کلید واژه: بازوی رباتیک، مدیریت انرژی، کنترل تطبیقی، محاسبات نرم، PMSM.
 
 
 
فهرست مطالب
فصل 1- مقدمه. 2
1-1- پیشینۀ پژوهشی.. 3
1-2- رئوس مطالب… 5
فصل 2- مقدمه‌ای بر کنترل غیرخطی.. 8
2-1- مقدمه. 8
2-2- سیستم غیرخطی.. 9
2-3- تئوری پایداری لیاپانوف… 9
2-3-1- سیستم وابسته به زمان.. 9
2-3-2- تفاوت اصلی بین سیستم‌های متغیر با زمان و نامتغیر با زمان.. 10
2-3-3- مفهوم پایداری به بیان لیاپانوف… 10
2-3-3-1- تعریف پایداری مجانبی.. 11
2-3-3-2- تعریف پایداری نمائی.. 11
2-3-3-3- تعریف پایداری مطلق.. 11
2-4- کنترل تطبیقی.. 11
4-2-1- غیر مستقیم.. 12
2-4-2- مستقیم.. 12
فصل 3- مقدمه‌ای بر محاسبات نرم. 15
3-1- مقدمه. 15
3-2- شبکۀ عصبی مصنوعی.. 16
3-2-1- مقدمه. 16
3-2-2- الهام از بیولوژی.. 19
3-2-3- مدل نرون.. 20
3-2-4- معماری شبکۀ چند لایه. 20
3-3- کنترل فازی.. 21
3-3-1- مقدمه. 21
3-3-2- مفاهیم اولیه و تعاریف مقدماتی.. 22
3-3-3- ساختار کلی کنترل کنندۀ فازی.. 24
3-3-4- اجزای یک کنترل کنندۀ فازی.. 24
3-3-5- انواع کنترل کنندههای فازی.. 25
3-3-6- مقاسیۀ فازی نوع 1 با نوع 2.. 26
3-3-6-1- نمایش عدم قطعیت سیستم‌های Type-1  بوسیله Type-2. 26
3-3-6-2- توابع عضویت در فازی نوع 2.. 27
3-3-7- طراحی کنترل کننده فازی.. 28
3-3-7-1- طراحی سیستم‌های ردیاب با فیدبک حالت… 28
3-3-8- دیاگرام روش طراحی کنترل کنددۀ فازی.. 29
فصل 4- طراحی کنترل‌کننده برای بازوی رباتیک با هدف خنثی کردن اثرات اصطکاک، تداخل و ارتجاع   32
4-1- مقدمه. 32
4-2- مدل‌سازی.. 33
4-2-1- مدل‌سازی سیستم صلب: 33
4-2-2- مدل‌سازی سیستم منعطف: 34
4-3- کنترل‌کننده تطبیقی برای سیستم صلب… 37
4-3-1- شبیه‌سازی.. 40
4-3-2- نتایج.. 41
4-4- طراحی کنترل‌کننده تطبیقی با هدف خنثی کردن اصطکاک… 42
4-4-1- شبیه‌سازی.. 50
4-4-2- نتایج.. 51
4-5- طراحی کنترل کنندۀ تطبیقی بر اساس شبکۀ عصبی برای خنثی کردن اغتشاش…. 53
4-5-1- توضیح شماتیک کنترل کننده: 55
4-5-2- شبیه‌سازی و نتایج.. 55
4-6- طراحی کنترل کننده فازی برای بازوی رباتیک…. 59
4-6-1- شبیه‌سازی و نتایج.. 61
4-7- طراحی‌کننده فازی تطبیقی برای بازوی رباتیک…. 65
4-7-1- شبیه‌سازی و نتایج.. 70
4-7-2- نتیجه‌گیری.. 73
فصل 5- طراحی سیستم کنترل هوشمند بر اساس تئوری لیپانوف برای ماشین‌های سنکرون با آهنربای دائم (PMSM) 77
5-1- مقدمه. 77
5-2- مدلس‌ازی سیستم: 80
5-3- بردار تطبیقی براساس رویتگر. 81
5-3-1- تئوری تطبیقی.. 85
5-4- طراحی کنترل تطبیقی براساس رویتگر. 88
5-4-1- شبیه‌سازی.. 93
5-4-2- نتایج.. 94
5-5- طراحی سیستم کنترل تطبیقی برای سیستم با دینامیک نامعلوم. 97
5-5-1- نتایج.. 101
5-6- طراحی سیستم کنترل کنندۀ تطبیقی بدون سنسور براساس شبکه عصبی.. 104
5-6-1- شبیه‌سازی و نتایج.. 111
5-7- کنترل فازی تطبیقی.. 115
5-7-1- شبیه‌سازی و نتایج.. 121
5-8- نتیجه‌گیری.. 125
فصل 6- مدیریت و کنترل سیستم‌های تولید انرژی هوشمند.. 129
6-1- مقدمه. 129
6-1-1- مدل‌سازی سیستم.. 131
6-1-1-1- مبدل DC-DC دوطرفه. 131
6-1-1-2- باطری‌ها 133
6-2- طراحی کنترل تطبیقی فازی برای مبدل DC-DC.. 135
6-2-1- شبیه‌سازی و نتایج: 138
6-3- کنترل تطبیقی باس DC: 144
6-3-1- شبیه‌سازی و نتایج: 146
6-4- برآورد حالت شارژ (SOC) بر اساس رؤیتگر. 149
