دانشکده آموزشهای الکترونیکی

پایان نامه­ کارشناسی ارشد در رشته

ابزار دقیق و اتوماسیون صنایع نفت

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

به کوشش

مرتضی فیروزآبادی

اساتید راهنما

دکتر سراج الدین کاتبی

دکتر محمد اقتصاد

بهمن ۱۳۹۲

بـه نـام خـدا

اظـهارنـامـه

اینجانب مرتضی فیروزآبادی دانشجوی رشته ی برق گرایش اتوماسیون و ابزار دقیق صنایع نفت دانشکده آموزشهای الکترونیکی اظهار می کنم که این پایان نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهایی که از منابع دیگران استفاده کرده‌ام، نشانی دقیق و مشخصات کامل آن را نوشته ام. همچنین اظهار می‌کنم که تحقیق و موضوع پایان نامه ام تکراری نیست و تعهد می نمایم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهای آن را منتشر ننموده و یا در اختیار غیر قرار ندهم. کلیه حقوق این اثر مطابق با آیین نامه مالکیت فکری و معنوی متعلق به دانشگاه شیراز است.

نام و نام خانوادگی: مرتضی فیروزآبادی

تاریخ و امضا:

تقدیم به

پدر و مادر عزیزم

که همواره حامی و پشتیبانم بوده اند:

سپاسگزاری

اکنون که این رساله به پایان رسیده است بر خود فرض می دانم که از اساتید ارجمند جناب دکتر کاتبی و جناب دکتر اقتصاد به موجب زحمات و راهنمایی های بی دریغ قدردانی و تشکر نمایم.

چکیده

مدلسازی فازی سیستم جرثقیل با کابل کششی و کنترل آن

بر اساس رهیافت تاکاگی سوگنو

به کوشش

مرتضی فیروزآبادی

در بیشتر جرثقیل ها بعد از انتقال سریع بار به نقطه پایانی، توقف ناگهانی باعث به وجود آمدن حرکت نوسانی در بار می­ شود که مانع از امکان رها کردن بار در محل خواهد شد و این اتلاف زمان بسیار پر هزینه است. در این تحقیق با توجه به کار آیی منطق فازی در مورد سیستمهایی که مدل دقیق ریاضی ندارند یا به هر نحو اطلاعات محدودی در مورد آنها در اختیار است سعی شده است که با بهره گرفتن از رهیافت تاکاگی سوگنو سیستم جرثقیل با کابل کششی مدلسازی شود و سپس به منظور کاهش نوسانات توسط بار ابتدا سیستم مورد نظر توسط روش جبرانساز موازی توزیع شده پایدار شده (رگوله سازی شده) و در ادامه برای رسانیدن سر جرثقیل به مکان مورد نظر یک پیش جبرانساز طراحی شود که این رهیافت هم بر اساس مجموعه های فازی نوع ۱ و هم مجموعه های فازی نوع ۲ پیاده سازی شده و در نهایت نتایج به دست آمده با روش های دیگر کنترلی که به منظور رسانیدن سر جرثقیل به مکان مطلوب با کمترین زمان و کمترین نوسان ارائه شده مقایسه گردیده. نتایج حاصل حکایت از کارایی بهتر روش کنترلی پیشنهادی نسبت به سایر روشها دارد.

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

کلید واژه: کنترل فازی نوع ۱، کنترل فازی نوع ۲، کنترل کننده جبرانساز موازی توزیع یافته، رهیافت تاکاگی سوگنو، جرثقیل با کابل کششی، مدل تاکاگی سوگنو

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه ۲

فصل دوم: بررسی مدل سازی و کنترل جرثقیل با کابل کششی

۲-۱- مدل ارائه شده برای توصیف رفتار دینامیکی جرثقیل با کابل کششی ۷

۲-۲- کنترل جرثقیل با کابل کششی ۱۰

۲-۲-۱- کنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی ۱۰

۲-۲-۲- کنترل کننده تناسبی-انتگرالی- مشتقی بر اساس الگوریتم ژنتیک ۱۴

۲-۲-۳- کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم PSO 16

۲-۲-۴- کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی ۱۷

فصل سوم: منطق فازی و کنترل کننده فازی تاکاگی– سوگنو

۳-۱- مقدمه­ای بر منطق فازی ۲۲

۳-۲- مفاهیم اولیه و تعاریف مقدماتی ۲۳

۳-۲-۱- برش‌ها، تحدب و اعداد فازی ۲۵

۳-۳- مقدمه ای بر کنترل کننده­ های فازی ۲۶

عنوان صفحه

۳-۴- انواع کنترل کننده­ های فازی ۲۶

۳-۴-۱- کنترل کننده فازی ممدانی ۲۸

۳-۴-۲- کنترل کننده فازی سوگنو ۲۸

۳-۴-۳- کنترل کننده فازی تاکاگی– سوگنو ۳۰

۳-۴-۳-۱- ناحیه بندی کردن غیرخطی سراسری ۳۲

۳-۴-۳-۲- ناحیه بندی کردن غیر خطی با تقریب محلی ۳۲

۳-۴-۴- جبران سازی موازی توزیع یافته ۳۷

۳-۴-۴-۱- پایداری کنترل کننده تاکاگی– سوگنو ۳۹

۳-۵- طراحی کنترل کننده فازی ۴۰

۳-۵-۱- طراحی سیستم­های ردیاب با فیدبک حالت ۴۱

۳-۵-۱-۱- طراحی پیش جبران­ساز استاتیکی در مسیر ورودی مرجع ۴۲

فصل چهارم: کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته جرثقیل با کابل کششی

