فهرست مطالب

مجله کنترل
سال شانزدهم شماره 3 (پاییز 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/09/10
  • تعداد عناوین: 7
|
  • مصطفی دارابی مقدم*، احمدرضا ولی، سید مهدی حکیمی، وحید بهنام گل، قاسم درخشان صفحات 1-9

    سرومکانیزم دو درجه آزادی کاربردهای فراوانی از جمله در جستجوگرهای طوقه دار دارد. این مکانیزم ها برای عملکرد صحیح نیاز به کنترل حلقه بسته دارند. در این مقاله، کنترل کننده ترکیبی پسگام چند ورودی-چند خروجی مبتنی بر رویتگر برای یک سروومکانیزم دو درجه آزادی طراحی گردیده است. از آن جایی که در مدل ارایه شده در این مقاله نامعینی هایی نظیر اغتشاشات وارد شده بر مکانیزم در نظر گرفته شده است، بنابراین از یک رویتگر توسعه یافته برای تخمین اغتشاش به منظور بهبود عملکرد کنترل کننده استفاده گردیده است. هم چنین با توجه به غیرخطی و دو ورودی-دو خروجی بودن دینامیک این جستجوگرها، استفاده از روش های ترکیبی کنترل چندمتغیره غیرخطی برای کنترل زاویه در این مکانیزم ها منجر به افزایش کارایی خواهد شد. برای این منظور ابتدا در گام اول ورودی های کنترل کمکی غیرخطی تعیین می شوند. سپس در گام دوم بردار ورودی کنترل غیرخطی با استفاده از روش فیدبک خطی ساز چند ورودی - چند خروجی تعیین می شود. در این گام از رویتگر زمان گسسته برای تخمین اغتشاش استفاده شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که رویتگر پیشنهادی با دقت مناسبی اغتشاش را تخمین زده و در اختیار کنترل کننده قرار می دهد. کنترل کننده طراحی شده با استفاده از این اطلاعات قادر به کنترل زوایای طوقه ها می باشد. هم چنین، نتایج پیاده سازی کنترل کننده طراحی شده در آزمون پردازنده در حلقه ارایه شده است.

    کلیدواژگان: سرومکانیزم دو درجه آزادی، کنترل پسگام، رویتگر زمان گسسته، آزمون پردازنده در حلقه
  • عرفان نجابت، محمدرضا همایی نژاد* صفحات 11-24

    در مقاله حاضر، یک گروه از سیستم های دینامیکی غیرخطی، خطی ناپذیر و هایبرید در نظر گرفته شده است.  سیستم دینامیکی به فرم کلی چندعامل تعمیم یافته و بر اساس نظریه گراف، تداخل بین عوامل بازنویسی شده و نهایتا به کمک تانسور تداخل، سیستم چندعامل به فرم پیرو- پیشرو هدف طراحی کنترل کننده قرار می گیرد. در آرایش یافتگی سیستم متصل، بدون جهت و ساده بودن شبکه گرافی سیستم در نظر گرفته شده است. در ادامه، کنترل کننده غیرخطی برای هدف دنبال سازی مسیر مرجع ورودی و حفظ آرایش سیستم چند عامل طراحی می گردد. کنترل کننده بهینه، بر اساس الگوریتم بهینه سازی شبه نیوتن برای حداقل ساختن یک تابع هدف غیرخطی با ماتریس هسیان متغیر از نظر علامت، طراحی شده است. با توجه به عملکرد روش های بهینه سازی پیشین و عدم امکان همگرایی الگوریتم های بهینه سازی متداول در رابطه با تغییر علامت ماتریس هسیان، الگوریتم بهینه سازی شبه نیوتن با رویکرد تعمیم روش مقادیر ویژه برای کنترل کننده مساله طراحی و اعمال می گردد. پس از آن کنترل کننده برای سیستم چندعامل تعمیم یافته و بررسی عملکرد کنترل کننده در حالت خاصی که علامت ماتریس هسیان منفی می باشد، آزموده شده است. در نتیجه، با توجه به کاستی های روش های بهینه سازی عمومی در حالتی که هسیان تابع هدف علامت نامعین دارد، نوآوری مقاله، بهره گیری از روش بهینه سازی شبه نیوتن برای توابع هدف با هسیان علامت نامعین می باشد. نهایتا در یک مثال عددی موارد ذکر شده پیاده سازی شده و نتایج شبیه سازی های عددی ارایه گردیده است.

