مهندسی برق

پایان نامه رشته مهندسی برق الکترونیک گرایش قدرت:تخمین عدم قطعیت در کنترل مقاوم موقعیت بازوهای رباتیک

 
استاد راهنما:
استاد محمد مهدی فاتح
 
رساله جهت اخذ درجه دکتری
خرداد ماه
۱۳۹۴
متن پایان نامه :
چکیده
این پایان نامه به تخمین عدم قطعیت در کنترل مقاوم بازوهای رباتیک می‌پردازد و روش­های جدیدی مبتنی بر راهبرد کنترل ولتاژ برای تخمین عدم قطعیت ارائه می‌دهد. روش کنترل ولتاژ در مقایسه با روش مرسوم کنترل گشتاور بسیار ساده­تر است، زیرا نیازی به مدل غیر خطی پیچیده ربات ندارد. در نتیجه، حجم محاسبات کنترل کننده برای تعیین ولتاژ اعمالی به موتورها کمتر می‌شود. طبق قضیه تقریب عمومی، سیستم­های فازی و شبکه ­های عصبی، قادر به تقریب توابع غیر خطی حقیقی پیوسته با دقت دلخواه هستند. باید توجه داشت که علاوه بر سیستم­های فازی، تقریبگر­های عمومی دیگری نیز مانند سری فوریه، توابع لژاندر و چند جمله­ای های چبیشف نیز وجود دارند. در این پایان نامه، از این تقریبگر­ها در کنترل مقاوم موقعیت بازوهای رباتیک استفاده می­شود. مزیت اصلی استفاده از این تقریبگرها نسبت به سیستم­های فازی و شبکه ­های عصبی، کاهش فیدبک­های مورد نیاز سیستم کنترل است. تاکنون، برخی از مراجع به استفاده از سری فوریه در کنترل مقاوم بازوهای رباتیک پرداخته­اند. نشان می­دهیم که اگر مسیر­های مطلوب توابع متناوب باشند، کوچکترین مضرب مشترک (ک.م.م.) دوره تناوب اساسی آنها می ­تواند معیار مناسبی برای دوره تناوب اساسی سری فوریه مورد استفاده برای تخمین عدم قطعیت­ها باشد. نوآوری دیگر این پایان ­نامه ارائه یک اثبات پایداری مبتنی بر لیاپانوف برای کنترل سیستم­های غیرخطی مرتبه اول با بهره گرفتن از کنترل­ کننده­های عاطفی است. برای اولین بار، قوانین کنترل ولتاژ پیشنهادی، روی یک ربات اسکارا اجرا می­شود.

دانلود مقاله و پایان نامه

کلید واژه­ها: راهبرد کنترل ولتاژ، سری فوریه، توابع لژاندر، کنترل عاطفی، موتور الکتریکی مغناطیس دائم، بازوی ماهر رباتیک.
 
 
فهرست مقالات مستخرج از رساله
مقالات ژورنالی

  • Saeed Khorashadizadeh and Mohammad Mehdi Fateh, (2014), “Robust Task-Space Control of Robot Manipulators Using Legendre Polynomials,” Nonlinear Dynamics, vol. 79 (2), pp.1151-1161. (Springer, IF=2.419).

 

  • Saeed Khorashadizadeh and Mohammad Mehdi Fateh, (2015), “Uncertainty estimation in robust tracking control of robot manipulators using Fourier series expansion,” Robotica, (Cambridge University Press, IF=0.89).

 

  • Mohammad Mehdi Fateh, Seyed Mohammad Ahmadi, and Saeed Khorashadizadeh, (2014), “Adaptive RBF network control for robot manipulators”, Journal of AI and Data Mining, 2(2), pp. 159-166.

 

  • Mohammad Mehdi Fateh, Siamak Azargoshasb, and Saeed Khorashadizadeh, (2014), “Model-free discrete control for robot manipulators using a fuzzy estimator”, COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, 33(3), 1051-1067. (IF=0.44).