۴-۱- مقدمه ۴۷

۴-۲- مدل فازی تاکاگی– سوگنوی سیستم جرثقیل با کابل کششی ۴۸

۴-۲-۱- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۵۰

۴-۲-۲- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۵۱

۴-۲-۳- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۵۲

۴-۲-۴- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۵۳

۴-۲-۵- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۵۴

۴-۲-۶- قواعد اگر- آنگاه جرثقیل با کابل کششی ۵۵

عنوان صفحه

۴-۳- مقایسه کنترل کننده جبرانساز موازی توزیع یافته با دیگر روش­های
مطرح شده ۶۴

۴-۳-۱- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته با کنترل کننده

مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی ۶۵

۴-۳-۲- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته با کنترل کننده

تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم ژنتیک ۶۹

۴-۳-۳- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته با کنترل کننده

تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی ۷۱

۴-۳-۴- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته با کنترل کننده

تناسبی- انتگرالی- مشتقی بر اساس الگوریتم PSO 78

فصل پنجم: کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته جرثقیل با

کابل کششی با بهره گرفتن از فازی نوع ۲

۵-۱- مقدماتی بر مجموعه های فازی نوع ۲ ۸۲

۵-۲- طراحی فیدبک حالت جبران­ساز موازی توزیع یافته براساس مجموعه های فازی نوع ۲ ۸۶

۵-۲-۱- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۸۹

۵-۲-۲- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۸۹

۵-۲-۳- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۹۰

۵-۲-۴- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۹۰

۵-۲-۵- ناحیه بندی غیر خطی برای جرثقیل ۹۱

۵-۲-۶- قواعد اگر- آنگاه جرثقیل با کابل کششی ۹۱

عنوان صفحه

۵-۳- جبران سازی موازی توزیع یافته سیستم فازی نوع ۲ تاکاگی – سوگنو ۹۹

۵-۳-۱- پایداری کنترل کننده تاکاگی – سوگنو ۱۰۱

۵-۳-۲- طراحی کنترل کننده فازی ۱۰۲

۵-۴- مقایسه کنترل کننده جبرانساز موازی توزیع یافته نوع ۲ با دیگر

روش­های مطرح شده ..۱۰۹

۵-۴-۱- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲ با کنترل

کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی ۱۱۰

۵-۴-۲- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲

با کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم ژنتیک ۱۱۲

۵-۴-۳- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲

با کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی ۱۱۴

۵-۴-۴- مقایسه کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲

با کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتقی بر اساس الگوریتم PSO 117

فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات

۶-۱- نتیجه گیری ۱۲۱

۶-۲- پیشنهادات ۱۲۳

فهرست منابع ۱۲۴

فهرست جداول

عنوان صفحه

جدول (۲-۱): پارامترهای مدل دینامیکی غیرخطی جرثقیل با کابل کششی ۹

جدول (۲-۲): مقادیر بهره­های کنترل کننده مقاوم مشتقی-انتگرالی-تناسبی ۱۴

جدول (۲-۳): بهره های بهینه کنترل کننده­ها با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک ۱۵

جدول (۲-۴): کارایی کنترل کننده­ های مختلف ۱۶

جدول (۲-۵): بهره­های بهینه کنترل کنندها با بهره گرفتن از الگوریتم PSO 17

جدول (۲-۶): مقادیر بهره های کنترل کننده مقاوم مشتقی-انتگرالی-تناسبی ۱۸

جدول (۴-۱): عملکردکنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی برای کنترل

موقعیت سیستم ۶۶

جدول (۴-۲): عملکردکنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته برای کنترل

موقعیت سیستم ..۶۷

جدول (۴-۳): عملکردکنترل کننده کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی برای کنترل

نوسانات بار ۶۷

جدول (۴-۴): عملکردکنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته برای

کنترل نوسانات بار ۶۸

عنوان صفحه

جدول (۴-۵): کارآیی کنترل کننده فازی تناسبی- انتگرالی-مشتقی برای موقعیت

سرجرثقیل ۵/۰ متر ۷۶

جدول (۴-۶): کارآیی کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته پیشنهاد شده

برای موقعیت سرجرثقیل ۵/۰متر ۷۷

جدول (۴-۷): کارایی کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم PSO

به ازای طول کابل ۷۵/۰متر ۸۰

جدول (۴-۸): کارایی کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته به ازای

