مدلسازی فازی سیستم جرثقیل با کابل کششی و کنترل آن بر اساس رهیافت تاکاگی سوگنو

فهرست مطالب

 

 

عنوان                                         صفحه

 

فصل اول: مقدمه…………………………… 2

 

فصل دوم:  بررسي مدل سازي و کنترل جرثقيل با کابل کششي

2-1- مدل ارايه شده براي توصيف رفتار ديناميکي جرثقيل با کابل کششي……………………………………… 7

2-2- کنترل جرثقيل با کابل کششي…………… 10

2-2-1- کنترل کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي   10

2-2-2- کنترل کننده تناسبي-انتگرالي- مشتقي بر اساس الگوريتم ژنتيک ……………………………………. 14

2-2-3- کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم PSO 16

2-2-4- کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم کننده فازي  17

 

فصل سوم: منطق فازي و کنترل کننده فازي تاکاگي– سوگنو

3-1- مقدمه­اي بر منطق فازي……………….. 22

3-2- مفاهيم اوليه و تعاريف مقدماتي……….. 23

3-2-1- برش‌ها، تحدب و اعداد فازي………… 25

3-3- مقدمه اي بر کنترل کننده­هاي فازي……… 26

عنوان                                         صفحه

 

3-4- انواع کنترل کننده­هاي فازي…………… 26

3-4-1- کنترل کننده فازي ممداني…………. 28

3-4-2- کنترل کننده فازي سوگنو………….. 28

3-4-3- کنترل کننده فازي تاکاگي– سوگنو…… 30

3-4-3-1- ناحيه بندي کردن غيرخطي سراسري… 32

3-4-3-2- ناحيه بندي کردن غير خطي با تقريب محلي 32

3-4-4- جبران سازي موازي توزيع يافته ……. 37

3-4-4-1- پايداري کنترل کننده تاکاگي– سوگنو 39

3-5- طراحي کنترل کننده فازي …………….. 40

3-5-1- طراحي سيستم­هاي ردياب با فيدبک حالت.. 41

3-5-1-1- طراحي پيش جبران­ساز استاتيکي در مسير ورودي مرجع 42

فصل چهارم: کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته جرثقيل با کابل کششي

4-1- مقدمه…………………………….. 47

4-2- مدل فازي تاکاگي– سوگنوي سيستم جرثقيل با کابل کششي 48

4-2-1- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 50

4-2-2- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 51

4-2-3- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 52

4-2-4- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 53

4-2-5- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 54

4-2-6- قواعد اگر- آنگاه جرثقيل با کابل کششي 55

عنوان                                         صفحه

 

4-3- مقايسه کنترل کننده جبرانساز موازي توزيع يافته با ديگر روش­هاي
مطرح شده…………………………….. 64

4-3-1- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته با کنترل کننده

 مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي…………… 65

4-3-2- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته با کنترل کننده

تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم ژنتيک 69

4-3-3- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته با کنترل کننده

 تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم کننده فازي. 71

4-3-4- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته با کنترل کننده

تناسبي- انتگرالي- مشتقي بر اساس الگوريتم PSO 78

 

فصل پنجم: کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته جرثقيل با

کابل کششي با استفاده از فازي نوع 2

5-1- مقدماتي بر مجموعه هاي فازي نوع 2…….. 82

5-2- طراحي فيدبک حالت جبران­ساز موازي توزيع يافته براساس مجموعه هاي فازي نوع 2…………………………….. 86

5-2-1- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 89

5-2-2- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 89

5-2-3- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 90

5-2-4- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 90

5-2-5- ناحيه بندي غير خطي  براي جرثقيل.. 91

5-2-6- قواعد اگر- آنگاه جرثقيل با کابل کششي 91

عنوان                                         صفحه

 

5-3- جبران سازي موازي توزيع يافته سيستم فازي نوع 2 تاکاگي – سوگنو …………………………………….. 99

5-3-1- پايداري کنترل کننده تاکاگي – سوگنو. 101

5-3-2- طراحي کنترل کننده فازي ………… 102

5-4- مقايسه کنترل کننده جبرانساز موازي توزيع يافته نوع 2 با ديگر

روش­هاي مطرح شده……………………… ..109

5-4-1- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2 با کنترل

 کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي…….. 110

5-4-2- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2

با کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم ژنتيک…………………………………… 112