6-4-1- شبیه‌سازی و نتایج.. 151
6-5- برآورد حالت شارژ (SCC) با تئوری تطبیقی.. 155
6-5-1- شبیه‌سازی و نتایج.. 158
6-6- طراحی سیستم نظارتی فازی برای مدیریت انرژی وسایل الکتریکی با چند منبع مختلف: 161
6-6-1- شبیه‌سازی و نتایج.. 165
6-7- نتیجه‌گیری.. 168
فصل 7- نتیجه‌گیری.. 172
فهرست مراجع.. 174
 
جدول ‏4.1 پارامترهای فیزیکی بازو 50
جدول ‏4.2- جدول متغیرهای زبانی.. 61
جدول ‏4.3- جدول مقایسۀ نتایج.. 74
جدول ‏5.1- پارامترهای PMSM… 93
جدول ‏5.2- جدول قوانین فازی برای PMSM… 117
جدول ‏5.3- جدول مقایسۀ نتایج.. 127
جدول ‏6.1- جدول متغیرهای زبانی.. 138
جدول ‏6.2- پارامترهای باطری.. 151
جدول ‏6.3- پارامترهای مبدل باک… 159
جدول ‏6.4- جدول قوانین فازی برای n=2. 163
جدول ‏6.5- جدول قوانین فازی برای .. 164
جدول ‏6.6– جدول قوانین فازی برای .. 165
جدول ‏6.7– جدول قوانین فازی برای .. 165
جدول ‏6.8- جدول مقایسۀ نتایج.. 170
فهرست شکل‌‌ها
شکل  ‏2.1- مفهوم پایداری لیپانوف… 10
شکل  ‏2.2- شمای کنترل تطبیقی غیرمستقیم.. 12
شکل  ‏2.3- شمای کنترل تطبیقی مستقیم.. 13
شکل  ‏3.1- شماتیک ساده شده دو نرون بیولوژیکی.. 19
شکل  ‏3.2- ساختار نرون.. 20
شکل  ‏3.3- ساختار چند لایۀ شبکۀ نرونی با   یک و دو لایۀ مخفی.. 20
شکل  ‏3.4- ساختار کلی کنترل کنندۀ فازی.. 24
شکل  ‏3.5- اجزای کنترل کنندۀ فازی.. 25
شکل  ‏3.6- مکانیسم استنتاج فازی.. 25
شکل  ‏3.7- به ازای x=0.65  مقدارتابع عضویت مشخص شده است که متناظربا     هرمقدار        دارای مقدارمتفاوتی است   27
شکل  ‏3.8- توابع عضویت در نوع 1 و 2.. 27
شکل  ‏3.9- دیاگرام روش طراحی کنترل کنندۀ فازی.. 30
شکل  ‏4.1  i امین اتصال بازوی multi-joint 34
شکل  ‏4.2- نمای دو بعدی بازوی رباتیک…. 40
شکل  ‏4.3- سیگنالهای مرجع مکان و سرعت بازوها 41
شکل  ‏4.4-  پاسخ بازو با مقادیر نامی: (a) خطای مکان؛ (b) پارامتر …. 41
شکل  ‏4.5–  پاسخ بازو با اصطکاک کولمبی : (a) خطای مکان؛ (b) پارامتر …. 41
شکل  ‏4.6– شمای کنترل‌کننده برای خنثی کردن اثر اصطکاک… 45
شکل  ‏4.7– پاسخ سیستم خنثی کنندۀ اصطکاک با مقادیر نامی. (a) خطای مکان؛ (b) خطای سرعت؛ © پایداری داخلی؛ (d) گشتاور خروجی کنترل کننده، . 52
شکل  ‏4.8– تخمین اصطکاک با مقادیر نامی، خنثی سازی جزئی (a) بازوی 1؛ (b) بازوی 2. 52
شکل  ‏4.9– تخمین اصطکاک با مقادیر نامی، خنثی سازی کامل (a) بازوی 1؛ (b) بازوی 2. 53
شکل  ‏4.10– شمای کنترل کنندۀ خنثی کنندۀ اغتشاش…. 53
شکل  ‏4.11– پاسخ سیستم خنثی کنندۀ اغتشاش با مقادیر نامی: (a) خطای مکان بازو؛ (b) خطای سرعت؛ © پایداری داخلی؛ (d) گشتاور خروجی کنترل کننده ؛ (e) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 1 ؛ و (f) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 2 .. 57
شکل  ‏4.12– پاسخ سیستم خنثی کنندۀ اغتشاش با شراایط اولیۀ : (a) خطای مکان بازو؛ (b) خطای سرعت؛ © پایداری داخلی؛ (d) گشتاور خروجی کنترل کننده ؛ (e) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 1 ؛ و (f) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 2 .. 58
شکل  ‏4.13- شمای کنترل کنندۀ فازی.. 59
شکل  ‏4.14– تابع عضویت فازی نوع 1.. 60
شکل  ‏4.15– تابع عضویت فازی نوع 2.. 60
