فهرست مطالب

مجله کنترل
سال شانزدهم شماره 1 (بهار 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/04/23
  • تعداد عناوین: 7
|
  • محمدرضا زمانی بهبهانی، زهرا رحمانی*، بهروز رضایی صفحات 1-11

    در این مقاله، ساختار جدیدی از کنترل پیش بین برای سیستم های تکه ای افاین به عنوان کلاس خاصی از سیستم های هیبریدی مطرح شده است. به دلیل زمانبر بودن محاسبات آنلاین در مساله بهینه سازی پیش بین و پیچیدگی محاسبات آن، ساختار صریح الگوریتم پیش بین به منظور کنترل مبدل باک در این مقاله استفاده شده است. چون کنترل پیش بین صریح به جای حل مکرر آنلاین مساله بهینه سازی، فقط یکبار و بصورت آفلاین محاسبات بهینه سازی را انجام می دهد، برای سیستم های هیبریدی با دینامیک های سریع مناسب است. در واقع در این الگوریتم به جای استفاده از درایه اول بردار ورودی کنترلی ، از تمامی درایه های آن به صورت وزندار برای به روزرسانی قانون کنترل استفاده می شود. برخلاف الگوریتم پیش بین صریح متداول که فقط از یک درایه از بردار ورودی کنترلی بهینه استفاده می کند، کنترل پیش بین صریح پیشنهادی از تمام درایه های بردار ورودی کنترلی بهینه به همراه ضرایب وزنی بهینه استفاده می کند. الگوریتم پیش بین صریح پیشنهادی در هر مرحله، دو مساله بهینه سازی به صورت مجزا حل می کند. مساله اول، مربوط به حل مساله بهینه سازی پیش بین صریح است و مساله بهینه سازی دوم مربوط به یافتن ضرایب وزنی بهینه در جهت کاهش مقدار سیگنال خطا در هر مرحله از الگوریتم می باشد. همگرایی روش پیش بین صریح پیشنهادی به سمت مقادیر موردنظر در این مقاله اثبات شده و نتایج شبیه سازی، برتری روش پیش بین صریح پیشنهادی را نسبت به پیش بین صریح متداول به شرط تنظیم مناسب ضرایب وزنی الگوریتم و انتخاب مناسب افق های کنترلی را نشان داده است.

    کلیدواژگان: الگوریتم پیش بین، بهینه سازی آفلاین، مبدل باک، همگرایی
  • علیرضا فرجی برمکی*، امیر امینی زازرانی، مهدی محمدی مهر صفحات 13-26

    ایده استفاده از مدل های برگزیده تکه ای بر تجزیه سیستم های غیرخطی پیچیده به چندین مدل محلی، طراحی کنترل کننده های محلی و سپس ترکیب آن ها جهت کنترل ورودی سیستم غیرخطی استوار است. دو مسیله مهم در پیاده سازی مدل های برگزیده تکه ای حفظ پایداری سیستم نهایی و عملکرد مناسب آن است. مشکل اصلی در مدل های برگزیده تکه ای تعداد و محل آنها می باشد که عدم توجه به این خصیصه باعث افزونگی، پیچیدگی محاسباتی و کاهش عملکرد سیستم می گردد. در این مقاله پارامتر بیشینه آستانه پایداری که جزء مشخصه اصلی هر زیر سیستم بوده و علاوه بر تضمین پایداری، امکان دسته بندی کنترل کننده های محلی را فراهم می آورد در نظر گرفته شده است. بر اساس معیار حد فاصله و پارامتر بیشینه آستانه پایداری می توان تعداد اندکی از کنترل کننده ها در موقعیت های مختلف را به عنوان کنترل کننده های برگزیده به کمک الگوریتم ژنتیک انتخاب کرد. یکی دیگر از چالش های مدل های برگزیده تکه ای وجود ضربه در هنگام کلیدزنی بین کنترل کننده ها است. در این مقاله تلاش شده تا با بهینه سازی یک تابع وابسته به خطای کلیدزنی بین کنترل کننده های سیستم، مشکل ضربه در زمان های کلیدزنی با تعیین توابع وزنی بر اساس روش سعی و خطا تا حد امکان کاهش یابد. روش مذکور برای کاهش نوسانات یک ورق ساندویچی مستطیلی شکل که معادلات دارای نامعینی آن بر اساس رابطه ریلی-ریتز-لاگرانژ شبیه سازی شده است.