5-4-3- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2

 با کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم کننده فازي 114

5-4-4- مقايسه کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2

با کنترل کننده تناسبي- انتگرالي- مشتقي بر اساس الگوريتم PSO …………………………………… 117

 

فصل ششم: نتيجه گيري و پيشنهادات

6-1- نتيجه گيري……………………….. 121

6-2- پيشنهادات………………………… 123

فهرست منابع…………………………….. 124

 

 

فهرست جداول

 

 

عنوان                                         صفحه

 

جدول (2-1): پارامترهاي مدل ديناميکي غيرخطي جرثقيل با کابل کششي    9

جدول (2-2): مقادير بهره­هاي کنترل کننده مقاوم مشتقي-انتگرالي-تناسبي………………………………………. 14

جدول (2-3): بهره هاي بهينه کنترل کننده­ها با استفاده از الگوريتم ژنتيک………………………………….. 15

جدول (2-4): کارايي کنترل کننده­هاي مختلف…….. 16

جدول (2-5): بهره­هاي بهينه کنترل کنندها با استفاده از الگوريتم PSO 17

جدول (2-6): مقادير بهره هاي کنترل کننده مقاوم مشتقي-انتگرالي-تناسبي………………………………………. 18

جدول (4-1): عملکردکنترل کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي براي کنترل

 موقعيت سيستم ………………………….. 66

جدول (4-2): عملکردکنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته براي کنترل

 موقعيت سيستم ………………………… ..67

جدول (4-3): عملکردکنترل کننده کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي براي کنترل

 نوسانات بار……………………………. 67

جدول (4-4): عملکردکنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته براي

 کنترل نوسانات بار………………………. 68

عنوان                                         صفحه

 

جدول (4-5): کارآيي کنترل کننده فازي تناسبي- انتگرالي-مشتقي براي موقعيت

 سرجرثقيل 5/0 متر………………………… 76

جدول (4-6): کارآيي کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته پيشنهاد شده

براي موقعيت سرجرثقيل 5/0متر……………….. 77

جدول (4-7): کارايي کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم PSO

به ازاي طول کابل 75/0متر………………….. 80

جدول (4-8): کارايي کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته به ازاي

 طول کابل 75/0متر………………………… 80

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل ها

عنوان                                         صفحه

شکل (1-1): جرثقيل با کابل کششي……………… 4

شکل (1-2): نمايي ديگر ازحمل بار توسط جرثقيل….. 5

شکل (2-1): مدل جرثقيل با کابل کششي………….. 8

شکل (2-2): نمودار بلوکي کنترل جرثقيل با کابل کششي 11

شکل (2-3): مدل مرجع مورد نظر طراح براي عملکرد ديناميکي موقعيت سر جرثقيل…………………………………. 17

شکل (2-4): بلوک دياگرام کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم کننده فازي……………………………… 18

شکل (2-5): توابع عضويت فازي مربوط به ورودي­ها… 19

شکل (2-6): توابع عضويت فازي مربوط به خروجي….. 19

شکل (2-7): بلوک دياگرام تنظيم بهره­هاي کنترل کننده با استفاده از منطق فازي…………………………………… 20

شکل (3-1): نحوه محاسبه خروجي در کنترل کننده سوگنو 29

شکل (3-2): نحوه محاسبه خروجي قطعي از مقادير فازي در کنترل کننده سوگنو………………………………….. 29

شکل (3-3): ايده ناحيه بندي کردن غيرخطي……… 34

شکل (3-4): ايده ناحيه بندي کردن غيرخطي محلي…. 34

شکل (3-5): توابع عضويت فازي  و … 36

شکل (3-6): توابع عضويت فازي  و … 37

عنوان                                         صفحه

 

