دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
دانشکده برق - گروه کنترل
رساله دکتری
طراحی و پیاده سازی کنترلگر موقعیت برای
روبات کشسان مفصل با لحاظ مسئلة اشباع عملگر
177 صفحه در قالب word
چکیده
در این پژوهش مسئلة کنترل روبات کشسان‌مفصل با لحاظ محدودیت اشباع عملگر مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. بدین منظور با استفاده از دو رویکرد مختلف روشهایی برای حل آن ارائه شده است. در ادامه با استفاده از شبیه‌سازیهای مختلف عملکرد روشهای ارائه شده بررسی و سپس پایداری مقاوم ساختار پیشنهادی به صورت نظری اثبات شده است. در پایان صحت ادعاهای نظری با پیاده‌سازی عملی بر روی یک روبات کشسان‌مفصل دو درجه آزادی مورد تأیید قرار گرفته است.
در این پژوهش دو مجموعه نوآوری به انجام رسیده است. در مجموعة اول ابتدا یک روش کلی با عنوان «حلقة ناظر» برای برخورد با مسئلة اشباع ارائه شده است. این روش بر روی سیستمهای مختلفی پیاده شده تا نشان داده شود که مستقل از مدل می‌باشد. سپس یک ساختار کنترل ترکیبی همراه با حلقة ناظر برای روباتهای کشسان‌مفصل ارائه شده تا نشان داده شود که روش ارائه شده برای کاربرد اصلی مورد نظر پروژه (یعنی روبات کشسان‌مفصل) عملکرد مناسبی را در حضور اشباع ایجاد می‌کند. در ادامة این پژوهش به اثبات نظری پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر» پرداخته‌ایم. سپس برای اینکه قابلیت پیاده‌سازی روش ارائه شده نشان داده شود آن را بر روی یک روبات کشسان‌مفصل که در راستای همین پژوهش طراحی و ساخته شده است پیاده نموده‌ایم.
مجموعه نوآوری دوم ارائة رویکرد دیگری برای مقابله با اثرات اشباع در روباتهای کشسان‌مفصل بر پایة روشهای بهینة چند منظوره مبتنی بر نرمهای H2 و H¥ است. در این روشها برای مقاوم بودن کنترلگر از بهینه‌سازی H¥ سود جسته و برای کم کردن دامنة کنترل و جلوگیری از اشباع عملگر، نرم سیگنال کنترلی نیز در فرایند بهینه‌سازی در نظر گرفته شده است. برای طراحی عددی از تبدیل مسئله به LMI و روشهای عددی متناظر با آن استفاده شده است. همچنین جهت نشان دادن کاراییِ روش در عمل، پیاده‌سازی آن بر روی روبات مذکور انجام پذیرفته است.
کلمات کلیدی: روبات کشسان‌مفصل، اشباع عملگر، کنترل ترکیبی، حلقة ناظر، روش کنترل H2/H∞، منطق فازی.
فهرست مطالب
1-1- جایگاه روباتهای کشسان‌مفصل در مهندسی کنترل. 1
1-2- مشکلات کنترل روباتهای کشسان‌مفصل.. 3
1-3- کنترل با وجود محدودیت دامنه. 5
1-4- نوآوریهای این پژوهش.... 7
2- مروری بر پژوهشهای قبلی و بیان چالشها 11
2-1- کنترل روباتهای کشسان‌مفصل.. 11
2-1-4- پیشنهادات مختلف برای کنترل. 18
2-1-5- کمیت‌های فیدبک شده و تقلیل اندازه‌گیری‌ها 19
2-1-7- کنترل مقاوم و پایداری.. 22
2-1-9- جمعبندی و بیان چالشها 27
2-2- مسئلة اشباع عملگر و روشهای برخورد با آن. 28
2-2-1- مشکلات ناشی از اشباع. 28
2-2-2- روشهای عمومی برخورد با مسئلة اشباع. 31
2-2-3- روشهای بهینه و مقاوم در برخورد با اشباع. 32
2-2-5- مسئلة اشباع در روباتها 37
3- حلقة ناظر فازی، روشی برای برخورد با مسئله اشباع عملگر. 40
3-4- استفاده از حلقة ناظر بر روی دو سیستم عمومی.. 49
3-4-1- سیستم ناپایدار دو ورودی-دو خروجی.. 50
4- مسئلة اشباع در FJR و استفاده از روش حلقة ناظر برای برخورد با آن. 59
4-1- مدلسازی روباتهای کشسان‌مفصل.. 59
4-1-1- کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای کنترل FJR ها 64
4-2- استفاده از حلقة ناظر در ساختار ترکیبی برای FJR.. 69
4-3- بررسی عملکرد روش ارائه شده با شبیه‌سازی.. 71
4-4- اثبات پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر» 75
4-4-1- پایداری زیر سیستم تند. 77
4-4-2- لم‌های مورد نیاز برای اثبات پایداری.. 80
4-4-3- اثبات پایداری سیستم کامل.. 85
5- نگاه دوم: روشهای بهینة H¥ و H2 برای مقابله با اثرات اشباع در FJR.. 90
5-1- طراحی با رویکرد حساسیت مخلوط.. 94
5-2- طراحی با رویکرد H2 /H¥. 96
5-3- بررسی کارایی روشهای ارائه شده 97
6-1- معرفی مجموعة آزمایشگاهی ساخته شده 108
6-1-1- سخت‌افزار الکترومکانیکی.. 108
6-3- تخمین پارامترهای سیستم. 119
6-4-2- کنترل ترکیبی تحت نظارت ناظر فازی.. 130
پیوست الف: کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای FJR چند محوره 141
پیوست ب: طراحی کنترل بهینة چند‌منظوره مبتنی بر نرم H¥ با تبدیل به LMI. 152
پیوست ج: راهنمای کار با جعبه‌ابزار زمان حقیقی نرم‌افزار MATLAB.. 158
پیوست د: راهنمای فنی روبات خواجه‌نصیر. 164
پیوست هـ : نتایج بیشتری از پیاده‌سازیها 167
واژه‌نامه انگلیسی به فارسی.. 173
واژه‌نامه فارسی به انگلیسی.. 174
مقالات استخراج شده از این پژوهش.... 175
1- مقدمه
در این فصل با ورود به دنیای «روباتهای کشسان‌مفصل» و بررسی مشکلات کنترل آنها و سپس با بررسی وجوه گوناگون مسئلة «محدودیت دامنة کنترل» زمینه‌های لازم برای بیان چالشهای موجود را فراهم آورده‌ایم. بدین ترتیب به بیان انگیزه و ضرورت انجام این پژوهش پرداخته و در پایان به معرفی اجمالی نوآوریهای این پژوهش خواهیم پرداخت.