طول کابل ۷۵/۰متر ۸۰

فهرست شکل ها

عنوان صفحه

شکل (۱-۱): جرثقیل با کابل کششی ۴

شکل (۱-۲): نمایی دیگر ازحمل بار توسط جرثقیل ۵

شکل (۲-۱): مدل جرثقیل با کابل کششی ۸

شکل (۲-۲): نمودار بلوکی کنترل جرثقیل با کابل کششی ۱۱

شکل (۲-۳): مدل مرجع مورد نظر طراح برای عملکرد دینامیکی موقعیت سر جرثقیل ۱۷

شکل (۲-۴): بلوک دیاگرام کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی ۱۸

شکل (۲-۵): توابع عضویت فازی مربوط به ورودی­ ها ۱۹

شکل (۲-۶): توابع عضویت فازی مربوط به خروجی ۱۹

شکل (۲-۷): بلوک دیاگرام تنظیم بهره­های کنترل کننده با بهره گرفتن از منطق فازی ۲۰

شکل (۳-۱): نحوه محاسبه خروجی در کنترل کننده سوگنو ۲۹

شکل (۳-۲): نحوه محاسبه خروجی قطعی از مقادیر فازی در کنترل کننده سوگنو ۲۹

شکل (۳-۳): ایده ناحیه بندی کردن غیرخطی ۳۴

شکل (۳-۴): ایده ناحیه بندی کردن غیرخطی محلی ۳۴

شکل (۳-۵): توابع عضویت فازی و ۳۶

شکل (۳-۶): توابع عضویت فازی و ۳۷

عنوان صفحه

شکل (۳-۷): سیستم ردیاب با پیش جبران ساز ورودی مرجع ۴۶

شکل (۴-۱): توابع عضویت مربوط به ۵۲

شکل (۴-۲): توابع عضویت مربوط به ۵۳

شکل (۴-۳): توابع عضویت مربوط به ۵۴

شکل (۴-۴): توابع عضویت مربوط به ۵۵

شکل (۴-۵): توابع عضویت مربوط به ۵۶

شکل (۴-۶): ساختار کلی کنترل جرثقیل با کابل کششی ۶۲

شکل (۴-۷): موقعیت سر جرثقیل در غیاب کنترل کننده به ازای فاصله مطلوب ۱ متر،

جرم بار ۱ کیلوگرم وطول کابل ۵/۰متر ۶۲

شکل (۴-۸): زاویه نوسان بار در غیاب کنترل کننده به ازای فاصله مطلوب ۱ متر،

جرم بار ۱ کیلوگرم وطول کابل ۵/۰متر ۶۲

شکل (۴-۹): موقعیت سر جرثقیل در حضور کنترل کننده به ازای فاصله مطلوب ۱ متر،

جرم بار ۱ کیلوگرم وطول کابل ۵/۰متر ۶۳

شکل (۴-۱۰): زاویه نوسان بار در حضور کنترل کننده به ازای فاصله مطلوب ۱ متر،

جرم بار ۱ کیلوگرم و طول کابل ۵/۰متر ۶۳

شکل (۴-۱۱):کنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی – موقعیت سر جرثقیل

به ازای مقادیر مختلف جرم بار و طول کابل برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۶۴

شکل (۴-۱۲): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، موقعیت سر جرثقیل

به ازای مقادیر مختلف جرم بار و طول کابل برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۶۵

شکل (۴-۱۳): کنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی، زاویه بار با سر جرثقیل

به ازای مقادیر مختلف جرم بار و طول کابل برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۶۵

عنوان صفحه

شکل (۴-۱۴): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، زاویه بار با سر جرثقیل

به ازای مقادیر مختلف جرم بار و طول کابل برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۶۶

شکل (۴-۱۵): کنترل کننده PID براساس الگوریتم ژنتیک، کنترل موقعیت سر جرثقیل

به ازای بهره های کنترلی متفاوت و مسافت۵/۰ و جرم بار ۱ کیلو گرم و طول کابل ۵/۰ ۶۹

شکل (۴-۱۶): کنترل‌کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، کنترل موقعیت سرجرثقیل

به ازای مسافت ۵/۰و جرم بار ۱ کیلوگرم و طول کابل ۵/۰ متر ۶۹

شکل (۴-۱۷): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم ژنتیک، زاویه

بار با سر جرثقیل به ازای بهره­های کنترلی متفاوت و مسافت ۵/۰ ۷۰

شکل (۴-۱۸): کنترل­ کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، زاویه بار با سرجرثقیل

به ازای مسافت ۵/۰ و جرم بار ۱ و طول کابل ۵/۰ متر ۷۰

شکل (۴-۱۹): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی، کنترل

موقعیت سر جرثقیل به ازای جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۷۱

شکل (۴-۲۰): کنترل­ کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، کنترل موقعیت سرجرثقیل

به ازای جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۷۲

شکل (۴-۲۱): کنترل­ کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی، کنترل

زاویه بار با سر جرثقیل به ازای جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۷۲

شکل (۴-۲۲): کنترل­ کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، کنترل زاویه بار به ازای

جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/۰ متر ۷۳

شکل (۴-۲۳): کنترل­ کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم­کننده فازی، کنترل

موقعیت سر جرثقیل به ازای جرم بار ۱ و طول کابل ۲۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۷۳

شکل (۴-۲۴): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، کنترل موقعیت سر