    کلیدواژگان: بهینه سازی شبه نیوتن، تعمیم مقادیر ویژه، سیستم چند عامل، ماتریس هسیان متغیر، نظریه گراف
  • طاهره عزیزپور، مجید یاراحمدی* صفحات 25-34

    در این مقاله یک کنترل کننده ترکیبی کوانتومی جدید برای کنترل یک سیستم کوانتومی کنترل پذیر حالت ویژه قوی طراحی می شود. برای این منظور، اگر حالت هدف در مجموعه قابل دسترس حالت اولیه قرار داشته باشد، از یک کنترل کننده کوانتومی لیاپانوفی برای انتقال حالت استفاده می شود در غیر این صورت، با استفاده از یک قاعده کنترل  ترکیبی  مبتنی بر الگوریتم گرور،  حالت اولیه را به یک حالت واسط دیگر که حالت هدف در دسترس آن باشد، انتقال می دهیم و سپس با استفاده از یک کنترل کننده کوانتومی لیاپانوفی، حالت واسط را به حالت هدف انتقال می دهیم. برای این منظور یک قضیه ارایه و اثبات شده است و یک الگوریتم جدید، با هدف پیاده سازی روش پیشنهادی، طراحی شده است. مثال شبیه سازی شده کارآیی و مزیت روش ارایه شده را به خوبی نشان می دهد.

    کلیدواژگان: کنترل ترکیبی، انتقال، کنترل کننده ی کوانتومی، الگوریتم گرور، کنترل پذیر حالت ویژه قوی
  • محمد بیطرفان، امین رمضانی* صفحات 35-46

    در این مقاله یک کنترل کننده پیش بین مبتنی بر مدل هیبرید پیشنهادی جهت کنترل ارتفاع سیال در سیستم سه مخزن دارای دینامیک های غیرخطی که مود عملکردی آن وابسته به مقدار لحظه ای حالت های سیستم است، طراحی شده است. استفاده از مدل هیبرید غیرخطی در کنترل پیش بین منجر به یک مساله برنامه نویسی صحیح ترکیبی غیرخطی می شود که حل آن بسیار پیچیده و زمان بر است. یکی از روش های حل این مساله، تقریب معادلات غیرخطی با عبارت خطی و یا تکه ای آفین می باشد. تقریب خطی اغلب خطای زیادی در محاسبه حالت ها و مودهای عملکردی سیستم داشته و تقریب تکه ای آفین خطای کمتر از تقریب خطی ایجاد می کند اما بار محاسباتی آن بسیار بیشتر است. در این پژوهش با هدف کاهش حجم محاسبات، یک فرم بسته برای معادلات تکه ای آفین سیستم سه مخزن در هر یک از مودها بدست آورده شده است. سیستم بدست آمده یک سیستم تکه ای آفین است که هر مود با یک عبارت تکه ای آفین توصیف می شود. کنترل پیش بین این سیستم یک مساله برنامه نویسی صحیح ترکیبی خطی است که توسط حل گر های متداول قابل حل می باشد. به منظور ارزیابی عملکرد کنترل پیش بین طراحی شده و امکان استفاده از آن به صورت برخط، دنباله ورودی بهینه کنترل با استفاده از حل گر تجاری MOSEK در محیطMPT محاسبه و در هر زمان نمونه برداری فقط اولین عضو دنباله به سیستم سه مخزن با دینامیک های دقیق در Simulink/Stateflow اعمال شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که کنترل کننده پیشنهادی ردیابی را به درستی انجام داده است و قیود روی حالت های سیستم نیز برآورده شده است.