    کلیدواژگان: مدل های برگزیده تکه ای، بیشینه آستانه پایداری، تابع حساسیت، خطی سازی، الگوریتم ژنتیک
  • نعمت الله قهرمانی*، حسن الحسن صفحات 27-36

    در این مقاله نوعی فیلتر پیش بین با رویکرد جدید برای ترازیابی سامانه ناوبری اینرسی با مدل غیرخطی ارایه و پایداری آن تحلیل شده است. پایداری فیلتر جدید بر اساس روش لیاپانوف مورد تجزیه وتحلیل قرارگرفته است. تابع لیاپانوف را به صورت تابع هزینه درجه دوم انتخاب می شود. این روش شرایط کافی را برای پایداری حالت تعادل در برابر عدم قطعیت و نویزهای اندازه گیری ارایه می دهد. از روش پیشنهادی برای بهبود دقت ترازیابی اولیه یک سامانه ناوبری اینرسی با عدم قطعیت و خطای سمت با مقدار بزرگ استفاده شده است. مدل اندازه گیری این سامانه غیرخطی بوده و دارای خطای مدل سازی است. در این روش خطای مدل تخمین زده شده و سپس در الگوریتم فیلتر این خطا جبران می شود؛ به همین خاطر خطای حالت های تخمین نیز در مرحله بهنگام سازی اطلاعات فیلتر کاهش می یابد. با انجام شبیه سازی های گوناگون این روش بر روی داده های واقعی حسگر میکرو الکترومکانیکی MEMS و با مقایسه آن با فیلتر کالمن توسعه یافته و فیلتر کالمن بدون بو، مشاهده می شود که روش پیشنهادی دقت و سرعت همگرایی بالاتری نسبت به فیلتر کالمن توسعه یافته و فیلتر کالمن بدون بو دارد. اثبات می شود الگوریتم جدید دارای پایداری مجانبی است.

    کلیدواژگان: فیلتر کالمن توسعه یافته، مدل پیش بین، خطای مدل، ترازیابی سامانه ناوبری اینرسی. تحلیل پایداری
  • محمد هجری*، فرزین احسانی صفحات 37-47

    این مقاله به ارایه یک روش کنترل جدید بر مبنای پایدارسازی به روش تابع لیاپانوف برای کنترل همزمان جریان های شبکه، جریان های گردشی و ولتاژ ماژول های مبدل چندسطحی چندبخشی می پردازد. برخلاف روش های موجود که از ساختارهای تودرتو و چندحلقه ای کنترلی استفاده می کنند روش پیشنهادی دارای ساختار تک حلقه ای بوده و پایداری مجانبی سرتاسری سیستم حلقه بسته را تضمین می نماید. در این راستا ابتدا معادلات دینامیکی مبدل و شبکه با استفاده از روش متوسط گیری استخراج گردیده و سپس مختصات نقطه کار در حالت کار ماندگار با استفاده از این معادلات بدست می آید. در ادامه با استفاده از مختصات نقطه کار بدست آمده و معادلات دینامیکی سیستم اصلی، معادلات مربوط به دینامیک خطا محاسبه می گردد. در نهایت این معادلات به همراه تابع لیاپانوف که بر اساس سیگنال های خطا تعریف شده است برای محاسبه تحلیلی ورودی های کنترلی استفاده می شوند. نتایج شبیه سازی، کارآمدی روش کنترل پیشنهادی را تایید می کند.

    کلیدواژگان: مبدل چندسطحی چندبخشی، پایدارسازی سرتاسری، تابع لیاپانوف، کنترل حلقه بسته
  • احمد مداری، حمیدرضا مومنی* صفحات 49-62