جرثقیل به ازای جرم بار ۱ و طول کابل ۲۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۷۴

عنوان صفحه

شکل (۴-۲۵): کنترل­ کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم­کننده فازی،

کنترل زاویه بار با سرجرثقیل به ازای جرم بار ۱ و طول کابل ۲۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۷۴

شکل (۴-۲۶): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، کنترل زاویه بار با سر

جرثقیل به ازای جرم بار ۱ و طول کابل ۲۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۷۵

شکل (۴-۲۷): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم PSO،

موقعیت سر جرثقیل به ازای مسافت­های متفاوت ۷۸

شکل (۴-۲۸): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع شده، موقعیت سر جرثقیل

به ازای مسافت­های متفاوت ۷۸

شکل (۴-۲۹): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم PSO،

زاویه نوسان بار به ازای مسافت­های متفاوت ۷۹

شکل (۴-۳۰): کنترل‌کننده‌جبران­ساز موازی توزیع یافته، زاویه نوسان بار

به ازای مسافت­های‌متفاوت ۷۹

شکل (۵-۱): یک مجموعه فازی نوع ۲ ۸۳

شکل (۵-۲): رد پای عدم قطعیت مجموعه فازی نوع ۲ ۸۵

شکل (۵-۳): یک مجموعه فازی نوع ۲ بازه ای ۸۶

شکل (۵-۴): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۳

شکل (۵-۵): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۴

شکل (۵-۶): تابع عضویت فازی نوع ۲ ………………………………………………… ۱۰۴

شکل (۵-۷): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۵

شکل (۵-۸): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۵

شکل (۵-۹): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۶

شکل (۵-۱۰): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۶

عنوان صفحه

شکل (۵-۱۱): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۷

شکل (۵-۱۲): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۷

شکل (۵-۱۳): تابع عضویت فازی نوع ۲ ۱۰۸

شکل (۵-۱۴): کنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی- موقعیت سر جرثقیل

به ازای مقادیر مختلف جرم بار و طول کابل برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۱۰۹

شکل (۵-۱۵): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته، موقعیت سر جرثقیل

به ازای جرم بار ۲۵/۰ و طول کابل ۶/۰ برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۱۱۰

شکل (۵-۱۶): کنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی، زاویه بار با سر

جرثقیل به ازای مقادیر مختلف جرم بار و طول کابل برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۱۱۰

شکل (۵-۱۷): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع۲، زاویه بار با

سر جرثقیل به ازای ۲۵/۰ جرم بار و طول کابل ۶/۰ برای رسیدن به موقعیت ۷/۰ متر ۱۱۱

شکل (۵-۱۸): کنترل کننده PID براساس الگوریتم ژنتیک، کنترل موقعیت سر جرثقیل

به ازای بهره های کنترلی متفاوت و مسافت۵/۰ و جرم بار ۱ کیلو گرم و طول کابل ۵/۰ ۱۱۲

شکل (۵-۱۹): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲، کنترل موقعیت

سرجرثقیل به ازای مسافت ۵/۰و جرم بار ۱ کیلوگرم و طول کابل ۵/۰ متر ۱۱۲

شکل (۵-۲۰): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم ژنتیک،

زاویه بار با سر جرثقیل به ازای بهره­های کنترلی متفاوت و مسافت ۵/۰ ۱۱۳

شکل (۵-۲۱): کنترل­ کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲، زاویه بار با

سرجرثقیل به ازای مسافت ۵/۰و جرم بار ۱ و طول کابل ۵/ ۰ متر ۱۱۳

شکل (۵-۲۲): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی‌با تنظیم‌کننده فازی،‌ کنترل

‌موقعیت سر جرثقیل به ازای جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۱۱۴

عنوان صفحه

شکل (۵-۲۳): کنترل­ کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲، کنترل موقعیت

سر جرثقیل به ازای جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۱۱۵

شکل (۵-۲۴): کنترل­ کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی، کنترل

زاویه بار با سر جرثقیل به ازای جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/۰ ۱۱۵

شکل (۵-۲۵): کنترل­ کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲، کنترل زاویه بار

به ازای جرم بار ۵/۰ و طول کابل ۷۵/۰ و مسافت ۵/ متر ۱۱۶

شکل (۵-۲۶): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم PSO،

موقعیت سر جرثقیل به ازای مسافت­های متفاوت ۱۱۷

شکل (۵-۲۷): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع شده نوع ۲، موقعیت

