فهرست مطالبفصل 1- مقدمه21-1-پیشینۀ پژوهشی31-2-رئوس مطالب5فصل 2-مقدمه‌ای بر کنترل غیرخطی82-1- مقدمه82-2-سیستم غیرخطی92-3-تئوری پایداری لیاپانوف92-3-1-سیستم وابسته به زمان92-3-2-تفاوتاصليبينسيستم‌هايمتغيربازمانونامتغيربازمان102-3-3-مفهوم پایداری به بیان لیاپانوف102-3-3-1-تعريفپايداريمجانبي112-3-3-2-تعريفپايدارينمائي112-3-3-3- تعريفپايداريمطلق112-4-کنترل تطبیقی114-2-1-غیر مستقیم122-4-2- مستقیم12فصل 3-مقدمه‌ای بر محاسبات نرم153-1- مقدمه153-2- شبکۀ عصبی مصنوعی163-2-1- مقدمه163-2-2- الهام از بیولوژی193-2-3-مدل نرون203-2-4- معماری شبکۀ چند لایه203-3-کنترل فازی213-3-1- مقدمه213-3-2-مفاهيم اوليه و تعاريف مقدماتي223-3-3-ساختار کلی کنترل کنندۀ فازی243-3-4-اجزای یک کنترل کنندۀ فازی243-3-5-انواع کنترل کنندههای فازی253-3-6- مقاسیۀ فازی نوع 1 با نوع 2263-3-6-1- نمایش عدم قطعیت سیستمهای Type-1 بوسیله Type-2263-3-6-2- توابع عضویت در فازی نوع 2273-3-7- طراحی کنترل کننده فازی283-3-7-1- طراحی سیستمهای ردیاب با فیدبک حالت283-3-8-دیاگرام روش طراحی کنترل کنددۀ فازی29فصل 4- طراحی کنترل‌کننده برای بازوی رباتیک با هدف خنثی کردن اثرات اصطکاک، تداخل و ارتجاع324-1- مقدمه324-2- مدلسازی334-2-1-مدلسازی سیستم صلب:334-2-2- مدلسازی سیستم منعطف:344-3- کنترل‌کننده تطبیقی برای سیستم صلب374-3-1- شبیه‌سازی404-3-2- نتایج414-4-طراحی کنترل‌کننده تطبیقی با هدف خنثی کردن اصطکاک424-4-1- شبیه‌سازی504-4-2- نتایج514-5-طراحی کنترل کنندۀ تطبیقی بر اساس شبکۀ عصبی برای خنثی کردن اغتشاش534-5-1-توضیح شماتیک کنترل کننده:554-5-2-شبیه‌سازی و نتایج554-6-طراحی کنترل کننده فازی برای بازوی رباتیک594-6-1- شبیه‌سازی و نتایج614-7-طراحی‌کننده فازی تطبیقی برای بازوی رباتیک654-7-1-شبیه‌سازی و نتایج704-7-2- نتیجه‌گیری73فصل 5- طراحی سیستم کنترل هوشمند بر اساس تئوری لیپانوف برای ماشین‌های سنکرون با آهنربای دائم (PMSM)775-1- مقدمه775-2-مدلسازی سیستم:805-3- بردار تطبیقی براساس رویتگر815-3-1- تئوری تطبیقی855-4- طراحی کنترل تطبیقی براساس رویتگر885-4-1- شبیه‌سازی935-4-2- نتایج945-5-طراحی سیستم کنترل تطبیقی برای سیستم با دینامیک نامعلوم975-5-1- نتایج1015-6-طراحی سیستم کنترل کنندۀ تطبیقی بدون سنسور براساس شبکه عصبی1045-6-1-شبیه‌سازی و نتایج1115-7- کنترل فازی تطبیقی1155-7-1- شبیه‌سازی و نتایج1215-8- نتیجه‌گیری125فصل 6- مدیریت و کنترل سیستمهای تولید انرژی هوشمند1296-1- مقدمه1296-1-1- مدلسازی سیستم1316-1-1-1-مبدل DC-DC دوطرفه1316-1-1-2- باطریها1336-2-طراحی کنترل تطبیقی فازی برای مبدل DC-DC1356-2-1- شبیه‌سازی و نتایج:1386-3-کنترل تطبیقی باس DC:1446-3-1- شبیه‌سازی و نتایج:1466-4- برآورد حالت شارژ (SOC) بر اساس رؤیتگر1496-4-1- شبیه‌سازی و نتایج1516-5- برآورد حالت شارژ (SCC) با تئوری تطبیقی1556-5-1-شبیه‌سازی و نتایج1586-6- طراحی سیستم نظارتی فازی برای مدیریت انرژی وسایل الکتریکی با چند منبع مختلف:1616-6-1- شبیه‌سازی و نتایج1656-7- نتیجه‌گیری168فصل 7- نتیجه‌گیری172فهرست مراجع174 فهرست جدولهاجدول 4.1 پارامترهای فیزیکی بازو50جدول 4.2- جدول متغیرهای زبانی61جدول 4.3- جدول مقایسۀ نتایج74جدول 5.1- پارامترهای PMSM93جدول 5.2- جدول قوانین فازی برای