    در این مقاله، یک معیار جامع سنجش کیفیت به منظور بررسی عملکرد مدل های شناسایی شده از سیستم های هیبرید غیرخطی با روش های مبتنی بر رگرسیون بردار پشتیبان، توسعه داده شده است. معیار سنجش کیفیت پیشنهادی در بردارنده تمامی فاکتورهایی است که کیفیت مدل شناسایی شده را تحت تاثیر قرار می دهد. این فاکتورها عبارتند از: خطای شناسایی، کیفیت سیگنال سوییچ و پیچیدگی مدل. با استفاده از معیار کیفیت توسعه داده شده ، می توان پاسخ های حاصل از شناسایی سیستم هیبرید را مقایسه کرده و بهترین مدل بدست آمده که دارای پیچیدگی معقول بوده، خطای شناسایی مناسب داشته و کیفیت سیگنال سوییچ آن مطلوب است را انتخاب نمود. این معیار کیفیت با لحاظ کردن اصل تیغ اوکام، از انتخاب مدل های بسیار پیچیده جلوگیری می کند. همچنین امکان مقایسه تاثیر توابع کرنل متفاوت بر مدل شناسایی شده را با در نظر گرفتن فاکتورهای ذکر شده، فراهم می کند.

    کلیدواژگان: شناسایی سیستم، سیستم هیبرید غیرخطی، کیفیت شناسایی، اصل اوکام
  • مهسا رحمتی خرم آبادی، زهره شهرویی*، رقیه گوگ ساز قوچانی صفحات 63-72

    در این مقاله، یک کنترل کننده بدون سنسور مبتنی بر فلتنس با مشاهده گر غیرخطی برای کنترل مبدل بوست غیرایده آل پیشنهاد شده است. تلفات در این مبدل، از طریق منبع ولتاژ سری با ورودی و منبع جریان موازی با خروجی مدل سازی شده است. با کمک کنترل مبتنی بر فلتنس، هر دو پارامتر ولتاژ خروجی و جریان سلف در یک ساختار تک حلقه تنظیم شده است. اما روش مبتنی بر فلتنس به مدل دقیق سیستم وابسته است و برای به دست آوردن اطلاعات تمام پارامترها نیاز به تعداد سنسور بیشتری دارد. در راستای کاهش سنسور، یک مشاهده گر غیرخطی برای تخمین جریان خروجی و ولتاژ ورودی به کار گرفته شده است و سنسورهای مربوط به این دو پارامتر حذف شده است. در نتیجه، هزینه، وزن و حجم سیستم، کاهش و قابلیت اطمینان سیستم افزایش می یابد. برای اعتبارسنجی روش پیشنهادی، نتایج شبیه سازی و کار آزمایشگاهی ارایه و مقاوم بودن کنترل کننده پیشنهادی در برابر تغییر پارامترها بررسی شده است. هم چنین، نتیجه شبیه سازی کنترل کننده پیشنهادی با یک کنترل کننده دو حلقه PI و انرژی مقایسه شده است.

    کلیدواژگان: کنترل کننده بدون سنسور، فلتنس، ساختار تک حلقه
  • مهدی خسروی سامانی، علیرضا باصحبت نوین زاده* صفحات 73-87

    میکرو پرنده بال‌زن یک دینامیک چند پیکره متناوب است که تحت تاثیر آیرودینامیک ناپایا قرار دارد. این ویژگی‌ها کنترل وسیله پرنده را دشوار می‌کند. صرفنظر کردن از لختی بال، میانگین‌گیری از دینامیک بدنه و استفاده از مدل آیرودینامیک ساده، فرضیات ساده‌شونده‌ای است که در روش‌های کنترل بر مبنای مدل مورد استفاده قرار می‌گیرد، اگرچه کنترل دقیق وسیله پرنده با این ملاحظات دشوار است. جهت غلبه بر این مشکلات یک رویکرد کنترل چند جسمی بر اساس روش کنترل تطبیقی مدل آزاد با ساختار متغیر ارایه شده‌است. این روش اولین چارچوب‌ ارایه شده برای کنترل پرنده بال‌زن است که ماهیت چندجسمی، غیرخطی و متغیر با زمان بودن آن را در کنار مشخصات آیرودینامیکی اصلی آن به شکل یکپارچه در نظر میگیرد و فرایند کنترل را انجام می دهد. این روش یک روش داده محور از جنس ورودی-خروجی است در حالیکه شامل هیچ اطلاعات صریحی از مدل پرنده نیست. در این رویکرد ابتدا به کمک مفهوم جدیدی به نام مشتق شبه جزیی، دینامیک غیرخطی پرنده بال‌زن به یک دینامیک خطی معادل تبدیل می‌شود، و بعد از تخمین آن قانون کنترل تطبیقی مدل آزاد بر اساس معیار بهینه طراحی می‌شود. سپس کنترل‌کننده با افزودن یک جمله کنترلی ساختار متغیر از نوع مود لغزشی تقویت شده‌است تا پایداری و همچنین افزایش سرعت همگرایی را تضمین کند. در نهایت نتایج شبیه‌سازی کارایی روش ارایه شده را جهت کنترل چند جسمی مسیر پرنده بال‌زن با دینامیک متغیر بازمان متناوب تایید می‌کند.

