراييِ روش با پيادهسازي آن بر روي يك سيستم ساده، در قالب اين مجموعه نوآوري انجام پذيرفته است.
در ادامه بندهاي مختلفي را كه در دو مجموعه نوآوري فوق ذكر نموديم دوباره برميشمريم:
- ارائة روش حلقة ناظر براي مقابله با اثرات اشباع
- استفاده از روش نظارتي براي FJR
- اثبات پايداري روش نظارتي در يك ساختار كنترل تركيبي براي FJR
- ارائة دو روش بهينة مبتني بر نرمهاي H2 و H¥ براي مقابله با اثرات اشباع در FJR
- تعيين صحت و قابليت پيادهسازي با انجام پيادهسازي عملي بر روي يك نمونه
در فصلهاي آينده به تشريح اين موضوعات خواهيم پرداخت.
اين رساله در 6 فصل تنظيم شده است. در فصل دوم به مرور ادبيات و تحقيقات انجام شده خواهيم پرداخت. در فصل سوم روش حلقة ناظر را كه در اين پژوهش براي برخورد با مسئلة اشباع ارائه شده است خواهيم شكافت. در فصل چهارم روش حلقة ناظر را در يك ساختار كنترل تركيبي براي برخورد با مسئلة اشباع در FJR به كار گرفته و به تشريح وجوه مختلف آن خواهيم پرداخت. در فصل پنجم با دو روش ديگر كه بر مبناي بهينهسازي H∞ و H2 براي برخورد با مسئلة اشباع در FJR ها ارائه شده است آشنا خواهيم شد. فصل ششم به ارائة نتايج پيادهسازي بر روي روبات كشسانمفصلي كه در آزمايشگاه گروه روباتيك ارس دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي ساخته شده است اختصاص دارد. نهايتاً در فصل آخر به جمعبندي و ارائة پيشنهاداتي براي ادامة پژوهش ميپردازيم.
خلاصه فصل
در اين فصل با انگيزه و ضرورت انجام اين تحقيق آشنا شده و به معرفي اجمالي نوآوريهاي اين پژوهش پرداختيم.
[1] Force feedback
[2] Micro robots
[3] Flexible Joint Robot
[4] Wind up
[5] براي ايجاد تمايز بين مراجع پژوهش و مقالات استخراج شده از خود پژوهش (كه در صفحة 147 فهرست شدهاند)، اين مقالات را با افزودن يك حرف لاتين به شمار درآوردهايم، حرف J براي مقالات ارائه شده در مجلات و حرف C براي مقالات ارائه شده در كنفرانسها.
[6] On line
[7] Composite Control
[8] Integral Manifold
[[i]] Siciliano B., “Control in robotics: Open problems and future directions”, IEEE Int. Conf. on Control Applications, 1998
[[ii]] Liu H., Meusel P., Butterfass J., Hirzinger G., “DLR’s Multisensory articulated hand. Part II : The parallel torque/position control system”, IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, 1998
[[iii]] Spong M. W., Khorasani K., Kokotovic P. V., “An integral manifold approach to the feedback control of FJRs”, IEEE Journal of Robotics and Automation, 1987
[[iv]] Lin L. C., Yuan K., , “Control of FJRs via external linearization approach”, Journal of Robotic Systems, 1990
[[v]] Khorasani K., “Adaptive Control of FJR”, IEEE Trans. on Robotics and Automation, 1992
[[vi]] Williamson M. M., “Series elastic actuators”, A. I. Technical Report, 1995
[[vii]] Robinson D. W., Pratt J. E., Paluska D. J., Pratt G. A., “Series elastic actuator development for a biomimetic walking robot”, IEEE/ASME Int. Conf. on Advanced Intelligent Mechatronics, 1999
[[viii]] Wilson G. A., Irwin G. W., “Tracking Control of Manipulators with Elastic Joints”, IEEE Int. Conf. on Control Applications, 1993
[[ix]] Dixon W. E., Zergroglu E., Dawson D. M., Hannan M. W., “Global Adaptive Partial State Feedback tracking Control of Rigid Link FJR”, IEEE/ASME Int. Conf. on Advanced Intelligent Mechatronics, 1999
[[x]] Bar-Cohen Y., Xue T., Shahinpoor M., Simpson J., Smith J., “Flexible low mass robotic arm actuated by electro active polymers and operated equivalently to human arm and hand”, Conf. and Exposition/Demonstration on Robotic for Challenging Environments, 1998
[[xi]] Sweet L. M., Good M. C., “Re-definition of the robot motion control problems: Effects of plant dynamics, drive system constraints, and user requirements”, IEEE Int. Conf. on Decision and Control, 1984
[[xii]] سجاد ازگلي، حميدرضا تقيراد، آشنايي با روباتهاي كشسانمفصل و هارمونيك درايو، كنفرانس دانشجويي برق، شهريور 1381، دانشگاه شيراز
[[xiii]] Cesareo G., Marino R., “On the controllability properties of elastic robots”, Int. Conf. on Analysis and Optimization of Systems, 1984
[[xiv]] Chang S. S. L., “Minimal time control with multiple saturation limits”, IEEE Trans. on Automatic Control, 1963
[[xv]] Chang S. S. L., “Optimal control in bounded phase space”, Automatica, 1962
[[xvi]] Gamkrelidze R. V., “Optimal control processes with restricted phase coordinates”, Izvestia Akad. Nauk SSR, 1960
[[xvii]] International journal of nonlinear and robust control, Special issue on saturating actuators, No. 5, 1995
[[xviii]] Saberi A., Stoorvogel A. A., Sannuti P., Control of Linear Systems with Regulation and Input Constraints, Springer Verlag, 2000
[[xix]] Tabouriech S. and Garcia G. Eds., Control of Uncertain Systems with Bounded Inputs, Springer Verlag, 1997
[[xx]] Shi G., Saberi A., “On the input_to_state stability (ISS) of a double integrator with saturated linear control laws”, American Control Conf., 2002
[[xxi]] Saberi A., Lin Z., Teel R., “Control of linear systems with saturating actuators”, IEEE Trans. on Automatic Control, 1996
[[xxii]] Cao Y., Lin Z., Shamash Y., “Set invariance analysis and gain scheduling control for LPV systems to actuator saturation”, American Control Conf., 2002
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.