شکل (3-7): سيستم ردياب با پيش جبران ساز ورودي مرجع   46

شکل (4-1): توابع عضويت مربوط به ……….. 52

شکل (4-2): توابع عضويت مربوط به ……….. 53

شکل (4-3): توابع عضويت مربوط به ……….. 54

شکل (4-4): توابع عضويت مربوط به ……….. 55

شکل (4-5): توابع عضويت مربوط به ……….. 56

شکل (4-6): ساختار کلي کنترل جرثقيل با کابل کششي 62

شکل (4-7): موقعيت سر جرثقيل در غياب کنترل کننده به ازاي فاصله مطلوب 1 متر،

جرم بار 1 کيلوگرم  وطول کابل 5/0متر………… 62

شکل (4-8): زاويه نوسان بار در غياب کنترل کننده به ازاي فاصله مطلوب 1 متر،

جرم بار 1 کيلوگرم  وطول کابل 5/0متر………… 62

شکل (4-9): موقعيت سر جرثقيل در حضور کنترل کننده به ازاي فاصله مطلوب 1 متر،

جرم بار 1 کيلوگرم  وطول کابل 5/0متر………… 63

شکل (4-10): زاويه نوسان بار در حضور کنترل کننده به ازاي فاصله مطلوب 1 متر،

جرم بار 1 کيلوگرم  و طول کابل 5/0متر ………. 63

شکل (4-11):کنترل کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي – موقعيت سر جرثقيل

 به ازاي مقادير مختلف جرم بار و طول کابل براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر……………………………………. 64

شکل (4-12): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، موقعيت سر جرثقيل

 به ازاي مقادير مختلف جرم بار و طول کابل براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر……………………………………. 65

شکل (4-13): کنترل کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي، زاويه بار با سر جرثقيل

 به ازاي مقادير مختلف جرم بار و طول کابل براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر……………………………………. 65

عنوان                                         صفحه

 

شکل (4-14): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، زاويه بار با سر جرثقيل

 به ازاي مقادير مختلف جرم بار و طول کابل براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر……………………………………. 66

شکل (4-15): کنترل کننده PID براساس الگوريتم ژنتيک، کنترل موقعيت سر جرثقيل

به ازاي بهره هاي کنترلي متفاوت و مسافت5/0 و جرم بار 1 کيلو گرم و طول کابل 5/0 ……………………………….. 69

شکل (4-16): کنترل‌کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، کنترل موقعيت سرجرثقيل

 به ازاي مسافت 5/0و جرم بار 1 کيلوگرم و طول کابل 5/0 متر 69

شکل (4-17): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم ژنتيک، زاويه

بار با سر جرثقيل به ازاي بهره­هاي کنترلي متفاوت و مسافت 5/0   70

شکل (4-18): کنترل­کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، زاويه بار با سرجرثقيل

 به ازاي مسافت 5/0 و جرم بار 1 و طول کابل 5/0 متر 70

شکل (4-19): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم کننده فازي، کنترل

 موقعيت سر جرثقيل به ازاي جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/0 71

شکل (4-20): کنترل­کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، کنترل موقعيت سرجرثقيل

 به ازاي جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/0 72

شکل (4-21): کنترل­کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم کننده فازي، کنترل

 زاويه بار با سر جرثقيل به ازاي جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/0…………………………………….. 72

شکل (4-22): کنترل­کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، کنترل زاويه بار به ازاي

جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/0 متر…. 73

شکل (4-23): کنترل­کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم­کننده فازي، کنترل

 موقعيت سر جرثقيل به ازاي جرم بار 1 و طول کابل 25/0 و مسافت 5/0   73

شکل (4-24): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، کنترل موقعيت سر

جرثقيل به ازاي جرم بار 1 و طول کابل 25/0 و مسافت 5/0 74

عنوان                                         صفحه

 

شکل (4-25): کنترل­کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم­کننده فازي،

 کنترل زاويه بار با سرجرثقيل به ازاي جرم بار 1 و طول کابل 25/0 و مسافت 5/0……………………………….. 74

شکل (4-26): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، کنترل زاويه بار با سر

جرثقيل به ازاي جرم بار 1 و طول کابل 25/0 و مسافت 5/0 75

شکل (4-27): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم PSO،

موقعيت سر جرثقيل به ازاي مسافت­هاي متفاوت…… 78

شکل (4-28): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع شده، موقعيت سر جرثقيل

 به ازاي مسافت­هاي متفاوت…………………. 78

شکل (4-29): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم PSO،

زاويه نوسان بار به ازاي مسافت­هاي متفاوت……. 79

شکل (4-30): کنترل‌کننده‌جبران­ساز موازي توزيع يافته، زاويه نوسان بار

 به ازاي مسافت­هاي‌متفاوت………………….. 79

شکل (5-1): يک مجموعه فازي نوع 2……………. 83

شکل (5-2): رد پاي عدم قطعيت مجموعه فازي نوع 2.. 85

شکل (5-3): يک مجموعه فازي نوع 2 بازه اي…….. 86

شکل (5-4): تابع عضويت فازي نوع 2 ……… 103

شکل (5-5): تابع عضويت فازي نوع 2 ……… 104

شکل (5-6): تابع عضويت فازي نوع 2 …………………………………………………                                       104