مقالات کنفرانسی

  • Saeed Khorashadizadeh and Mohammad Mehdi Fateh, (2013) “Adaptive Fourier Series-Based Control of Electrically Driven Robot Manipulators”, The 3th International Conference on Control, Instrumation and Automation (ICCIA 2013), pp.213-218.

 

  • Saeed Khorashadizadeh, Mohammad Mehdi Fateh and Siamak Azargoshasb, (2014) “Compensating the reconstruction error of fuzzy stimator in robust model-free control of electrically driven robot manipulators,” The 14th Iranian Conference on Fuzzy Systems.

 
 
 
 
 
فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه.۱
۱-۱- برکارهای گذشته.۲

  • راهبرد کنترل گشتاور.۲
  • راهبرد کنترل ولتاژ۶
  • کنترل عاطفی.۱۴
  • اهداف مورد نظر.۱۶
  • ساختار کلی رساله.۱۷

فصل دوم: بر مدلسازی ریاضی بازوهای ماهر مکانیکی.۱۹
۲-۱-    مقدمه.۲۰
۲-۲-    مدلسازی سینماتیکی.۲۰
۲-۲-۱-سینماتیک مستقیم۲۰
۲-۲-۲-سینماتیک وارون۲۸
۲-۲-۳- سینماتیک سرعت و ماتریس ژاکوبین.۲۹
۲-۳- مدلسازی دینامیکی۳۱
فصل سوم: راهبرد کنترل ولتاژ۳۵
۳-۱- مقدمه۳۶

         3-2- معادلات حرکت سیستم رباتیک ۳۷

           3-3-قانون کنترل در راهبرد کنترل ولتاژ۳۹

         3-4- شبیه­سازی سیستم کنترل۴۱

۳-۵-         نتیجه گیری.۴۴

فصل چهارم: تخمین عدم قطعیت با بهره گرفتن از سری فوریه.۴۵
۴-۱- مقدمه۴۶
۴-۲- تقریب توابع با بهره گرفتن از سری فوریه.۴۷
۴-۳- طراحی کنترل­ کننده مقاوم مستقل از مدل۴۸
۴-۳-۱- قانون کنترل پیشنهادی.۴۹
۴-۳-۲- تحلیل پایداری۵۱
۴-۳-۳- تعیین دوره تناوب اساسی سری فوریه۵۵
۴-۴- نتایج شبیه سازی­ها۶۱
۴-۴-۱- ردگیری مسیرهای سینوسی۶۱
۴-۴-۲- ردگیری مسیرهای متناوب غیر سینوسی۶۴
۴-۴-۳- سایر دوره­های تناوب.۶۷
 
۴-۴-۴- دوره­های تناوب اصم.۶۸
۴-۴-۵-مسیرهای نامتناوب و اغتشاش خارجی.۶۹
۴-۴-۶- مقایسه با کنترل­ کننده عصبی-فازی۷۳
۴-۵- نتایج آزمایشگاهی.۷۹
۴-۵-۱- ردگیری مسیرهای سینوسی۸۱
۴-۵-۲- ردگیری مسیرهای مربعی۸۴
۴-۶- مقایسه نتایج شبیه­سازی و آزمایشگاهی۸۶
۴-۷- نتیجه گیری.۸۷
فصل پنجم: تخمین عدم قطعیت در فضای کار با بهره گرفتن از توابع لژاندر۸۹
۵-۱- مقدمه.۹۰
۵-۲- تقریب توابع با بهره گرفتن از چند­جمله­ای­های لژاندر۹۱
۵-۳- کنترل مقاوم کلاسیک در فضای کار با بهره گرفتن از راهبرد کنترل ولتاژ.۹۳
۵-۴- تخمین عدم قطعیت با بهره گرفتن از چندجمله­ای­های لژاندر.۹۷
۵-۵- نتایج شبیه­سازی۱۰۰
۵-۵-۱- کنترل مقاوم کلاسیک۱۰۰
۵-۵-۲- کنترل مقاوم پیشنهادی با بهره گرفتن از توابع لژاندر.۱۰۴
۵-۵-۳- مقایسه با سایر کنترل­ کننده­های مبتنی بر ولتاژ [۱۱۲]۱۰۷
۵-۶- نتیجه گیری.۱۰۹
فصل ششم: کنترل مقاوم سیستم های غیرخطی مرتبه اول با بهره گرفتن از یادگیری عاطفی مغز .۱۱۱
۶-۱- مقدمه۱۱۲
۶-۲- مدلسازی ریاضی یادگیری عاطفی مغز.۱۱۲
۶-۳- طراحی قانون کنترل و اثبات پایداری.۱۱۶
۶-۴- نتایج آزمایشگاهی.۱۲۱
۶-۵- نتیجه­گیری۱۲۴
فصل هفتم: نتیجه گیری و پیشنهادات۱۲۷
۷-۱-نتیجه گیری.۱۲۸
۷-۲   پیشنهادات۱۳۱
فهرست منابع۱۳۳
پیوست الف: مدل ریاضی بازوی ماهر اسکارا۱۵۱
پیوست ب: اثبات لم­های فصل ۴۱۵۵
پیوست ج: بوردها .۱۶۱
 