1-1- جایگاه روباتهای کشسان‌مفصل در مهندسی کنترل
طراحی کنترل برای روباتها از اوایل دهه 1970 توجه مهندسان کنترل را به خود جلب کرد و کم‌کم روباتها در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه روباتهای چند‌محوره در کاربردهای مختلف فضایی، صنعتی و غیره به کار گرفته شده‌اند که اغلب با کنترلگرهای متداول مانند PID کار می‌کنند و می‌توان ادعا کرد که مسئلة کنترل مکان برای روباتهای صلب امروزه به طور مناسبی فهمیده و حل شده است [[i]]. اما رفته‌رفته در اثر جایگزینی روباتهای متداول با روباتهای جدید که کوچکتر، سبکتر، سریعتر و باهوشتر هستند دیگر کنترلگرهای متداول پاسخ مناسبی به نیازهای کنترلی روباتها نداده و مسائل جدیدی در مهندسی کنترل رخ می‌نماید. می‌توان نشان داد که در اغلب کاربردهای جدید مانند روباتهای پیشرفتة فضایی، روباتهای خدمتکار، سیستمهای پس‌خورانندة نیرو[1]، دستها و بازوهای ماهر روباتیکی [[ii]] و ریزروباتها[2]، مسئلة مشترک اصلی برای کنترل روباتها «کشسانی مفاصل» است. در اغلب موارد، کشسانی نتیجة ذاتی القا شده از طرف ساختار روبات می‌باشد؛ اما در مواردی نیز کشسانی عمداً به روبات اضافه می‌شود. تا چندی پیش رویکرد طراحی روباتها «هرچه صلب‌تر بهتر» بود و این رویکرد نه به خاطر نارسایی روباتهای کشسان، بلکه به خاطر سادگی کنترل در روباتهای صلب اتخاذ می‌شد [[iii]، [iv] و [v]]؛ اما امروزه این رویکرد کمرنگ شده است زیرا در واقع صلب بودن و کشسانی هر کدام مزیتهای خود را دارند. در عملگرهای صلب پهنای باند بالایی برای اعمال نیرو وجود دارد که کنترل را ساده می‌کند؛ از طرف دیگر اگر از عملگرهای کشسان استفاده شود کنترل نیروی پایدار و کم‌نویز به علاوة ایجاد ایمنی در تعامل با اشیای خارجی و برخوردهای اتفاقی را خواهیم داشت [[vi] و [vii]].
منشأ ایجاد کشسانی در مفاصل، اغلب سیستم انتقال توان می‌باشد اگر در آن از عناصری مانند هارمونیک‌درایو، تسمه (مانند روبات RTX [[viii]]) یا محورهای بلند [[ix]] استفاده شده باشد. علاوه بر سیستم انتقال توان، حسگرهای گشتاور و یا برخی عملگرها [6، 7، [x]] نیز می‌توانند منشأ کشسانی باشند. از نظر تعداد، در اغلب روباتهای کشسان‌مفصل[3] (FJR) منشأ ایجاد کشسانی هارمونیک‌درایو است (مثلاً در بازوی ایستگاه فضایی بین‌المللی (شکل 1‑1)، دست روباتیکی ساخته شده در مرکز فضایی آلمان (شکل 1‑2) و روبات صنعتی GE-P50 [[xi]]) و دیگر موارد ذکر شده به صورت انگشت‌‌شمار رخ می‌نمایند. (برای آشنایی عمومی با هارمونیک‌درایو به مرجع [[xii]] رجوع نمایید).
ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است
متن کامل را می توانید در ادامه دانلود نمائید
چون فقط تکه هایی از متن برای نمونه در این صفحه درج شده است ولی در فایل دانلودی متن کامل همراه با تمام ضمائم (پیوست ها) با فرمت ورد word که قابل ویرایش و کپی کردن می باشند موجود است
طراحی و پیاده سازی کنترلگر موقعیت برای روبات کشسان مفصل با لحاظ مسئلة اشباع عملگر