شکل  ‏4.16– سیگنالهای مرجع مکان و سرعت بازوها 62
شکل  ‏4.17– پاسخ سیستم کنترل فازی با مقادیر نامی: (a,b) خطای مکان؛ (c,d) خطای سرعت؛ (e,f) نمایش همزمان سرعت موتور و بازو؛ (g,h) گشتاور کنترل کننده . 63
شکل  ‏4.18– پاسخ سیستم کنترل فازی با شرایط اولیه: (a,b) خطای مکان؛ (c,d) خطای سرعت؛ (e,f) نمایش همزمان سرعت موتور و بازو؛ (g,h) گشتاور کنترل کننده . 64
شکل  ‏4.19– شمای کنترل کنندۀ فازی تطبیقی.. 65
شکل  ‏4.20– ساختار کنترل‌کننده تطبیقی فازی نوع 2.. 66
شکل  ‏4.21– سیگنالهای مرجع مکان و سرعت بازوها 71
شکل  ‏4.22– پاسخهای سیستم کنترل تطبیقی فازی نوع 1 و نوع 2 با وجود تغییر در جرم بازو و اینرسی بار: (a, b) خطای مکان؛ (c, d) خطای سرعت؛ (e, f) سرعت موتور و بازو؛ (g, h) گشتاور کنترل کننده. 72
شکل  ‏4.23– پاسخهای سیستم کنترل تطبیقی فازی نوع 1 و نوع 2 با وجود تغییر در ضریب سختی: (a, b) خطای مکان؛ (c, d) خطای سرعت؛ (e, f) سرعت موتور و بازو؛ (g, h) گشتاور کنترل کننده. 73
شکل  ‏5.1– شمای بردار کنترل تطبیقی.. 82
شکل  ‏5.2-  شمای کنترل تطبیقی.. 88
شکل  ‏5.3– سیگنال مرجع کنترل کنندۀ تطبیقی.. 94
شکل  ‏5.4– پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) خطای تخمین سرعت؛ © مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی . 95
شکل  ‏5.5– پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با تغییر بار: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) خطای تخمین سرعت؛ © مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی . 96
شکل  ‏5.6– طراحی تخمین اغتشاش…. 97
شکل  ‏5.7– پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) مولفههای جریان در راستای d-q؛ © مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (d) گشتاور خروجی؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی . 102
شکل  ‏5.8– پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با تغییر بار: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) مولفههای جریان در راستای d-q؛ © مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (d) گشتاور خروجی؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی . 103
شکل  ‏5.9– شماتیک سیستم کنترل تطبیقی بدون سنسور بر اساس شبکۀ عصبی.. 104
شکل  ‏5.10– سیگنال مرجع کنترل کنندۀ تطبیقی بر اساس شبکۀ عصبی.. 111
شکل  ‏5.11– پاسخ سیستم کنترل شبکۀ عصبی تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای تخمین سرعت؛ (b) خطای ردگیری سرعت؛ © مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) گشتاور کنترل کننده؛  (f)تخمین پارامتر . 113
شکل  ‏5.12– پاسخ سیستم کنترل شبکۀ عصبی تطبیقی با گشتاور تداخلی بار: (a) خطای تخمین سرعت؛ (b) خطای ردگیری سرعت؛ © مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) گشتاور کنترل کننده؛  (f)تخمین پارامتر . 114
شکل  ‏5.13– شمای کنترل کنندۀ فازی تطبیقی.. 115
شکل  ‏5.14– توابع عضویت ورودی کنترل کنندۀ فازی.. 116
شکل  ‏5.15– ساختار کنترل کنندۀ فازی تطبیقی.. 118
شکل  ‏5.16- سیگنال مرجع سرعت روتور 121
شکل  ‏5.17- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ © جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی  . 122