    کلیدواژگان: کنترل پیش بین مبتنی بر مدل، سیستم هیبرید، سیستم سه مخزن، تقریب تکه ای آفین، سیستم دینامیکی منطقی ترکیبی
  • مجید حاجتی پور*، سعید کاشفی صفحات 47-58

    در این مقاله یک رویتگر بهینه برای سیستم های غیر خطی بر مبنای رویکرد جدید ارایه می گردد. در این رویکرد برای دستیابی به تخمین آتی حالت های سیستم، ابتدا بسط سری تیلور حالت های سیستم در یک افق پیش بینی با مرتبه دلخواه بدست آمده و سپس یک حل تحلیلی میتنی بر حل مساله کمینه سازی خطای پیش بینی توسعه می یابد که یک فرم حلقه بسته رویتگر بهینه را ارایه می دهد. در رویتگر پیشنهادی، بهره رویتگر بصورت بهینه از میان تمامی بهره هایی که ازحل مساله کمینه سازی خطای پیش بین بدست آمده و پایداری را برآورده می کنند، انتخاب می گردد. در نهایت نتایج شبیه سازی کارایی روش پیشنهادی در تخمین حالت ها را نشان می دهد.

    کلیدواژگان: سیستم غیر خطی، رویتگر بهینه، پیش بینی حالت، تحلیل پایداری
  • سما ناظران، محمد فرخی* صفحات 59-69

    در این مقاله، برای کنترل سیستم آونگ وارون آزمایشگاهی از کنترل‏کننده خودتنظیم فازی PID با دو درجه آزادی استفاده شده است. قوام کنترل کننده طراحی شده، درمقابل عدم قطعیت در پارامترهای سیستم آزمایشگاهی و اغتشاش خارجی مورد بررسی قرارگرفته است. علاوه بر آن، کنترل کننده پیشنهادی درمقابل نویز اندازه گیری آزمایش شده است. تحلیل پایداری روش پیشنهادی با استفاده از نمودارهای بودی در حوزه فرکانس بررسی شده است. عملکرد کنترل کننده فازی-PID دودرجه آزادی با کنترل کننده PID دودرجه آزادی مقایسه شده. نتایج آزمایشگاهی نشان از کارآیی بهتر کنترل کننده پیشنهادی دارد.

    کلیدواژگان: کنترل کننده PID با دو درجه آزادی، آونگ وارون آزمایشگاهی، عدم قطعیت پارامتری، اغتشاش خارجی، سیستم فازی
  • حسین نورمحمدی*، محمدتقی ثابت صفحات 71-82

    تخمین زاویه ی سمت یکی از چالش های اساسی در سامانه های ناوبری اینرسی ارزان قیمت است. عدم مشاهده پذیری زاویه ی سمت از شمال با بردار شتاب جاذبه و همچنین عدم دسترسی به ناوبری رادیویی/ماهواره ای در رونده های زیرسطحی بر میزان این چالش می افزاید. استفاده از مغناطیس سنج سه -محوره و تخمین زاویه ی سمت با میدان مغناطیسی زمین یکی از راهکارهای اساسی برای بهبود دقت سامانه های ناوبری اینرسی ارزان قیمت است. اما، برای دستیابی به تخمین دقیق از زاویه ی سمت، کالیبراسیون مناسب مغناطیس سنج از نظر خطای اندازه گیری حسگر و همچنین حضور انحرافات مغناطیسی، ضروری است. هدف از این مقاله، طراحی یک الگوریتم پس گام برای کالیبراسیون مغناطیس سنج در اندازه گیری مولفه های میدان مغناطیسی زمین است. در الگوریتم پیشنهادی، نتایج روش رایج کالیبراسیون مغناطیسی کروی، با ارایه ی راهکاری بر مبنای تفکیک کانال عمودی و مولفه های میدان در صفحه ی تراز اصلاح خواهند شد. ارزیابی الگوریتم پیشنهادی، در آزمون های میدانی پیاده سازی شده روی یک رونده ی زیرسطحی خودگردان انجام می گیرد.