PMSM117جدول 5.3- جدول مقایسۀ نتایج127جدول 6.1- جدول متغیرهای زبانی138جدول 6.2- پارامترهای باطری151جدول 6.3- پارامترهای مبدل باک159جدول 6.4- جدول قوانین فازی برای n=2163جدول 6.5- جدول قوانین فازی برای 164جدول 6.6- جدول قوانین فازی برای 165جدول 6.7- جدول قوانین فازی برای165جدول 6.8- جدول مقایسۀ نتایج170فهرست شکلهاشکل 2.1- مفهوم پایداری لیپانوف10شکل 2.2- شمای کنترل تطبیقی غیرمستقیم12شکل 2.3- شمای کنترل تطبیقی مستقیم13شکل 3.1- شماتيكسادهشدهدونرونبيولوژيكي19شکل 3.2- ساختار نرون20شکل 3.3- ساختار چند لایۀ شبکۀ نرونی با یک و دو لایۀ مخفی20شکل 3.4- ساختار کلی کنترل کنندۀ فازی24شکل 3.5- اجزای کنترل کنندۀ فازی25شکل 3.6- مکانیسم استنتاج فازی25شکل 3.7- به ازای x=0.65 مقدارتابع عضویت مشخص شده است که متناظربا هرمقدار دارای مقدارمتفاوتی است27شکل 3.8- توابع عضویت در نوع 1 و 227شکل 3.9- دیاگرام روش طراحی کنترل کنندۀ فازی30شکل 4.1 i امین اتصال بازوی multi-joint34شکل 4.2- نمای دو بعدی بازوی رباتیک40شکل 4.3- سیگنالهای مرجع مکان و سرعت بازوها41شکل 4.4- پاسخ بازو با مقادیر نامی: (a) خطای مکان؛ (b)پارامتر 41شکل 4.5- پاسخ بازو با اصطکاک کولمبی : (a) خطای مکان؛ (b)پارامتر 41شکل 4.6- شمای کنترل‌کننده برای خنثی کردن اثر اصطکاک45شکل 4.7- پاسخ سیستم خنثی کنندۀ اصطکاک با مقادیر نامی. (a) خطای مکان؛ (b)خطای سرعت؛ (c) پایداری داخلی؛ (d) گشتاور خروجی کنترل کننده، .52شکل 4.8- تخمین اصطکاک با مقادیر نامی، خنثی سازی جزئی (a) بازوی 1؛ (b) بازوی 2.52شکل 4.9- تخمین اصطکاک با مقادیر نامی، خنثی سازی کامل (a) بازوی 1؛ (b) بازوی 2.53شکل 4.10- شمای کنترل کنندۀ خنثی کنندۀ اغتشاش53شکل 4.11- پاسخ سیستم خنثی کنندۀ اغتشاش با مقادیر نامی: (a) خطای مکان بازو؛ (b) خطای سرعت؛ (c) پایداری داخلی؛ (d) گشتاور خروجی کنترل کننده ؛ (e) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 1 ؛ و (f) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 2 57شکل 4.12- پاسخ سیستم خنثی کنندۀ اغتشاش با شراایط اولیۀ : (a) خطای مکان بازو؛ (b) خطای سرعت؛ (c) پایداری داخلی؛ (d) گشتاور خروجی کنترل کننده ؛ (e) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 1 ؛ و (f) گشتاور کنترل کننده برای بازوی 2 58شکل 4.13- شمای کنترل کنندۀ فازی59شکل 4.14- تابع عضویت فازی نوع 160شکل 4.15- تابع عضویت فازی نوع 260شکل 4.16- سیگنالهای مرجع مکان و سرعت بازوها62شکل 4.17- پاسخ سیستم کنترل فازی با مقادیر نامی: (a,b) خطای مکان؛ (c,d) خطای سرعت؛ (e,f) نمایش همزمان سرعت موتور و بازو؛ (g,h) گشتاور کنترل کننده .63شکل 4.18- پاسخ سیستم کنترل فازی با شرایط اولیه: (a,b) خطای مکان؛ (c,d) خطای سرعت؛ (e,f) نمایش همزمان سرعت موتور و بازو؛ (g,h) گشتاور کنترل کننده .64شکل 4.19- شمای کنترل کنندۀ فازی تطبیقی65شکل 4.20- ساختار کنترل‌کننده تطبیقی فازی نوع 266شکل 4.21- سیگنالهای مرجع مکان و سرعت بازوها71شکل 4.22- پاسخهای سیستم کنترل تطبیقی فازی نوع 1 و نوع 2 با وجود تغییر در جرم بازو و اینرسی بار: (a, b) خطای مکان؛ (c, d) خطای سرعت؛ (e, f) سرعت موتور و بازو؛ (g, h) گشتاور کنترل کننده.72شکل 4.23- پاسخهای سیستم کنترل تطبیقی فازی نوع 1 و نوع 2 با وجود تغییر در ضریب