سر جرثقیل به ازای مسافت­های متفاوت ۱۱۷

شکل (۵-۲۸): کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم PSO،

زاویه نوسان بار به ازای مسافت­های متفاوت ۱۱۸

شکل (۵-۲۹): کنترل کننده جبران­ساز موازی توزیع یافته نوع ۲، زاویه نوسان بار

به ازای مسافت­های متفاوت ۱۱۸

فهرست نشانه های اختصاری

= m1 جرم بار

­= m2 جرم سر جرثقیل

= l طول کابل

= kt ثابث گشتاور

= ke ثابت الکتریکی

= B ثابت اصطکاک

= rp شعاع قرقره

= r نسبت دنده

= Tl گشتاور بار

= Tm گشتاور موتور

= i جریان آرمیچر

= L اندوکتانس

=R مقاومت

=V ولتاژ ورودی

فصل اول

مقدمه

در صنعت، جرثقیل­ها[۱] به طور گسترده برای حمل بارهای سنگین و مواد پر خطر در کارخانه­ها، صنایع هسته­ای، ساختمان­های بلند و صنایع کشتی سازی استفاده می­شوند. جرثقیل باید بار معلق را با بیشترین سرعت وکمترین نوسان[۲] در مقصد جابجا کند[۱]. در بیشتر جرثقیل­ها بعد از انتقال سریع بار به نقطه پایانی، توقف ناگهانی باعث بوجود آمدن حرکت نوسانی در بار می­ شود. این حرکت نوسانی ممکن است که به بار و تجهیزات اطراف آسیب برساند. علاوه بر آن اپراتور باید برای قرار دادن بار در محل مورد نظر منتظر اتمام این نوسانات باشد.

روش­های کنترلی زیادی بر پایه روش­های کلاسیک و مدرن پیشنهاد و تست شده است، که می­توان به روش­های کنترل تطبیقی [۲-۳]، کنترل با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک و کنترل تناسبی-انتگرالی-مشتقی در [۴]، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات [۵] اشاره کرد. بیشتر روش‌های کلاسیک تنها وقتی قابل استفاده هستند که مدل دقیقی از جرثقیل در دسترس باشد. روش های ارائه شده در کنترل فازی به خوبی این قابلیت را دارند که بر روی سیستم هایی که مدل ریاضی دقیقی ندارند و یا به هر نحو اطلاعات محدودی در مورد آنها در اختیار است، پیاده شوند. همین امر یکی از دلایل عمده کاربرد چشم گیر منطق فازی در پروسه­های صنعتی است.

کنترل کننده­ های فازی به سه دسته عمده ممدانی[۳]، سوگنو و تاکاگی- سوگنو[۴] تقسیم می­شوند. در کنترل کننده های ممدانی و سوگنو طراحی بر پایه دانش تجربی از عملکرد سیستم و به روش سعی و خطا انجام می­ شود. در حالی که طراحی کنترل کننده تاکاگی­-سوگنو بر پایه مدل ریاضی سیستم و با در نظر گرفتن هر یک از قوانین ارائه شده به عنوان یک مدل خطی محلی از کل سیستم در نظر گرفته می شود.

یک کنترل کننده فازی، معمولا یک کنترل کننده غیرخطی به فرم می­باشد که در آن یک تابع فازی است. بنابراین تعمیم روش­های طراحی و آنالیز در کنترل غیرخطی، امکان مطالعه کنترل کننده‌های فازی را به صورت سیستماتیک فراهم می ­آورد. یکی از مهمترین پارامترهایی که از هر سیستم کنترلی انتظار می­رود، پایداری کل مجموعه است. مسئله پایداری در سیستم­های فازی به لحاظ دقیق نبودن مدل و عدم تعریف دقیق ریاضی تابع فازی ، از اساسی ترین مباحث مطرح شده در کنترل فازی است. مسئله پایداری در سیستم­های فازی تاکاگی-سوگنو بر پایه کنترل غیر متمرکز، با بهره گرفتن از رویکرد جبران ساز موازی توزیع یافته[۵] مورد بحث قرار می­گیرد. در روش جبران ساز موازی توزیع یافته، ساختار کنترل بر اساس مدل فازی می­باشد. مدل فازی تاکاگی-سوگنو توسط قوانین فازی اگر-آنگاه بیان می شوند. این قوانین روابط خطی ورودی و خروجی را به صورت محلی[۶] در سیستم غیر خطی[۷] نشان می­ دهند.

در تحقیق حاضر کنترل جرثقیل، با بهره گرفتن از سیستم­های توزیع یافته موازی به منظور رسیدن به موقعیت مورد نظر در کمترین زمان ممکن، با کمترین نوسان مورد بررسی قرار می­گیرد. در مرحله اول مطالعات، روابط حاکم بر کارکرد جرثقیل مورد بحث قرار می­گیرد، سپس چند روش مختلف برای کنترل جرثقیل به همراه روش کنترل توزیع یافته موازی بیان می­ شود. در نهایت شبیه سازی­ها و نتایج به دست آمده مقایسه و روش مناسب تر پیشنهاد می­گردد.

جرثقیل­ها با کابل کششی را می­توان به دو گروه عمده دروازه­ای و گردان تقسیم بندی کرد. شکل (۱-۱) سازه جرثقیلی با کابل کششی[۸] ویژه تخلیه و بارگیری کانتینر بر روی شناور را نشان می­دهد. به عبارتی دیگر بار از طریق کانتینری[۹] که به وسیله کابلی قابل انعطاف به سر جرثقیل[۱۰] متصل است به داخل کشتی هدایت می­ کند. وضعیت به گونه ­ای­ است که هنگام بلند کردن و انتقال بار، این کانتینر در هوا تاب می­خورد و نوسان[۱۱] می­ کند. همانگونه که در شکل (۱-۲) مشاهده می­ شود این نوع جرثقیل برای بارگیری و تخلیه بار از بندرگاه (مبدا) به کشتی (مقصد) و بالعکس مورد استفاده قرار می­گیرد. بار با بهره گرفتن از کابل­های قابل انعطاف که روی سر جرثقیل قرار دارند بلند می­شوند در حالی که سر جرثقیل روی یک خط آهن افقی حرکت می­ کند.