شکل  ‏5.18- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با تغییر در پارامترها: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ © جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی  . 123
شکل  ‏5.19- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با وجود تداخل گشتاور بار: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ © جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی  . 124
شکل  ‏5.20- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با افزایش اندازۀ اصطکاک غیرخطی: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ © جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی  . 125
شکل  ‏6.1– سیستم تولید انرژی.. 129
شکل  ‏6.2– سیستم الکتریکی یک وسیلۀ نقلیه. 130
شکل  ‏6.3– سیستم تغذیۀ DC-AC با مبدل دوطرفۀ DC-DC.. 131
شکل  ‏6.4– حالات عملکرد مبدل DC-DC.. 132
شکل  ‏6.5– ساختار مبدل DC-DC.. 132
شکل  ‏6.6– مدار معادل باطری.. 133
شکل  ‏6.7– شمای کنترل کنندۀ فازی تطبیقی برای مبدل افزایشی DC-DC.. 137
شکل  ‏6.8– توابع عضویت فازی برای؛ (a) خطای ولتاژ، (b) تغییرات خطای ولتاژ 137
شکل  ‏6.9– مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI : (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ © جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده .. 139
شکل  ‏6.10– مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI در حضور بار کوچکتر: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ © جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده .. 140
شکل  ‏6.11– مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI در حضور بار بزرگتر: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ © جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده .. 141
شکل  ‏6.12– مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI با تغییر اندازۀ سلف: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ © جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده .. 142
شکل  ‏6.13– مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI با تغییر اندازۀ خازن: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ © جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده .. 143
شکل  ‏6.14– شمای کنترل تطبیقی باس DC.. 145
شکل  ‏6.15– شمای کنترل کنندۀ PI سری شده 146
شکل  ‏6.16– کنترل باس DC در شرایط نامی و ولتاژ تغذیۀ ثابت : (a) جریان اینورتر io ؛ (b) ولتاژ باس VDC؛ © جریان منبع is ؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده ؛ (e) تخمین پارامتر تطبیقی .. 147
شکل  ‏6.17– کنترل باس DC در شرایط نامی و ولتاژ تغذیۀ سینوسی : (a) جریان اینورتر io ؛ (b) ولتاژ باس VDC؛ © جریان منبع is ؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده ؛ (e) تخمین پارامتر تطبیقی .. 148
شکل  ‏6.18– پاسخ سیستم برآورد SOC بر اساس رؤیتگر با مقادیر نامی: (a) ولتاژ باطری Vb؛ (b) جریان باطری Ib؛ © خطای تخمین ولتاژ باطری e؛ (d) خطای تخمین SOC. 152
