Loading...
کنترل پیش بین مدل برای تعادل پاندول معکوس با کوادروتور در MATLAB
در این بخش پروژه شبیه سازی کنترل پیش بین مدل برای تعادل پاندول معکوس با کوادروتور در نرم افزار MATLAB به همراه کامنت گذاری کدها آماده کرده ایم که براساس مقاله A Flying Inverted Pendulum انجام شده است. در ادامه توضیحاتی از معرفی پروژه و مسئله ارائه شده و فیلم و تصاویر خروجی پروژه در محیط متلب به همراه لینک دانلود مقاله قرار داده شده است.
طراحی و شبیه سازی مدل MPC برای تعادل پاندول با کوادروتور
پاندول معکوس یا آونگ معکوس یکی از مسائل کلاسیک و چالش‌برانگیز در زمینه کنترل و دینامیک سیستم‌ها است که در بسیاری از پژوهش‌ها به عنوان یک سیستم غیرخطی پیچیده استفاده می‌شود. ترکیب این سیستم با یک کوادروتور، سطح جدیدی از پیچیدگی و جذابیت را به این مسأله می‌افزاید. در این پروژه، به طراحی و شبیه سازی یک کنترل پیش بین مدل (MPC) برای حفظ تعادل یک پاندول معکوس توسط یک کوادروتور پرداخته می‌شود. این روش شامل تحلیل پایداری و تخمین ناحیه‌ای از پایداری بازگشتی است که در آن سیستم می‌تواند تعادل خود را حفظ کند.
مفهوم کلی مسئله
سیستم مورد بررسی شامل یک کوادروتور (یک وسیله پرنده چهارپره) است که یک پاندول معکوس به آن متصل شده است. هدف این است که کوادروتور بتواند با اعمال نیروها و گشتاورهای مناسب، پاندول را در وضعیت عمودی تعادل نگه دارد. چالش‌های اصلی این سیستم عبارتند از: دینامیک غیرخطی: دینامیک هر دو سیستم (کوادروتور و پاندول) غیرخطی و وابسته به زمان است. هم‌بستگی بین متغیرها: متغیرهای کنترلی کوادروتور (مانند گشتاورها و نیروهای رانشی) تأثیرات متقابلی بر پاندول و موقعیت آن دارند. عدم قطعیت: وجود اغتشاشات محیطی و خطاهای مدل سازی، کنترل سیستم را پیچیده‌تر می‌کند.
کنترل پیش بین مدل (MPC)
کنترل پیش بین مدل (Model Predictive Control) یک روش کنترلی پیشرفته است که از مدل ریاضی سیستم برای پیش بینی رفتار آینده آن استفاده می‌کند. در این روش بخش های زیر مورد بررسی قرار می گیرد: پیش بینی رفتار سیستم: بر اساس ورودی‌ها و مدل دینامیکی، رفتار آینده سیستم برای یک افق زمانی مشخص پیش بینی می‌شود. بهینه‌سازی: یک تابع هدف (مانند مینیمم کردن انحراف از حالت تعادل) در افق زمانی پیش بینی بهینه سازی می‌شود. اعمال ورودی بهینه: تنها اولین ورودی بهینه از حل بهینه سازی اعمال می‌شود و فرآیند در گام زمانی بعدی تکرار می‌شود.
شبیه سازی در MATLAB
مدل دینامیکی کوادروتور و پاندول به صورت معادلات غیرخطی در محیط متلب شبیه سازی شده است. مراحل کلیدی این شبیه سازی عبارتند از: مدل سازی دینامیکی: مدل دینامیکی کوادروتور شامل معادلات حرکت انتقالی و دورانی است. مدل پاندول شامل معادلات مربوط به زاویه و سرعت زاویه‌ای حول محور اتصال می باشد. طراحی MPC: مدل خطی‌سازی‌شده سیستم برای استفاده در کنترل MPC استخراج شده است. تابع هدف شامل مینیمم کردن انحراف زاویه‌ای پاندول و انرژی مصرفی کوادروتور می باشد. تحلیل پایداری: با استفاده از روش‌های عددی و تحلیلی، ناحیه‌ای از شرایط اولیه مشخص شده که سیستم می‌تواند از آن حالت به تعادل برسد. شبیه سازی رفتار سیستم: سیستم تحت شرایط اولیه مختلف و اغتشاشات خارجی شبیه سازی شده و عملکرد کنترل MPC مورد ارزیابی قرار گرفته است.
تحلیل پایداری و ناحیه پایداری بازگشتی
یکی از جنبه‌های برجسته در این پروژه تحلیل پایداری سیستم می باشد. پایداری به این معنا است که سیستم نه تنها به وضعیت تعادل برسد، بلکه در حضور اغتشاشات کوچک نیز قادر به حفظ تعادل باشد. تحلیل ناحیه پایداری بازگشتی نشان می‌دهد که برای چه شرایط اولیه‌ای سیستم می‌تواند به حالت پایدار بازگردد. این تحلیل از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا تضمین می‌کند که کنترلر طراحی‌شده در شرایط واقعی نیز عملکرد قابل اعتمادی داشته باشد.
نتایج و دستاوردها
دقت بالای کنترل: کنترل MPC توانست زاویه پاندول را در نزدیکی صفر (وضعیت تعادل) نگه دارد و موقعیت کوادروتور را نیز به طور هم‌زمان تنظیم کند. مصرف بهینه انرژی: با در نظر گرفتن محدودیت‌های گشتاور و نیرو، مصرف انرژی بهینه شد. پایداری تضمین‌شده: تحلیل‌های عددی و شبیه سازی نشان داد که کنترلر در یک ناحیه وسیع از شرایط اولیه پایداری سیستم را تضمین می‌کند.
کاربردها و چشم‌اندازها
روباتیک پیشرفته: این روش می‌تواند در طراحی روبات هایی که نیاز به تعادل دقیق دارند (مانند روبات‌های دوپای انسان‌نما) استفاده شود. پهپادهای چندمنظوره: کوادروتورهای مجهز به بازوهای تعادلی می‌توانند در مأموریت‌های دقیق مانند حمل بارهای حساس یا عملیات نجات به کار گرفته شوند. آموزش و پژوهش: این پروژه می‌تواند به عنوان یک آزمایشگاه مجازی برای آموزش کنترل پیشرفته در دانشگاه‌ها استفاده شود.
نتیجه‌گیری
استفاده از کنترل پیش‌بین مدل برای حل مسائل پیچیده‌ای مانند متعادل سازی آونگ معکوس توسط کوادروتور، نشان‌دهنده قدرت و انعطاف‌پذیری این روش است. شبیه سازی های انجام شده در متلب نتایج مثبتی ارائه کرده و قابلیت این روش را در مواجهه با چالش‌های واقعی به خوبی نشان می‌دهد. این پروژه می‌تواند مبنایی برای تحقیقات بیشتر در زمینه کنترل سیستم های پیچیده و غیرخطی باشد.
تصاویری از خروجی
هیچ نظری ثبت نشده است