    کلیدواژگان: مغناطیس سنج سه محوره، کالیبراسیون پس گام، رونده های زیرسطحی، ناوبری اینرسی ارزان قیمت
|
  • Mostafa Darabi Moghadam*, Ahmadreza Vali, Seyed Mahdi Hakimi, Vahid Behnamgol, Ghasem Derakhshan Pages 1-9

    The two degrees of freedom servomechanism has many applications, including in gimbaled seekers. These mechanisms require closed-loop control to perform properly. In this paper, an observer-based multi-input-multi-output hybrid controller is designed for a two-degree-of-freedom servomechanism. Since in the model presented in this paper, disturbances on the mechanism are considered, so an extended state observer to estimate disturbance term to improve the controller performance. Also, due to the nonlinearity and two input- two output dynamics of these mechanisms, the use of combined nonlinear multivariate control methods to control the angle in these mechanisms will increase efficiency. For this purpose, nonlinear auxiliary control inputs are first determined in the first step. Then, in the second step, the nonlinear control input vector is determined using the multi-input-multi-output linear feedback method. In this step, a discrete time observer is used to estimate the uncertainty. The simulation results show that the proposed observer accurately estimates the disturbance and provides it to the controller. The controller designed using this information is able to control the output angles. Also, the results of the controller implementation designed in the processor in the loop test are presented.

    Keywords: 2DOF Servomechanism, Backstepping Control, Discrete-Time observer, PIL test
  • Erfan Nejabat, Mohammad Reza Homaeinezhad* Pages 11-24

    In the present paper, a class of hybrid, nonlinear and non linearizable dynamic systems is considered. The noted dynamic system is generalized to a multi-agent configuration. The interaction of agents is presented based on graph theory and finally, an interaction tensor defines the multi-agent system in leader-follower consensus in order to design a desirable controller for the noted system. A general undirected, simple and connected graph topology is proposed for the system. Next, a nonlinear controller is designed for the multi-agent system to track a predefined reference trajectory and maintain the formation topology. An optimal controller, based on quasi-Newton optimization method is proposed in order to minimize a nonlinear cost function with indefinite variable sign hessian matrix. The convergence of previous optimization algorithms, namely the Newton optimization algorithm, regarding to variable sign hessian matrices fails. Thus, in the present paper, a quasi-newton optimization method is proposed based on eigenvalue modification to design a controller for the system. Afterward, the controller generalized for the multi-agent system and the performance of the controller is examined in a specific scenario of indefinite, variable hessian matrix problem. Consequently, the innovation of the present paper is proposed by considering the quasi-newton optimization method in order to overcome the disadvantages of traditional optimization methods in the problem of undefined hessian cost function. An example is provided in order to illustrate aforementioned claims and declared propositions.

    Keywords: Eigenvalue Modification, Graph Theory, Multi-Agent System, Quasi-Newton Optimization
  • Tahereh Azizpour, Majid Yarahmadi* Pages 25-34

    In this paper, a new quantum hybrid controller for controlling the strongly eigenstate controllable systems, is designed. For this purpose, a Lyapunov control law is implemented when the target state is in reachable set of the initial state. On the other hand, if the target state is not in the reachable set of the given initial state, based on Grover algorithm, a new interface state that the target state is in its reachable set,  will be found  and the given initial state is transferred to the new interface state. Then, the new interface state is transferred to the target state, based on a designed Lyapunov control law.  A new algorithm, for implementing the presented method, is designed. Finally, a simulated example illustrates the applications and advantages of presented method.