سختی: (a, b) خطای مکان؛ (c, d) خطای سرعت؛ (e, f) سرعت موتور و بازو؛ (g, h) گشتاور کنترل کننده.73شکل 5.1- شمای بردار کنترل تطبیقی82شکل 5.2- شمای کنترل تطبیقی88شکل 5.3- سیگنال مرجع کنترل کنندۀ تطبیقی94شکل 5.4- پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) خطای تخمین سرعت؛ (c) مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی .95شکل 5.5- پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با تغییر بار: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) خطای تخمین سرعت؛ (c) مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی .96شکل 5.6- طراحی تخمین اغتشاش97شکل 5.7- پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) مولفههای جریان در راستای d-q؛ (c) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (d) گشتاور خروجی؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی .102شکل 5.8- پاسخ سیستم کنترل تطبیقی با تغییر بار: (a) خطای ردگیری سرعت؛ (b) مولفههای جریان در راستای d-q؛ (c) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (d) گشتاور خروجی؛ (e) اغتشاش؛ (f) پارامترهای تطبیقی .103شکل 5.9- شماتیک سیستم کنترل تطبیقی بدون سنسور بر اساس شبکۀ عصبی104شکل 5.10- سیگنال مرجع کنترل کنندۀ تطبیقی بر اساس شبکۀ عصبی111شکل 5.11- پاسخ سیستم کنترل شبکۀ عصبی تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای تخمین سرعت؛ (b) خطای ردگیری سرعت؛ (c) مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) گشتاور کنترل کننده؛ (f)تخمین پارامتر .113شکل 5.12- پاسخ سیستم کنترل شبکۀ عصبی تطبیقی با گشتاور تداخلی بار: (a) خطای تخمین سرعت؛ (b) خطای ردگیری سرعت؛ (c) مولفههای جریان در راستای d-q؛ (d) مولفههای ولتاژ در راستای d-q؛ (e) گشتاور کنترل کننده؛ (f)تخمین پارامتر .114شکل 5.13- شمای کنترل کنندۀ فازی تطبیقی115شکل 5.14- توابع عضویت ورودی کنترل کنندۀ فازی116شکل 5.15- ساختار کنترل کنندۀ فازی تطبیقی118شکل 5.16- سیگنال مرجع سرعت روتور121شکل 5.17- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با مقادیر نامی: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ (c) جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی .122شکل 5.18- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با تغییر در پارامترها: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ (c) جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی .123شکل 5.19- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با وجود تداخل گشتاور بار: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ (c) جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی .124شکل 5.20- پاسخ کنترل کنندۀ فازی تطبیقی با افزایش اندازۀ اصطکاک غیرخطی: (a) خطای سرعت؛ (b) خروجی مدل مرجع؛ (c) جریان در راستای d و q ؛ (d) ولتاژ عملیاتی .125شکل 6.1- سیستم تولید انرژی129شکل 6.2- سیستم الکتریکی یک وسیلۀ نقلیه130شکل 6.3- سیستم تغذیۀ DC-AC با مبدل دوطرفۀ DC-DC131شکل 6.4- حالات عملکرد مبدل DC-DC132شکل 6.5- ساختار مبدل DC-DC132شکل 6.6- مدار معادل باطری133شکل 6.7- شمای کنترل کنندۀ فازی تطبیقی برای مبدل افزایشی DC-DC137شکل 