طراحی کنترل‌کننده بازنشان مقاوم بر اساس عملکرد پس بازنشان بهینه به‌منظور بهبود عملکرد سیستم کنترل یک ربات صنعتی

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقاله 7، دوره 14، شماره 55، آذر 1402، صفحه 83-100   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

مریم جدی‌گلفزانی؛ محمد واحدی^* ؛ مجید گندمکار

دانشکده مهندسی برق- واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران

چکیده

این مقاله یک کنترل کننده مقاوم بازنشان فیدبک خروجی بهینه به منظور کنترل یک ربات با دو درجه آزادی معرفی می شود. در این راستا، در این مقاله با استفاده از معرفی یک کنترل ترکیبی خاص تحت عنوان کنترل فیدبک خروجی بازنشان مقاوم، معایب موجود در کنترل کننده خطی برطرف و هدف اصلی آن کاهش فراجهش و افزایش سرعت پاسخ و پایداری بهتر سیستم تحت کنترل است. برای این کار ابتدا یک کنترل کننده فیدبک خروجی بهینه بدون عمل بازنشان طراحی می شود، به طوری که قطب های سیستم حلقه بسته در یک منطقه از پیش تعریف شده قرار می گیرند. این ناحیه به گونه ای انتخاب می شود که پایداری نمایی و زمان رسیدن حلقه بسته در زمان محدود تضمین شود. سپس، مقدار پس بازنشان در زمان های تنظیم مجدد با به حداقل رساندن یک تابع هزینه مناسب برای دستیابی به کارایی بهتر طراحی می شود. در این مقاله، برای اولین بار مقدار پس بازنشان تنها با اطلاعات خروجی سیستم مشخص شده و در ادامه پایداری سیستم نیز تضمین خواهد شد. ربات استفاده شده در این مقاله یک نمونه کاربردی و صنعتی بوده که دارای دو بازو و دو مفصل با قابلیت کنترل مجزا می باشد. موقعیت و رفتار بازوها بر اساس معادلات و روابط ریاضی حاکم، نشان دهنده اثرگذاری مستقیم آن بر روی یکدیگر می باشد. در پایان برای اثبات طرح پیشنهادی، با استفاده از نرم افزار متلب شبیه سازی عددی انجام شده و مقایسه ای بین کنترل کننده ارائه شده با کنترل کننده مشابه انجام خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

ربات دو درجه آزادی؛ روش پس بازنشان بهینه؛ کنترل بازنشان؛ کنترل ترکیبی مقاوم؛ کنترل‌کننده بازنشان فیدبک خروجی

مراجع

[1] K.J. Aström, T. Hägglund, "The future of PID control", Control Engineering Practice, vol. 9, no. 11, pp. 1163-1175, May 2001 (doi: 10.1016/S0967-0661(01)00062-4).

[2] A. Baños, A. Barreiro, "Reset control systems (Advances in Industrial Control)", London: New York: Springer, Aug. 2012 (ISBN-13: 978-1447122166).

[3] J.C. Clegg, "A nonlinear integrator for servomechanisms", Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Part II: Applications and Industry, vol. 77, no. 1, pp. 41-42, Jan. 1958 (doi: 10.1109/TAI.1958.6367399).

[4] N. Popescu, M. Ivanescu, D. Popescu, "A note on observer-based frequency control for a class of systems described by uncertain models", Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 140, no. 2, February 2018 (doi: 10.1115/1.4037528).

[5] R. Sakthivel, K. Raajananthini, P. Selvaraj, Y. Ren, "Design and analysis for uncertain repetitive control systems with unknown disturbances", Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 140, no. 12, Article Number: 121007, December 2018 (doi: 10.1115/1.4040663).

[6] K.A. Alattas, J. Mostafaee, A. Sambas, A.K. Alanazi, S. Mobayen, A. Zhilenkov, "Nonsingular integral-type dynamic finite-time synchronization for hyper-chaotic systems", Mathematics, vol. 10, no. 1, Article Number: 115, December 2022 (doi: 10.3390/math10010115).

[7] F. Rahmanian, M.H. Asemani, M. Dehghani, S. Mobayen, "Robust dynamic output feedback control of blood glucose level in diabetic rat with robust descriptor Kalman filter", Biomedical Signal Processing and Control, vol. 71, Article Number: 103088, Nov. 2022 (doi: 10.1016/j.bspc.2021.103088).

[8] S. Gao, B. Ning, H. R. Dong, "Fuzzy dynamic surface control for uncertain nonlinear systems under input saturation via truncated adaptation approach", Fuzzy Sets and Systems, vol. 290, pp. 100-117, May 2016 (doi: 10.1016/j.fss.2015.02.013).