    Keywords: Hybrid Control, State Transformation, Quantum Controller, Grover Algorithm, Strongly Eigenstate Controllable
  • Mohammad Bitarafan, Amin Ramezani* Pages 35-46

    In this paper, a predictive control based on the proposed hybrid model is designed to control the fluid height in a three-tank system with nonlinear dynamics whose operating mode depends on the instantaneous amount of system states. The use of nonlinear hybrid model in predictive control leads to a problem of mixed integer nonlinear programming (MINLP) which is very complex and time consuming to solve. One way to solve this problem is to approximate nonlinear equations with linear or piecewise affine (PWA) expressions. The linear approximation often has a large error in calculating the operating modes and the system states. The PWA approximation produces less error than the linear approximation, but its computational load is much higher. In this study, with the aim of reducing the computational load, a closed form model has been obtained for the equations of the three-tank system in each of the modes. The resulting system is an PWA, each mode being described by an PWA expression. Predictive control of this system is a mixed integer linear programming problem that can be solved by conventional solvers. To evaluate the performance of the proposed method and the possibility of using it online, the optimal control input sequence is calculated using MOSEK commercial solver in MPT toolbox, and at any sampling time only the first member of the sequence is applied to the precise modeled three-tank system in the Simulink/Stateflow environment. The simulation results indicate that the proposed controller performs the tracking efficiently and the constraints on the system states are also satisfied.

    Keywords: Model predictive control (MPC), Hybrid system, Three-tank system, Piecewise affine (PWA) approximation, Mixed logical dynamical system (MLD)
  • Majid Hajatipour*, Saeed Kashefi Pages 47-58

    This paper deals with the optimal state observer of non-linear systems based on a new strategy. Despite the development of state prediction in linear systems, state prediction for non-linear systems is still challenging. In this paper, to obtain a future estimation of the system states, initially Taylor series expansion of states in their receding horizons was achieved to any specified order and then an analytic solution was developed for the prediction error problem, which resulted in a closed-form for non-linear optimal observer. In the proposed observer, the observer gain was optimally chosen among gains obtained from the analytic solution of the prediction error problem and satisfied the stability condition. Finally, the qualitative simulation results showed the effectiveness of the proposed method in the state observation.

    Keywords: Non-linear systems, Optimal observer, State Prediction, Stability analysis
  • Sama Nazeran, Mohammad Farrokhi* Pages 59-69

    In this manuscript, the laboratory inverted pendulum mounted on a cart has been controlled using 2-DOF self-tuning fuzzy PID controller. The robustness of the proposed method is investigated against the uncertainties in the system’s parameters and external disturbances. Moreover, the proposed method is tested against measurement noises. Stability of the proposed method is investigated using Bode diagrams in frequency domain. Performance of the 2Dof-fuzzy-PID controller is compared with the 2-DoF PID controller. The practical results indicates better performance of the proposed method.

    Keywords: 2 DOF PID controller, laboratory inverted pendulum, parametric uncertainty, external disturbance, fuzzy system
  • Hossein Nourmohammadi*, Mohammad Taghi Sabet Pages 71-82

    Heading estimation is one of the main challenges in low-cost inertial navigation systems (INSs). Non-observability of heading angle with gravitational acceleration vector as well as inaccessibility of radio/satellite navigation in underwater vehicles increases the value of this challenge. Applying three-axis magnetometer and heading estimation from earth magnetic field components is one of the main approaches to accuracy enhancement of the low-cost inertial navigation systems. However, in order to achieve accurate heading estimation, the magnetometer must be appropriately calibrated for both sensor errors and presence of magnetic deviations. This paper aims to develop back-stepping algorithm for magnetometer calibration applied to measure the earth magnetic field components. In the proposed algorithm, the results of the prevalent spherical magnetic calibration are corrected based on vertical channel decomposition and magnetic field components in the horizontal plane. The algorithm is evaluated in the field tests executed on an Autonomous Underwater Vehicle (AUV).

    Keywords: Three-axis magnetometers, Back-stepping calibration, Underwater vehicles, Low-cost inertial navigation