انجام پروژه های حرفه ای مهندسی برق

اغتشاش در سیستم های کنترل

اغتشاش به عنوان یک عامل مزاحم در حلقه کنترل سیستم می باشد. یک اغتشاش در حالت کلی ماهیت DC دارد. به این معنی که اندازه آن می تواند بزرگ باشد (هم تراز با سیگنال هایی همچون خطا و کنترل) ولی فرکانس آن پایین می باشد. یک سیستم کنترل حلقه بسته را در نظر می گیریم، در یک نگاه کلی سیگنال اغتشاش به نقاط مختلفی از این حلقه کنترلی می تواند برخورد کند. از جمله این نقاط می توان به سیگنال خطا، سیگنال فیدبک، سیگنال کنترل و یا سیگنال رویت گرهای حالت اشاره کرد. در شکل زیر یک سیستم کنترل در حضور اغتشاش نمایش داده شده است. روش های مختلفی به منظور حذف اغتشاش در سیستم های کنترل پیشنهاد شده است. یکی از اصلی ترین روش ها طراحی رویت گر اغتشاش می باشد.

شکل 1 – سیستم کنترل در حضور اغتشاش

روش های حذف اغتشاش در سیستم های کنترل

روش های مختلفی به منظور حذف اغتشاش در سیستم های کنترل پیشنهاد شده است که به دو دسته کلی تقسیم می شوند:

• روش های غیرفعال : در این روش ها اساس بر طراحی مقاوم کنترل کننده (و یا رویتگر حالت-در حالت حذف اغتشاش از رویت گر) می باشد. به این مفهوم که حذف اغتشاش به عنوان هدف اصلی در نظر گرفته نمی شود. در این شرایط هدف طراحی سیستم کنترل می باشد به گونه ای که بتواند فرآیند مورد نظر را در حضور اغتشاش به انجام برساند. از جمله روش های کنترل مقاوم می توان به کنترل مدلغزشی، کنترل H بی نهایت (H اینفینیتی)، کنترل گام به عقب مقاوم و … اشاره کرد. در شکل(2) اعمال یک روش مقاوم در سیستم کنترل در حضور اغتشاش نمایش داده شده است.
• روش های فعال : در این دسته از روش ها شناسایی سیگنال کنترل و حذف کامل یا اغلب آن هدف کار می باشد. به طور مشخص در این روش ها حذف اغتشاش ملاک کار قرار می گیرد. مشخصا معرفی فرآیندی که بتواند اغتشاش را از لحاظ اندازه، فرکانس، فاز و زمان اعمال شناسایی کند و در ادامه حذف آن از محل اعمال به سیستم هدف این کار می باشد. مهمترین و اصلی ترین روش حذف اغتشاش به روش فعال طراحی رویت گر اغتشاش می باشد.

شکل 2 – کنترل مقاوم به منظور حذف اغتشاش از سیستم

طراحی رویت گر اغتشاش – DOB

همانطور که بیان شد از جمله روش های حذف اغتشاش به شیوه فعال، طراحی رویت گر اغتشاش می باشد. رویت گر در یک مفهوم اصلی به معنی تخمین داده مورد نظر می باشد. این تخمین در حالت کلی در سیستم های کنترل شامل موارد زیر می باشد:

• رویت گر حالت
• رویت گر پارامترهای سیستم (تخمین پارامتر همچون روش های تطبیقی)
• رویت گر نویز (همچون طراحی به روش فیلتر کالمن)
• رویت گر اغتشاش (DOB)

در این پروژه آماده برق کنترل نحوه طراحی رویت گر اغتشاش(DOB) را در سیستم های کنترل نمایش می دهیم. در طراحی رویت گر ابتدا بایستی مدل سیستم را ارزیابی کنیم. اینکه سیستم خطی است یا غیرخطی ؟!

به طور مشخص در طراحی رویت گر برای سیستم های غیرخطی الگوریتم کار پیچیده تر خواهد بود و نیاز به شناسایی روش هایی می باشد که در مدل حلقه بسته سیستم پاسخ پایدار را بدست دهد. اما در روش های خطی کار بسیار ساده تر خواهد بود.