شکل (۱-۱): جرثقیل با کابل کششی

شکل (۱-۲): نمایی دیگر ازحمل بار توسط جرثقیل

هنگامی که بار توسط جرثقیل بلند می شود و سر جرثقیل شروع به حرکت می­ کند بار نوسان می­ کند و چنانچه بار در نوسان باشد نمی­ توان آن را رها کرد پس دو راه حل جزیی برای حل این مسئله مطرح می­ شود:

سر جرثقیل درست در بالای هدف قرار گیرد و صبر کند تا بار از نوسان خارج شود و سپس بار را رها کند.

آنقدر آهسته حرکت کند که حین انتقال بار هیچ نوسانی رخ ندهد و سپس هنگامی که بالای هدف قرار گرفت بار را رها کند.

ولی در عمل این دو راه حل بسیار وقت گیر می­باشند و از آنجا که انتقال بار در بندر گاه­ها بسیار پرهزینه است، این دو راه حل اقتصادی نیستند. بنابراین در برخورد با این فرایند فیزیکی پیچیده، یک مهندس کنترل از یک روال طراحی سیستماتیک پیروی می­ کند و کنترل کننده ­ای را طراحی می کند به گونه ­ای که بتواند بار را با سرعت قابل قبول و صرف کم ترین زمان و با کمینه سازی میزان نوسانات بار آن را بر روی هدف قرار دهد. جرثقیل با کابل کششی در واقع سیستمی است که تعداد ورودی­های آن از خروجی­های آن کمتر است. برای طراحی سیستم کنترل جرثقیل، می­بایست ابتدا با بهره گرفتن از معادلات دیفرانسیل رفتار دینامیکی حاکم بر جرثقیل با کابل کششی را مدل سازی کنیم.

در ادامه به تشریح چگونگی مدل ارائه شده برای توصیف رفتار دینامیکی جرثقیل با کابل کششی خواهیم پرداخت. لازم به ذکر است که در این پایان نامه کنترل جرثقیل دروازه ای با کابل کششی مورد نظر می­باشد. لازم به ذکر است که در تمام قسمت­ های این پایان نامه مسافت و یا طول برحسب متر، زاویه بر حسب رادیان، زمان بر حسب ثانیه و جرم برحسب کیلوگرم در نظر گرفته می­ شود.

فصل دوم

بررسی مدل سازی و کنترل جرثقیل با کابل کششی

۲-۱- مدل ارائه شده برای توصیف رفتار دینامیکی جرثقیل با کابل کششی

شکل (۲-۱) دینامیک­های فیزیکی حاکم بر یک جرثقیل با کابل کششی را نشان می­دهد. با توجه به این شکل مدل سیستم براساس معادلات دیفرانسیل حاکم بر آن به صورت زیر به می باشند. توضیحات بیشتر را می توان در مراجع [۴-۶] مشاهده کرد.

(۲-۱)

(۲-۲)

که در آن به ترتیب نماد نیروی رانش، ثابت گرانش، ضریب میرایی، موقعیت افقی از سر جرثقیل، زاویه نوسان، طول کابل، جرم سر جرثقیل و جرم بار می­باشند.

شکل (۲-۱): مدل جرثقیل با کابل کششی

فرض کنید به ترتیب نشان دهنده نسبت دنده، موقعیت زاویه روتور، ثابت الکتریکی، ثابت گشتاور، گشتاور بار، گشتاور موتور، جریان آرمیچر، اندوکتانس، مقاومت و ولتاژ ورودی ­باشند. بر اساس مرجع [۴]، مدل دینامیکی موتور جریان مستقیم به صورت زیر است:

(۲-۳)

(۲-۴)

از آنجا که مقدار اندوکتانس بسیار کوچک است می­توان از آن صرف نظر کرد پس

(۲-۵)

با به کارگیری قانون دوم نیوتن برای شفت موتور داریم:

(۲-۶)

از آنجا که ممان اینرسی موتور بسیار کوچک است می­توان از نیز آن صرف نظر کرد پس می توان گفت:

(۲-۷)

علاوه بر این برخی از معادلات مربوط به حرکات دورانی سیستم می باشند. با فرض اینکه شعاع قرقره باشد معادلات مورد نظر به صورت زیر مدل بندی می شوند:

(۸-۲)

بنابراین با توجه به آنچه گفته شد مدل ریاضی کل سیستم به صورت زیر نوشته می شود:

(۲-۹)

(۲-۱۰)

(۲-۱۱)

(۲-۱۲)

مقادیر نامی پارامترها در جدول (۲-۱) آورده شده است [۴]. توجه شود که پارامترهایی مثل جرم بار و طول کابل متغیر می­باشند. لازم به ذکر است که این مقادیر برای نمونه آزمایشگاهی و از مقالات استخراج شده است.