6.8- توابع عضویت فازی برای؛ (a)خطای ولتاژ، (b) تغییرات خطای ولتاژ137شکل 6.9- مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI : (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ (c) جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده 139شکل 6.10- مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI در حضور بار کوچکتر: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ (c) جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده 140شکل 6.11- مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI در حضور بار بزرگتر: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ (c) جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده 141شکل 6.12- مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI با تغییر اندازۀ سلف: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ (c) جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده 142شکل 6.13- مقایسۀ پاسخهای کنترل کنندههای فازی تطبیقی و PI با تغییر اندازۀ خازن: (a) ولتاژ خروجی؛ (b) خطای ولتاژ؛ (c) جریان سلف؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده 143شکل 6.14- شمای کنترل تطبیقی باس DC145شکل 6.15- شمای کنترل کنندۀ PI سری شده146شکل 6.16- کنترل باس DC در شرایط نامی و ولتاژ تغذیۀ ثابت : (a) جریان اینورتر io؛ (b) ولتاژ باس VDC؛ (c) جریان منبع is؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده ؛ (e) تخمین پارامتر تطبیقی 147شکل 6.17- کنترل باس DC در شرایط نامی و ولتاژ تغذیۀ سینوسی : (a) جریان اینورتر io؛ (b) ولتاژ باس VDC؛ (c) جریان منبع is؛ (d) چرخۀ کار کنترل کننده ؛ (e) تخمین پارامتر تطبیقی 148شکل 6.18- پاسخ سیستم برآورد SOC بر اساس رؤیتگر با مقادیر نامی: (a) ولتاژ باطری Vb؛ (b) جریان باطری Ib؛ (c) خطای تخمین ولتاژ باطری e؛ (d) خطای تخمین SOC.152شکل 6.19- پاسخ سیستم برآورد SOC بر اساس رؤیتگر با اندازۀ خازن 10 برابر بزرگتر: (a) ولتاژ باطری Vb؛ (b) جریان باطری Ib؛ (c) خطای تخمین ولتاژ باطری e؛ (d) خطای تخمین SOC.153شکل 6.20- پاسخ سیستم برآورد SOC بر اساس رؤیتگر با امپدانس 2 برابر بزرگتر: (a) ولتاژ باطری Vb؛ (b) جریان باطری Ib؛ (c) خطای تخمین ولتاژ باطری e؛ (d) خطای تخمین SOC.154شکل 6.21- مدار معادل مبدل باک159شکل 6.22- شمای کنترل مبدل159شکل 6.23- پاسخ سیستم SOC تطبیقی: (a) ولتاژ معکوس کننده ؛ (b) چرخۀ کار ؛ (c) ولتاژ باطری ؛ (d) جریان باطری ؛ (e) خطای تخمین ولتاژ باطری ؛ (f) ولتاژ تخمینی مدار باز .160شکل 6.24- بلوک دیاگرام شماتیک سیستم کنترل نظارت فازی برای مدیریت انرژی163شکل 6.25- تابع عضویت فازی ورودی برای n=3.165شکل 6.26- پاسخ سیستم مدیریتی فازی تحت توان وروی : (a) ولتاژ باس DC ، ؛ (b) جریان باطریها ؛ (c) چرخههای کار ؛ (d) حالت شارژ ؛ (e) و پارامتر سیستم 167 فصل اول فصل 1- مقدمهروشهای طراحی کنترل کننده برای سیستمهای غیرخطی را میتوان به سه دسته تقسیم کرد. روش اول شامل خطی سازی سیتمهای غیرخطی حول نقطۀ کار است [1]. در این حالت قوانین کنترل کلاسیک برای سیستمهای تقریبی استفاده میشود. با وجود سادگی این قوانین سیستم کنترل به صورت کلی کارایی تضمین شدهای ندارد. روش دوم