    کلیدواژگان: پرنده بال زن، کنترل تطبیقی مدل آزاد، دینامیک چند پیکره، کنترل ساختار متغیر
|
  • Mohammadreza Zamani Behbahani, Zahra Rahmani*, Behrooz Rezaie Pages 1-11

    This paper proposes a novel structure of model predictive control algorithm for piecewise affine systems as a particular class of hybrid systems. Due to the time consuming and computational complexity of online optimization problem in MPC algorithm, the explicit form of MPC which is called Explicit MPC (EMPC) is applied in order to control of buck converter. Since the EMPC solves the optimization problem only once and in offline manner, this strategy is suitable for hybrid systems with fast dynamics. As opposed to typical EMPC that is uses only the first element of optimal input vector, the proposed strategy uses all entries of the control sequence with optimal weighting factors. In proposed EMPC, two separate optimization problems are solved at each algorithm step. The first one is related to EMPC optimization problem and the second optimization problem is concerned to finding optimal weighting factors so as to minimize the error signal at each step. The convergence property of the proposed EMPC towards to the desired value has been proved and the simulation results shows the better performance of the proposed EMPC strategy than the typical one, if the weighting factors and control horizons are adjusted properly.

    Keywords: Model predictive control, Offline optimization, Buck converter, Convergence
  • Alireza Faraji Barmaki*, Amir Amini Zazerani, Mahdi Mohammadimehr Pages 13-26

    The idea of using multi-model controllers has been established on the decomposition of complicated nonlinear systems into multi local models, designing the local controllers, and their composition for the system input control. Since the proper performance and the final system close loop stability are vital in multi-model controllers designing, the main problem in multi-model controllers is the number of the local models and their position not paying attention to which will result in redundancy, estimation complexity and the decreased performance of the system. Determining a specific margin based on nonlinear model characteristics is a good criterion for the classification. The first margin largely depends on the preliminary knowledge of designing the wrong selection of which will add to the redundancy of the local models and the problem’s complexity. In this article, the maximum stability margin parameter which is the main feature in each sub system and the best choice for the local controllers clustering has made the classification possible and also guaranteed close loop stability of the system. Based on the gap metric and the maximum stability margin, an optimal solution for the number of the local controllers and their position can be obtained by the use of genetic algorithm. The cost function is defined by the complementary sensitivity function and the sensitivity function and guarantees the maximum stability margin, the optimal performance, and the close loop stability of the system, respectively. Another challenge in designing multi-model controllers is the transient performance degradation when switching from one local model to another. Soft/hard switching has been suggested as a solution by the researchers before. In this article, given that the nonlinear system input depends on the online controller error signal and feedback coefficient of the offline controller, transient performance degradation in the switching phase will be solved. To evaluate the presented multi-model controller design procedure, a sandwich plate nonlinear vibration suspension with uncertainty in basic equations is proposed. Lagrange Reilly-Ritz method is used to derive the nonlinear equations of the plate.

    Keywords: Multi-Model Controller, Stability Margin Maximum, Sensitivity Function, Linearization, Genetic Algorithm
  • Nemat Ghahremani*, Hassan Alhassan Pages 27-36

    In this paper, a new predictive filter for alignment of the inertial navigation system with a nonlinear model is presented, and its stability is analyzed. The stability is analyzed according to the Lyapunov method. The Lyapunov function is selected as a quadratic cost function. This method provides sufficient conditions for the stability of the estimated state against measurement uncertainty and noise. The proposed method is used to improve the initial alignment accuracy of the inertial navigation system with a large misalignment azimuth angle. The measurement model of this system is nonlinear and has a modeling error. In this method, the model error is estimated and compensated in the filter algorithm; therefore, the error of the state estimation is reduced in the updating step. By performing various simulations of this method on the real data of microelectromechanical (MEMS) sensor and comparing it with EKF and UKF, it is observed that the proposed method has higher accuracy and convergence speed than EKF and UKF. The new filter proves to have asymptotic stability.