[9] C. Sun, H.Gao, Z. Liu, S. Xiang, H. Yu, N. Li, Z. Deng "Design and optimization of three-degree-of-freedom planar adaptive cable-driven parallel robots using the cable wrapping phenomenon", Mechanism and Machine Theory, vol. 166, Article Number: 104475, December 2021 (doi:10.1016/ j.mechmachtheory. 2021.104475).

[10] W. Lyu, D.H. Zhai, Y. Xiong, Y. Xia, "Predefined performance adaptive control of robotic manipulators with dynamic uncertainties and input saturation constraints", Journal of the Franklin Institute, vol. 358, no. 14, pp. 7142-7169, April 2021 (doi: 10.1016/j.jfranklin.2021.07.025).

[11] K. Shojaei, A. Kazemy, A. Chatraei, "An observer-based neural adaptive PID² controller for robot manipulators including motor dynamics with a prescribed performance", IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, vol. 26, no. 3, pp. 1689-1699, October 2020 (doi: 10.1109/TMECH.2020.3028968).

[12] S. Mobayen, O. Mofid, S.U. Din, A. Bartoszewicz, "Finite-time tracking controller design of perturbed robotic manipulator based on adaptive second-order sliding mode control method", IEEE Access, vol. 9, pp. 71159-71169, May 2021 (doi: 10.1109/ACCESS.2021.3078760).

[13] M.A. Davó, F. Gouaisbaut, A. Baños, S. Tarbouriech, A. Seuret, "Exponential stability of a PI plus reset integrator controller by a sampled-data system approach", Nonlinear Analysis Hybrid Systems, vol. 29, pp. 133-146, August 2018 (doi: 10.1016/j.nahs.2018.01.008).

[14] D. Dinther, B. Sharif, S. Eijnden, H. Nijmeijer, M. Heertjes, W. Heemels, "Overcoming performance limitations of linear control with hybrid integrator-gain systems", IFAC-PapersOnLine, vol. 54, no. 5, pp. 289-294, March 2021 (doi: 10.1016/j.ifacol.2021.08.513).

[15] I. Hosseini, A. Khayatian, P. Karimaghaee, M. Fiacchini, M.A.D. Navarro, "LMI-based reset unknown input observer for state estimation of linear uncertain systems", IET Control Theory and Applications, vol. 13, no. 2, pp. 1872-1881, Aug. 2019 (doi: 10.1049/iet-cta.2018.5777).

[16] I. Hosseini, M. Fiacchini, P. Karimaghaee, A. Khayatian, "Optimal reset unknown input observer design for fault and state estimation in a class of nonlinear uncertain systems", Journal of the Franklin Institute, Elsevier, vol. 357, no. 5, pp. 2978-2996, Jan. 2020 (doi: 10.1016/j.jfranklin.2019.12.008).

[17] X. Xu, X. Li, P. Dong, Y. Liu, H. Zhang, "Robust reset speed synchronization control for an integrated motor-transmission powertrain system of a connected vehicle under a replay attack", IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 70, no. 6, pp. 5524-5536, June 2021 (doi: 10.1109/TVT.2020.3020845).

[18] S. Pourdehi, P. Karimaghaee, "Reset observer-based fault tolerant control for a class of fuzzy nonlinear time-delay systems", Journal of Process Control, vol. 85, pp. 65-75, Feb. 2020 (doi: 10.1016/j.jpro­cont.­2019­.11.001).

[19] U.R. Nair, R. Costa-Castelló, A. Banos, "Reset control of boost converters", Proceeding of the IEEE/ACC, pp. 553-558, Milwaukee, WI, USA, July 2018 (doi: 10.23919/ACC.2018.8431380).

[20] U.R. Nair, R. Costa-Castelló, A. Banos, "Reset control for DC–DC converters: An experimental application", IEEE Access, vol. 7, pp. 128487-128497, June 2019 (doi: 10.1109/ACCESS.2019.2940140).

[21] H. Pang, S. Liu, "Robust finite time passivity and stabilization of uncertain switched nonlinear system", IEEE Access, vol. 9, pp. 36173-36180, February 2021 (doi: 10.1109/ACCESS.2021.3062661).

[22] Y. Guo, Y. Wang, L. Xie, J. Zheng, "Stability analysis and design of reset systems: Theory and an application", Automatica, vol. 45, no. 2, pp. 492-497, April 2009 (doi: 10.1016/j.automatica.2008.08.016).