طراحی کنترل کننده بر اساس دینامیک سیستمهای غیر خطی است. در این روش خصوصیات سیستمهای غیر خطی حفظ میشود، که همین امر به دلیل وجود دینامیک پیچیدۀ این سیستمها طراحی را بسیار سخت میکند [2]. علاوه بر این، روشهای فوق، از مدلسازی ریاضی دقیقی بهره میبرند که در حالت تئوری کارایی بسیار خوبی دارد، اما در عمل به علل مختلفی از جمله تغییر در شرایط عملیاتی، عدم قطعیتهای دینامیک اعم از ساختار یافته و ساختار نیافته، و اغتشاشات خارجی، دچار افت عملکردی میشوند. در حقیقت به دست آوردن یک مدل ریاضی دقیق برای فرآیندهای سیستمهای پیچیدۀ صنعتی بسیار سخت است. به علاوه عوامل دیگری هم وجود دارند که قابل پیشبینی نیستند، مانند اغتشاش، دما، تغییرات پارامترهای سیستم و غیره. بنابراین دینامیک سیستم را نمیتوان فقط بر اساس مدل احتمالاً دقیق ریاضی بیان کرد. روش سوم کنترل کنندههای غیر خطی را توسط ابزار محاسباتی هوشمند از جمله شبکههای عصبی مصنوعی[1](ANNs) و سیستمهای منطق فازی[2](FLSs) پیادهسازی میکند [3-8]. این تکنیکها در بسیاری از کاربردهایشان به خوبی نتیجه دادهاند و به عنوان ابزاری قدرتمند توانستهاند مقاومت بالایی را برای سیستمهایی که به لحاظ ریاضی خوش تعریف نبوده و در معرض عدم قطعیت قرار گرفتهاند، ایجاد کنند [9,10]. تئوری تقریب عمومی[3] عامل اصلی افزایش استفادۀ اینگونه مدلها است و بیان میدارد که با این روشها به لحاظ تئوریک قادر به تخمین هر تابع حقیقی و پیوستهای با دقت دلخواه هستند. مدلهای مختلف شبکههای عصبی مصنوعی و منطق فازی برای حل بسیاری از مشکلات پیچیده به کار میروند و نتایج نیز عموماً مطلوب است [11-14]، و میتوان به این نکته معترف بود که این روشها جایگزینی بر روشهای کنترلی معمولی و کلاسیک خواهند بود. به عنوان نمونهای از قدرتنمایی و کاربرد هوش مصنوعی میتوان به طراحی کنترل کنندههایی برای فضاپیماها و ماهوارهها اشاره کرد که مثالی از آن را در [15] آورده شده است. 1-1- پیشینۀ پژوهشیدر ادامۀ بررسی پیشینۀپژوهشی در موضوع تحقیق به بررسی کارهای انجام شده به صورت گزینشی و خلاصه میپردازیم:شاید یکی از قدیمیترین طراحیها برای سیستمهای ناشناخته که با موفقیت همراه بود در مقالهای که در [27] آورده شده است، ارائه گشته است. این طراحی توسط Gregory C. Chow در سال1973 برای سیستمهای خطی با پارامترهای نامشخص و بر اساس تئوری کنترل بهینه صورت گرفته و به لحاظ تئوری نتایج مطلوبی را از خود نشان داده است. طراحی فوق فقط برای سیستمهای خطی جوابگو بود و در عالم واقع و در عمل کاربرد چندانی نداشت اما زیر بنای طراحیهای جدید و بهتر را بنا نهاد.بعد از سال 73 و در تلاش برای طراحی برای سیستمهای ناشناختۀ غیرخطی مقالات، پایاننامهها و کتب زیادی منتشر شد که اگر بخواهیم به همۀ آنها اشارۀ کوچکی هم داشته باشیم فرصت زیادی را میطلبد. در اینجا با توجه به امکانات و منابع موجود و به ترتیب تاریخ انتشار مواردی را در حد اشارهای مختصر و بیان کلی نقاط ضعف و قوت بیان میکنیم.در ابتدا میتوان به رسالۀ دکتری آقای Moon Ki Kim از دانشگاه ایلینویز شیکاگو [28] اشاره کرد، که در آن زمان (1991) استراتژی جدیدی را در صنعت ماشینسازی مورد بررسی و تحقیق قرار داد. کار او روش جدیدی در طراحی سیستمهای کنترل به نام کنترلکنندۀ فازی تطبیقی (AFC)[4] بود که با توجه به قدمت آن