مدل موتور DC به همراه کنترل کننده PID

در این پروژه از مدل یک موتور DC در حضور کنترل کننده PID برای طراحی رویت گر اغتشاش استفاده شده است. یک موتور DC دارای یک بخش الکتریکی و یک بخش مکانیکی می باشد که تابع تبدیل این دو بخش در هم ادغام می شوند. زیرسیستم مکانیکی یک موتور DC مستعدترین نقطه در ورود اغتشاش از نوع DC می باشد. در این حالت بلوک دیاگرام سیستم موتور DC به صورت زیر می باشد:

شکل 3 – بلوک دیاگرام موتور DC – در نرم افزار متلب

گشتاور درخواستی به عنوان متغیر خروجی اصلی در موتور DC می باشد که بایستی ردیابی آن بصورت دقیق انجام شود. به این منظور می توان از یک کنترل کننده PID و یا مشتقات آن استفاده کرد. در این پروژه از کنترل کننده با ضریب انتگرال صفر معادل با یک PD برای کنترل موتور استفاده شده است. که شماتیک شکل(4) آن را نمایش می دهد.

شکل 4 – بلوک دیاگرام موتور DC در حضور کنترل کننده PD

طراحی رویت گر اغتشاش – DOB ~ Disturbance Observer Based control

در هر سیستم حلقه بسته در حضور رویت گر اغتشاش، نوع کنترل تحت عنوان کنترل برمبنای رویت گر اغتشاش بیان می گردد. در طراحی رویت گر اغتشاش ابتدا نیاز است تا محل اعمال اغتشاش به سیستم شناسایی شود. سپس یک انشعاب از نقطه قبل از پلنت (و نقطه ورود اغتشاش) و یک انشعاب پس از پلنت از سیستم دریافت می شود. انشعاب پس از پلنت با عکس تابع تبدیل پلنت مدوله می شود(یعنی سیگنال جدید بدست می آید) و سپس از سیگنال انشعاب اول کم می شود. نهایتا این سیگنال بدست آمده با سیگنال کنترل جمع می شود. در شکل زیر کلیت این مسئله تشریح شده است.

شکل 5 – بلوک دیاگرام طراحی رویت گر اغتشاش به منظور حذف اغتشاش

شرح پروژه

در این پروژه روند طراحی انجام گرفته و شماتیک کلی سیستم کنترل در حضور رویت گر اغتشاش بصورت زیر می باشد. همانطور که مشخص است سیگنال خروجی DOB با سیگنال کنترل جمع می شود.

شکل 6 – شماتیک سیستم حلقه بسته در حضور رویت گر DOB

به این ترتیب که شماتیک داخلی رویت گر اغتشاش به صورت شکل (7) می باشد. در این شماتیک از بلوک های تاخیر استفاده شده است. این متلب به عنوان آموزش متلب مطرح می شود، چرا که از یک داده نمی توان در یک نمونه ورودی گرفته و در همان زمان استفاده کرد. و البته اینکه تعریف توابع تبدیل ناسره در متلب امکان پذیر نمی باشد. به این منظور از مشتق گیر برای عوامل s می توان استفاده کرد.(به طور مشخص در حالت توان های s از مشتقات متوالی استفاده می شود.)

شکل 7 – شماتیک داخلی رویت گر اغتشاش

حال به منظور شبیه سازی پروژه از یک اغتشاش با دامنه بزرگ استفاده شده است. که پاسخ خروجی سیستم در حضور اغتشاش بصورت زیر می باشد. به عنوان نمونه می توانید پاسخ سیستم را در حالت عدم وجود رویت گر با حذف سیگنال آن نیز مشاهده کنید.

شکل 8 – پاسخ سیستم در حضور رویت گر اغتشاش در موتور DC

همانطور که مشخص است اغتشاش در کمترین زمان ممکن از سیستم حذف شده است(سیگنال اغتشاش 200 برابر بزرگتر از سیگنال فرمان است!). برای دانلود فایل های پروژه از لینک استفاده کنید. برای شبیه سازی ابتدا تابع main و سپس مدل اجرا شود.

منبع : برق تِک