شکل  ‏6.19– پاسخ سیستم برآورد SOC بر اساس رؤیتگر با اندازۀ خازن 10 برابر بزرگتر: (a) ولتاژ باطری Vb؛ (b) جریان باطری Ib؛ © خطای تخمین ولتاژ باطری e؛ (d) خطای تخمین SOC. 153
شکل  ‏6.20– پاسخ سیستم برآورد SOC بر اساس رؤیتگر با امپدانس 2 برابر بزرگتر: (a) ولتاژ باطری Vb؛ (b) جریان باطری Ib؛ © خطای تخمین ولتاژ باطری e؛ (d) خطای تخمین SOC. 154
شکل  ‏6.21– مدار معادل مبدل باک… 159
شکل  ‏6.22– شمای کنترل مبدل.. 159
شکل  ‏6.23– پاسخ سیستم SOC تطبیقی: (a) ولتاژ معکوس کننده ؛ (b) چرخۀ کار ؛ © ولتاژ باطری ؛ (d) جریان باطری ؛ (e) خطای تخمین ولتاژ باطری ؛ (f) ولتاژ تخمینی مدار باز . 160
شکل  ‏6.24– بلوک دیاگرام شماتیک سیستم کنترل نظارت فازی برای مدیریت انرژی.. 163
شکل  ‏6.25– تابع عضویت فازی ورودی برای n=3. 165
شکل  ‏6.26– پاسخ سیستم مدیریتی فازی تحت توان وروی  : (a) ولتاژ باس DC ، ؛ (b) جریان باطریها ؛ © چرخههای کار ؛ (d) حالت شارژ  ؛ (e) و پارامتر سیستم 167

فصل 1- مقدمه
روش­های طراحی کنترل کننده برای سیستم­های غیرخطی را می­توان به سه دسته تقسیم کرد. روش اول شامل خطی سازی سیتم­های غیرخطی حول نقطۀ کار است [1]. در این حالت قوانین کنترل کلاسیک برای سیستم­های تقریبی استفاده می­شود. با وجود سادگی این قوانین سیستم کنترل به صورت کلی کارایی تضمین شده­ای ندارد. روش دوم طراحی کنترل کننده بر اساس دینامیک سیستم­های غیر خطی است. در این روش خصوصیات سیستم­های غیر خطی حفظ می­شود، که همین امر به دلیل وجود دینامیک پیچیدۀ این سیستم­ها طراحی را بسیار سخت می­کند [2]. علاوه بر این، روش­های فوق، از مدل­سازی ریاضی دقیقی بهره می­برند که در حالت تئوری کارایی بسیار خوبی دارد، اما در عمل به علل مختلفی از جمله تغییر در شرایط عملیاتی، عدم قطعیت­های دینامیک اعم از ساختار یافته و ساختار نیافته، و اغتشاشات خارجی، دچار افت عملکردی می­شوند. در حقیقت به دست آوردن یک مدل ریاضی دقیق برای فرآیندهای سیستم­های پیچیدۀ صنعتی بسیار سخت است. به علاوه عوامل دیگری هم وجود دارند که قابل پیش­بینی نیستند، مانند اغتشاش، دما، تغییرات پارامترهای سیستم و غیره. بنابراین دینامیک سیستم را نمی­توان فقط بر اساس مدل احتمالاً دقیق ریاضی بیان کرد. روش سوم کنترل کننده­های غیر خطی را توسط ابزار محاسباتی هوشمند از جمله شبکه­های عصبی مصنوعی[1] (ANNs) و سیستم­های منطق فازی[2] (FLSs) پیاده­سازی می­کند [3-8]. این تکنیک­ها در بسیاری از کاربردهایشان به خوبی نتیجه داده­اند و به عنوان ابزاری قدرتمند توانسته­اند مقاومت بالایی را برای سیستم­هایی که به لحاظ ریاضی خوش تعریف نبوده و در معرض عدم قطعیت قرار گرفته­اند، ایجاد کنند [9,10]. تئوری تقریب عمومی[3] عامل اصلی افزایش استفادۀ اینگونه مدل­ها است و بیان می­دارد که با این روش­ها به لحاظ تئوریک قادر به تخمین هر تابع حقیقی و پیوسته­ای با دقت دلخواه هستند. مدل­های مختلف شبکه­های عصبی مصنوعی و منطق فازی برای حل بسیاری از مشکلات پیچیده به کار می­روند و نتایج نیز عموماً مطلوب است [11-14]، و می­توان به این نکته معترف بود که این روش­ها جایگزینی بر روش‌های کنترلی معمولی و کلاسیک خواهند بود. به عنوان نمونه­ای از قدرت­نمایی و کاربرد هوش مصنوعی می­توان به طراحی کنترل کننده­هایی برای فضاپیماها و ماهواره­ها اشاره کرد که مثالی از آن را در [15] آورده شده است.