[23] M.A. Davó, A. Baños, "Delay-dependent stability of reset control systems with input/output delays", Proceeding of the IEEE/CDC, pp. 2018-2023, Firenze, Italy, Dec. 2013 (doi: 10.1109/CDC.2013.6760178).

[24] N. Vafamand, A. Khayatian, M. H. Khooban, "Stabilisation and transient performance improvement of DC MGs with CPLs: non-linear reset control approach", IET Generation, Transmission and Distribution, vol. 13, no. 14, pp. 3169-3176, May 2019 (doi: 10.1049/iet-gtd.2018.6739).

[25] H. Wang, F. Zhu, Y. Tian, "Event-triggered optimal reset control of hard disk drive head-positioning servo systems", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, vol. 233, no. 5, pp. 582-590, May 2019 (doi:10.1177/0959651818802097).

[26] S. Yazdi, A. Khayatian, "Performance improvement by optimal reset dynamic output feedback control based on model predictive strategy", Journal of Process Control, vol. 88, pp. 78-85, June 2020 (doi: 10.1016/j.jpro­con­t.2020.02.008).

[27] G. Zhao, J. Wang, "Stability and stabilisation of reset control systems with uncertain output matrix", IET Control Theory and Applications, vol. 9, no. 8, pp. 1312-1319, June 2015 (doi: 10.1049/iet-cta.2014.0007).

[28] V. Ghaffari, P. Karimaghaee, A. Khayatian, "Stability analysis and performance improvement of uncertain linear systems with designing of a suitable reset law", IET Control Theory and Applications, vol. 9, no. 17, pp. 2532-2540, July 2015 (doi:10.1049/iet-cta.2015.0292).

[29] V. Ghaffari, P. Karimaghaee, A. Khayatian, "Reset law design based on robust model predictive strategy for uncertain systems", Journal of Process Control, vol. 24, no. 1, pp. 261-268, Dec. 2014 (doi: 10.1016­/j.jpr­ocon­t.2013.11.017).

[30] M. Mohadeszadeh, N. Pariz, M.R. Ramezani-al, "Exponential stability and L2 gain analysis of uncertain fractional reset control systems", IMA Journal of Mathematical Control and Information, vol.39, no.1, pp. 275-294, March 2022 (doi: 10.1093/imamci/dnab043).

[31] S. Pourdehi, P. Karimaghaee, "Reset observer for a class of nonlinear time-delay systems with application to a two-stage chemical reactor system", Control Strategy for Time-Delay Systems, pp. 231-255, June 2021 (doi: 10.1016/B978-0-32-385347-7.00014-6).

[32] N. Vafamand, A. Khayatian, "Model predictive-based reset gain-scheduling dynamic control law for polyt­opic LPV systems", ISA Transactions, vol. 81, pp. 132-140, Nov. 2018 (doi:10.1016/j.isatra.2018.08.006).

[33] Y. Guo, W. Gui, C. Yang, "Quadratic stability of uncertain reset control systems", IFAC Proceedings Volumes, vol. 44, no. 1, pp. 6297-6300, June 2011 (doi: 10.3182/20110828-6-IT-1002.00120).

[34] Y. Guo, Y. Wang, L. Xie, "Robust stability of reset control systems with uncertain output matrix", Automatica, vol. 48, no. 8, pp. 1879-1884, Oct. 2012 (doi: 10.1016/j.automatica.2012.05.062).

[35] M. Chilali, P. Gahinet, "Design with pole placement constraints: An lmi approach", IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 41, no. 3, pp. 358-367, July 1996 (doi: 10.1109/9.486637).

[36] C. Scherer, P. Gahinet, M. Chilali, "Multiobjective output-feedback control via LMI optimization", IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 42,  no. 7, pp. 896-911, July 1997 (doi: 10.1109/9.599969).

[37] M. Lemmon, "2-degree-of-freedom robot path planning using cooperative neural fields", Neural Computation, vol. 3, no. 3, pp. 350-362, Feb. 1991 (doi: 10.1162/neco.1991.3.3.350).

[38] S. Yazdi, A. Khayatian, M.H. Asemani, "Optimal robust model predictive reset control design for performance improvement of uncertain linear system", ISA Transactions, vol. 107, pp. 78-89, July 2020 (doi: 10.1016/j.i­satr­a.2020.07.026).

[39] X.J. Li, G.H. Yang, "Robust adaptive fault-tolerant control for uncertain linear systems with actuator failures", IET Control Theory and Applications, vol. 6, no. 10, pp. 1544-1551, July 2012 (doi:10.1049/iet-cta.2011.0­599).