    Keywords: Stability analyses, predictive filter, model error, nonlinear alignment, inertial navigation system
  • Mohammad Hejri*, Farzin Ehsani Pages 37-47

    This paper presents a new control method based on Lyapunov function approach for simultaneous control of grid currents, circulating currents and modules voltages of a modular multilevel converter. Unlike existing methods that use nested and multi-loop control structures, the proposed method has a single-loop structure and ensures the global asymptotic stability of the closed-loop system. In this regard, first, the dynamic equations of the converter and the grid are extracted using the averaging technique, and then the coordinates of the steady-state operating point are calculated. Next, using the obtained operating point coordinates and the dynamic equations of the main system, the error dynamics are computed. Finally, these equations and the Lyapunov function, based on the error signals, are used for the analytic calculation of the control inputs. The simulation results confirm the efficiency of the proposed control method.

    Keywords: Modular multilevel converter, Global stabilization, Lyapunov function, Closed-loop control
  • Ahmad Madary, Hamidreza Momeni* Pages 49-62

    In this study, a comprehensive quality measure criterion is developed to evaluate the performance of the identified models for nonlinear hybrid systems using support vector regression-based techniques. The proposed quality measure criterion includes all the factors that affect the quality of the identified models, namely identification error, quality of the switching signal, and model complexity. Using the proposed criterion, the resulting models of hybrid systems identification can be efficiently compared and the best model with acceptable complexity, tolerable identification error, and desirable switching signal quality will be selected. This quality measure criterion prevents selecting the complex models relying on the Occam’s Razor theorem. Besides, it provides the possibility of comparing the effects of different kernel functions on the identified models considering the aforementioned factors.

    Keywords: System identification, Nonlinear hybrid system, Identification quality, Occam’s Razor
  • Mahsa Rahmati Khorramabadi, Zohreh Shahrouei*, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani Pages 63-72

    In this paper, a sensorless flatness based controller with nonlinear observer for non-ideal boost converter is proposed. Losses are modeled with a voltage source series with input and a current source parallel to output. By a one-loop control structure with flatness property, both output voltage and inductor current is regulated. But, flatness based control is a model based method and requires extra sensors for obtaining data of all system parameters. For reducing numbers of sensors, a nonlinear observer is used to estimate output current and input voltage. So, sensors of these two parameters are eliminated. Simulation and experimental results are given to validate the proposed controller and robustness of proposed controller to variation of system parameters is obvious. In addition, simulation results of proposed controller are compared with a two-loop controller including PI and energy control

    Keywords: Sensorless control, Flatness, One-loop control structure
  • Mahdi Khosravi Samani, Alireza Basohbat Novinzadeh * Pages 73-87

    Flapping wing micro aerial vehicle (FWMAV) has a multi-body and periodic dynamics, which is influenced by unsteady aerodynamics. These features make it more difficult to control. Ignoring of the wing inertia, dynamics averaging, and using a simple aerodynamic model are the simplifying assumptions for conventional model-based control, although they may result in inaccurate control. To overcome these difficulties, a multi-body control is proposed based on a model-free adaptive variable structure control (MFAVSC) approach. This is one of the first frameworks for multi-body control of FWMAV. This is the first proposed method for the FWMAV control, which considers multi-body, nonlinear and time-varying dynamics as well as main aerodynamic characteristics in an integrated framework. MFAVSC takes advantage of input/output data, while not including any explicit model information. At first, the nonlinear FWMAV dynamics is transformed into an equivalent dynamic linearization description with a concept called pseudo-partial derivative (PPD). After estimating the PPD matrix, model-free adaptive control law is designed based on the optimal criteria. Then, it is augmented by a variable structure control term to guarantee the stability, as well as speeding up its convergence. Finally, simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme to trajectory control of the FWMAV

    Keywords: Flapping wing, Model-free adaptive control, Multi-body dynamics, Variable structure control