جدول (۲-۱): پارامترهای مدل دینامیکی غیرخطی جرثقیل با کابل کششی

پارامتر

مقدار

واحد

۱

Kg

۵

Kg

۵/۰

M

۸۱/۹

m/s2

۳۲/۱۲

Ns/m

۶/۲

Ohm

۰۰۷/۰

Nm/A

۰۰۷/۰

Vs/rad

۰۲/۰

M

۱۵

—

حال که با مدل سیستم جرثقیل با کابل کششی آشنا شدیم به مروری بر سه نوع از کنترل کننده­هایی که برای این نوع سیستم طراحی و استفاده شده اند، می­پردازیم.

اهداف کلی کنترلی برای سیستم جرثقیل با کابل کششی موارد زیر می­باشد:

بار در کم ترین زمان به هدف (مقصد) مورد نظر برسد.

بار با کم­ترین میزان نوسان به جایگاه برسد و برای رها شدن تاب خوردگی نداشته باشد.

۲-۲- کنترل جرثقیل با کابل کششی

بنابر اهمیت موضوع کنترل جرثقیل­ها تلاش­ های زیادی در این زمینه انجام شده است که می­توان از کنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی، کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم ژنتیک، کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی با تنظیم کننده فازی نام برد. در زیر به تشریح این روش­های کنترلی می­پردازیم. لازم به ذکر است نتایج به کارگیری این کنترل کننده ها­ در مقایسه با روش پیشنهاد شده در این پایان نامه در فصل چهارم آورده شده اند.

۲-۲- ۱- کنترل کننده مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی

کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی[۱۲] به عنوان یک کنترل کننده ساده و پر کاربرد شناخته شده است. اما از آنجا که پارامترهای مربوط به سیستم ممکن است تغییراتی داشته باشند، مقاومت کنترل کننده در برابر این نوع از تغییرات باید به نحوی در طراحی در نظر گرفته شود تا در حضور این تغییرات بتواند عملکرد قابل قبولی داشته باشد و خروجی مطلوب را با سیگنال کنترلی مناسب تولید نماید. مرجع [۷]، کنترل کننده پایدار مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی را به منظور کنترل تاب خوردگی در جرثقیل با کابل کششی پیشنهاد داده است. در ادامه کنترل کننده پیشنهادی را ارائه و نتایج حاصل را نشان خواهیم داد.

روش پیشنهادی در طراحی این نوع کنترل کننده، از الگوریتم ژنتیک در بهینه سازی ماکزیمم-مینیمم، برای پیدا کردن یک کنترل کننده پایدار مقاوم تناسبی-انتگرالی-مشتقی استفاده می­ کند. مقاومت کنترل کننده براساس معیار پایداری مقاوم خاریتونوف[۱۳] [۷] آزمایش شده است. از این معیار به دلیل عدم قطعیت موجود در پارامترهای مدل جرثقیل با کابل کششی، استفاده می شود.

در این روش کنترلی از کنترل کننده مشتقی-انتگرالی-تناسبی برای کنترل موقعیت سر جرثقیل و از کنترل کننده مشتقی-تناسبی برای کنترل تاب خوردگی استفاده شده است، که در شکل (۲-۲) قابل مشاهده می باشد.

شکل (۲-۲): نمودار بلوکی کنترل جرثقیل با کابل کششی[۳]

بنابراین می­بایست در طراحی کنترل کننده پنج بهره برای کنترل تعیین کرد. با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک این پنج بهره محاسبه می­گردند. خروجی­های سیستم، موقعیت سر جرثقیل و زاویه کابل با سر جرثقیل است. ابتدا با آزمایش حلقه باز مدل خطی جرثقیل بدست می ­آید و سپس با توجه به شکل (۲-۲) تابع تبدیل حلقه بسته[۱۴] محاسبه می­ شود و در نهایت تابع مشخصه سیستم به صورت زیر بدست می ­آید:

(۲-۱۳) (۲-۱۴) (۲-۱۵)

,

در روابط بالا بهره­های مربوط به کنترل کننده­ های مشتقی-انتگرالی-تناسبی و مشتقی- تناسبی می­باشند که با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک تعیین می­شوند. طول کابل عدم قطعیتی در بازه دارد. پارامتر ثابتی است که در طی آزمایش حلقه باز برای شناسایی پارامترهای مدل خطی بدست می ­آید. پارامتر نیز از آزمایش حلقه باز بدست می ­آید با این تفاوت که این پارامتر وابسته به جرم بار می­باشد و از آنجا که جرم بار عدم قطعیتی در بازه دارد باعث می شود که نیز دارای عدم قطعیتی در بازه باشد بنابراین ضرایب چند جمله ای بالا به دلیل عدم قطعیت در مدل سیستم که همان تغییرات طول کابل و جرم بار می باشند در بازه ای تغییرات دارند که به این نوع چندجمله­ای، چندجمله­ای بازه­ای گفته می­ شود.

طبق تئوری خاریتونوف یک چندجمله­ای بازه­ای پایدار مقاوم است اگر و فقط اگر همه ریشه ­های آن اکیدا شامل بخش های حقیقی منفی باشند[۷].