 
فهرست اشکال
شکل۲-۱ ربات هنرمند۲۱
شکل۲-۲ ربات اسکارا.۲۱
شکل ۲-۳ دیاگرام مفصلی ربات کروی۲۲
شکل ۲-۴ محور‌های مختصات دوران یافته.۲۳
شکل ۲-۵ دستگاه مختصات انتقال یافته۲۴
شکل۲-۶ اختصاص دستگاه های مختصات به بازوی اسکارا۲۷
شکل ۲-۷ دیاگرام مفصلی برای محاسبه سینماتیک وارون ربات اسکارا۲۹
شکل (۳-۱) دیاگرام کنترل ولتاژ موتور مفصل ربات۳۷
شکل (۳-۲) دیاگرام موتور مغناطیس دائم DC.41
شکل (۳-۳) سیستم کنترل ربات بر مبنای راهبرد کنترل ولتاژ.۴۳
شکل (۳-۴) خطای ردگیری سیستم کنترل با راهبرد کنترل ولتاژ۴۳
شکل (۳-۵) ولتاژ موتورهای سیستم کنترل با راهبرد کنترل ولتاژ۴۴
شکل (۴-۱) بلوک دیاگرام کنترل کننده مبتنی بر سری فوریه .۵۱
شکل (۴-۲) خطاهای ردگیری در شبیه­سازی ۴-۳-۴-۱ .۶۲
شکل (۴-۳) همگرایی ضرایب سری فوریه در شبیه­سازی ۴-۳-۴-۱ .۶۳
شکل (۴-۴) سیگنالهای کنترل در شبیه­سازی ۴-۳-۴-۱ .۶۵
شکل (۴-۵) عملکرد کنترل کننده پیشنهادی در ردگیری مسیر مربعی ۶۵
شکل (۴-۶) سیگنالهای کنترل در ردگیری مسیر مربعی.۶۶
شکل (۴-۷) عملکرد ردگیری کنترل­ کننده پیشنهادی برای مسیر مثلثی .۶۶
شکل (۴-۸) سیگنالهای کنترل در ردگیری مسیر مثلثی.۶۷
شکل (۴-۹) خطاهای ردگیری در شبیه­سازی ۴-۳-۴-۳ .۷۰
شکل (۴-۱۰) سیگنالهای کنترل در شبیه­سازی ۴-۳-۴-۳ .۷۰
شکل (۴-۱۱) اغتشاش خارجی در شبیه­سازی ۴-۳-۴-۴ ۷۱
شکل (۴-۱۲) ردگیری مسیر نامتناوب و دفع اغتشاش خارجی۷۲
شکل (۴-۱۳) سیگنالهای کنترل در ردگیری مسیر نامتناوب و دفع اغتشاش خارجی.۷۲
شکل (۴-۱۴) ساختار شبکه عصبی-فازی۷۶
شکل (۴-۱۵) بلوک دیاگرام کنترل کننده عصبی-فازی ۷۷
شکل (۴-۱۶) مقایسه خطاهای ردگیری دو کنترل کننده (سری فوریه: ــــ عصبی-فازی: – –).۷۸
شکل (۴-۱۷) مقایسه ولتاژ موتورها در دو کنترل کننده (سری فوریه: ـــ عصبی-فازی: – –)۷۸
شکل (۴-۱۸) ستاپ آزمایشگاهی۸۰
شکل (۴-۱۹) عملکرد ردگیری کنترلر مبتنی بر سری فوریه در پیاده­سازی عملی(مسیر ربات: ــــــ مسیر مطلوب: – – – )۸۲