شکل (5-7): تابع عضويت فازي نوع 2 ……… 105

شکل (5-8): تابع عضويت فازي نوع 2 ……… 105

شکل (5-9): تابع عضويت فازي نوع 2 ……… 106

شکل (5-10): تابع عضويت فازي نوع 2 …….. 106

عنوان                                         صفحه

 

شکل (5-11): تابع عضويت فازي نوع 2 …….. 107

شکل (5-12): تابع عضويت فازي نوع 2 …….. 107

شکل (5-13): تابع عضويت فازي نوع 2 …….. 108

شکل (5-14): کنترل کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي- موقعيت سر جرثقيل

 به ازاي مقادير مختلف جرم بار و طول کابل براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر……………………………………. 109

شکل (5-15): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته، موقعيت سر جرثقيل

 به ازاي جرم بار 25/0 و طول کابل 6/0 براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر………………………………………. 110

شکل (5-16): کنترل کننده مقاوم تناسبي-انتگرالي-مشتقي، زاويه بار با سر

جرثقيل به ازاي مقادير مختلف جرم بار و طول کابل براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر………………………………… 110

شکل (5-17): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع2، زاويه بار با

 سر جرثقيل به ازاي 25/0 جرم بار و طول کابل 6/0 براي رسيدن به موقعيت 7/0 متر………………………………… 111

شکل (5-18): کنترل کننده PID براساس الگوريتم ژنتيک، کنترل موقعيت سر جرثقيل

 به ازاي بهره هاي کنترلي متفاوت و مسافت5/0 و جرم بار 1 کيلو گرم و طول کابل 5/0 …………………………… 112

شکل (5-19): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2، کنترل موقعيت

سرجرثقيل به ازاي مسافت 5/0و جرم بار 1 کيلوگرم و طول کابل 5/0 متر………………………………………. 112

شکل (5-20): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم ژنتيک،

زاويه بار با سر جرثقيل به ازاي بهره­هاي کنترلي متفاوت و مسافت 5/0………………………………………. 113

شکل (5-21): کنترل­کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2، زاويه بار با

سرجرثقيل به ازاي مسافت 5/0و جرم بار 1 و طول کابل 5/ 0 متر 113

شکل (5-22): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي‌با تنظيم‌کننده فازي،‌ کنترل

 ‌موقعيت سر جرثقيل به ازاي جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/0………………………………………. 114

عنوان                                         صفحه

 

شکل (5-23): کنترل­کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2، کنترل موقعيت

سر جرثقيل به ازاي جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/0 115

شکل (5-24): کنترل­کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي با تنظيم کننده فازي، کنترل

زاويه بار با سر جرثقيل به ازاي جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/0……………………………………. 115

شکل (5-25): کنترل­کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2، کنترل زاويه بار

 به ازاي جرم بار 5/0 و طول کابل 75/0 و مسافت 5/ متر  116

شکل (5-26): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم PSO،

موقعيت سر جرثقيل به ازاي مسافت­هاي متفاوت…… 117

شکل (5-27): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع شده نوع 2، موقعيت

سر جرثقيل به ازاي مسافت­هاي متفاوت…………. 117

شکل (5-28): کنترل کننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي بر اساس الگوريتم PSO،

زاويه نوسان بار به ازاي مسافت­هاي متفاوت……. 118

شکل (5-29): کنترل کننده جبران­ساز موازي توزيع يافته نوع 2، زاويه نوسان بار

به ازاي مسافت­هاي متفاوت………………….. 118

 

 

 

 

 

 

 

فهرست نشانه هاي اختصاري

 

= m₁ جرم بار

­= m₂ جرم سر جرثقیل

= l طول کابل

= k_t ثابث گشتاور

= k_e ثابت الکتریکی

= B ثابت اصطکاک

= r_p شعاع قرقره

= r نسبت دنده

= T_l گشتاور بار

= T_m گشتاور موتور

= i جریان آرمیچر

= L اندوکتانس

=R مقاومت

=V ولتاژ ورودی