با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک[۱۵] بهره­های مربوط به کنترل کننده­ها یعنی تعیین می­گردند. تابع مورد کمینه سازی در این الگوریتم به صورت در نظر گرفته شده است که به صورت زیر تعریف شده است.

(۲-۱۶) (۲-۱۷)

در رابطه بالا مدل مرجعی است که طراح، علاقمند است دینامیک موقعیت سر جرثقیل شبیه به آن عمل نماید و تغییرات ، تغییرات زمان نشست را حاصل می­ شود. دراین طراحی انتخاب شده است که مربوط به زمان نشست[۱۶] ۵ ثانیه است. زمان صعود[۱۷] و زمان نشست می­باشد. به طور خلاصه روش پیشنهادی برای کنترل جرثقیل به صورت زیر است: (توضیحات مربوط به مدل را می توانید در مرجع [۷] ببینید)

ساده سازی مدل غیر خطی به یک مدل خطی

تعیین پارامترهای مدل خطی بر اساس پاسخ حلقه باز

بدست آوردن معادله مشخصه حلقه بسته با ضرایب بازه­ای (چندجمله­ای بازه­ای) که در واقع همان اعمال عدم قطعیت موجود در مدل است.

در نظر گرفتن تئوری خاریتونوف (بدست آوردن چند جمله­ای­ها به ازای مقادیر ابتدایی و انتهایی ضرایب بازه­ای)

بدست آوردن بهره­های کنترلی با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک.

بررسی تئوری خاریتونوف با بهره گرفتن از ضرایب بدست آمده در قسمت قبل ( بررسی پایداری مقاوم)

اگر پایداری مقاوم حاصل شد توقف مراحل، در غیر این صورت مجددا بهره­های کنترل کننده­­ها را با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک بدست می­آوریم.

جدول (۲-۲) مقادیر بهره­های کنترل کننده را نشان می­دهد که با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک بدست آمده­اند و در عین حال شرط پایداری مقاوم را نیز ارضا می­ کنند.

جدول (۲-۲): مقادیر بهره­های کنترل کننده مقاوم مشتقی-انتگرالی-تناسبی

PID

PD

۱۹۳۱/۱۲۵

۰۰۱۲/۰

۲/۹۷

۰۰۳۲/۰

۹۴۵۴/۱۹۷

۲-۲-۲- کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی بر اساس الگوریتم ژنتیک

در این روش نیز مانند قبل از دو کنترل کننده برای کنترل جرثقیل با کابل کششی استفاده شده است کنترل کننده [۱۸]PD برای مقابله کردن با نوسانات بار و کنترل کننده [۱۹]PID برای کنترل موقعیت سر جرثقیل.[۴]

برای تعیین بهره­های کنترل کننده از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است و هدف آن است که بار، در زمانی قابل قبول با کمترین نوسان به موقعیت مطلوب برسد. در الگوریتم ژنتیک مورد نظر تابع برازش به صورت تعریف شده است که در این رابطه ترکیبی از معیار انتگرال زمان ضرب شده در قدرمطلق خطا ([۲۰]ITAE) و انتگرال قدرمطلق خطا ([۲۱]IAE) و یا میانگین مربع خطا و یا به صورت انتگرال خطا بعلاوه ضریب وزنی از ولتاژ ورودی می­باشد. برای بررسی میزان کارایی[۲۲] کنترل کننده­ها از معیاری به صورت زیر استفاده شده است [۴].

(۲-۱۸)

در رابطه بالا همانند رابطه قسمت قبل می­باشد و مدل مرجعی است که طراح، علاقمند است دینامیک موقعیت سر جرثقیل شبیه به آن عمل می­نماید. تغییرات ، تغییرات زمان نشست را حاصل می­ شود. دراین طراحی انتخاب شده است که مربوط به زمان نشست ۵ ثانیه است. هر چه مقدار P کمتر باشد، میزان کارآیی سیستم بیشتر است.

نمودار مربوط به آن در شکل (۲-۳) نشان داده شده است.

شکل (۲-۳): مدل مرجع مورد نظر طراح برای عملکرد دینامیکی موقعیت سر جرثقیل [۴]

در جدول (۲-۳) بهره­های بهینه بدست آمده کنترل کننده­ها با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک به ازای توابع برازش مختلف نشان داده شده است.

جدول (۲-۳): بهره های بهینه کنترل کننده­ها با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک

PID

PD

معیارتابع برازش

۶/۱۸۲

۳/۰

۱/۷۵

۹/۲۱

۲/۱

۹/۱۶۲

۳/۰

۹/۴

۷/۳۲

۲/۱

۷/۱۲۰

۳/۰

۸/۴

۰/۴۴

۲/۱

۸/۱۱۳

۸/۰

۵/۲

۸/۱۲

۲/۱

۲/۱۹۴

۳/۰

۰/۴۹

۷/۶۱

۲/۱

۷/۱۱۳

۳/۰

۸/۵۰

۶/۳۳

۲/۱

۰/۱۹۶

۳/۰

۹/۳

۶/۶۰

۲/۱

در جدول (۲-۴) میزان عملکرد و یا کارا

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...