شکل (۴-۲۰) خطای ردگیری کنترلر مبتنی بر سری فوریه در پیاده­سازی عملی۸۳
شکل (۴-۲۱) ولتاژ موتورها در کنترلر مبتنی بر سری فوریه در پیاده­سازی عملی۸۳
شکل (۴-۲۲) ضرایب سری فوریه مربوط به مفصل اول در پیاده­سازی عملی۸۴
شکل (۴-۲۳) ردگیری مسیرهای مربعی در پیاده­سازی عملی.۸۵
شکل (۴-۲۴) ولتاژ موتورها برای ردگیری مسیر مربعی در پیاده­سازی عملی۸۶
شکل (۵-۱) بلوک دیاگرام قانون کنترل (۵-۱۶).۹۴
شکل (۵-۲) بهره تناسبی تعریف شده در (۵-۴۹) .۱۰۲
شکل (۵-۳) ولتاژ موتورها در کنترل مقاوم کلاسیک ۱۰۲
شکل (۵-۴) عملکرد ردگیری کنترل مقاوم کلاسیک در صفحه xy.103
شکل (۵-۵) خطای ردگیری هر سه مختصات در کنترل مقاوم کلاسیک۱۰۳
شکل (۵-۶) عملکرد ردگیری کنترل کننده پیشنهادی در صفحه xy.104
شکل (۵-۷) ولتاژ موتورها در کنترل کننده پیشنهادی .۱۰۵
شکل (۵-۸) خطای ردگیری هر سه مختصات در کنترل مقاوم پیشنهادی۱۰۶
شکل (۵-۹) همگرایی ضرایب لژاندر.۱۰۶
شکل (۵-۱۰) عملکرد ردگیری کنترل کننده پیشنهادی در [۱۱۲].۱۰۸
شکل (۵-۱۱) ولتاژ موتورها در کنترل کننده پیشنهادی در [۱۱۲] .۱۰۸
شکل (۶-۱) دستگاه کناری مغز [۱۴۲].۱۱۳
شکل (۶-۲) بلوک دیاگرام کنترل­ کننده عاطفی.۱۱۶
شکل (۶-۳) ردگیری مسیر مطلوب برای مفصل اول.۱۲۲
شکل (۶-۴) ولتاژ موتور برای مفصل اول.۱۲۲
شکل (۶-۵) ردگیری مسیر مطلوب برای مفصل دوم۱۲۳
شکل (۶-۶) ولتاژ موتور برای مفصل دوم۱۲۴
شکل (۶-۷) ردگیری مسیر مطلوب برای مفصل سوم۱۲۵
شکل (۶-۸) ولتاژ موتور برای مفصل دوم.۱۲۵
 
 
 
 
 
فهرست جداول
 
جدول ۲-۱ جدول دناویت هارتنبرگ برای ربات اسکارا.۲۸
جدول (۳-۱) پارامترهای موتور۴۲
جدول (۳-۲) پارامترهای دینامیکی ربات.۴۲
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل اول
مقدمه
 

  • بر کارهای گذشته
  • اهداف مورد نظر
  • ساختار کلی رساله

 
 
 
 
 
 
۱-۱- برکارهای گذشته
۱-۱-۱- راهبرد کنترل گشتاور

99