طراحی کنترل بهینه‌ و مقید یک جسم پرنده با رویکرد کنترل یش بین و پیاده سازی آن در آزمایشگاه سخت‌افزار در حلقه

قهرمانی, نعمت الله; نظری, محمّدصادق

طراحی کنترل بهینه‌ و مقید یک جسم پرنده با رویکرد کنترل یش بین و پیاده سازی آن در آزمایشگاه سخت‌افزار در حلقه

نوع مقاله : گرایش دینامیک، ارتعاشات و کنترل

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی مالک اشتر

چکیده

در این مقاله، یک روش نوین برای طراحی کنترلکننده بهینه مقیّد اجسام پرنده ارائه و برای یک جسم پرنده با نقاط کار خیلی‌ زیاد، شبیه‌سازی شده‌ است. از آنجا که روش کنترل پیش‌بین تفاضلی مقاومت بالایی در برابر نامعینیهای مدل نشده دارد، نقاط کار زیادی را پوشش میدهد. در روش ارائه شده با ترکیب کنترلگر PID و کنترل پیشبین مقید از مزایای هر دو روش استفاده شده و در عین حال معایب آنها رفع گردیده است. در روش جدید، سیگنال کنترل بهینه مقید از یک الگوریتم ساده و بدون نیاز به تولید ماتریس‌های بزرگ بهدست آمده است. در این مقاله، با انجام این ترکیب سیگنال کنترل بهینه مقید محاسبه و بهدلیل کوچک شدن ابعاد ماتریس‌های تولید شده، روش ارائهشده در یک جسم پرنده که نقاط کار زیادی دارد، قابل پیادهسازی است. روش ارائهشده در آزمایشگاه سختافزار در حلقه در هر سه کانال برای یک جسم پرنده با موفقیت تست و با روش معمول PIDمقایسه شده است. نتایج شبیه‌سازی، عملکرد عالی این روش را با دارا بودن مقاومت بالا و با قابلیت پیادهسازی ساده را نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26455323.1398.15.3.6.7

عنوان مقاله [English]

Constrained Optimal Controller Design for a Flight Vehicle Based on Predictive Control Approach and its Implementation in the Hardware in the Loop Lab

نویسندگان [English]

nematollah ghahremani
mohammad sadegh nazari

malrk ashtar

چکیده [English]

In this paper, a new constraint predictive PID controller is proposed and simulated for a flight vehicle with too many operating points. In this approach, the PID and the incremental predictive control methods are combined in order to use the benefits and resolve the disadvantages of the both methods. The constrained optimal signal of the new method is calculated by a simple algorithm without need to generate large matrices. Simplicity of the presented controller with small dimensions is the reason for the implementation capability of the method for flight vehicle control system with many operating points. Since the generalized incremental predictive control has high robustness in the presence of the unmodeled uncertainties, the presented predictive based controller covers many operating points. The designed method is implemented for three channels of a flight vehicle and then, successfully tested in the hardware in the loop lab. Simulation results show high robust performance and real time implementation capability.

کلیدواژه‌ها [English]

Predictive Control
PID Controller
Input Constraint
Hardware-in the-loop Lab

مراجع

Kale, M. and Chipperfield, A.J. “Reconfigurable Flight Control Strategies Using Model Predictive Control”; Proc. Int. Conf. Symposium Intelligence Control. Vancouver, CANADA, 2002.##
Anderson, P. and Stone, H. “Predictive Guidance and Control for a Tail-Sitting Unmanned Aerial Vehicle”; Proc. Int. Conf. Information Decision and Control. Adelaide, Australia, 2007.##
Guemghar, K., Srinivasam, B., Mullhaupt, P. and Bonvin, D. “Predictive Control of Fast Unstable and Nonminimum-Phase Nonlinear System”; Proc. Int. Conf. Anchorage, USA, 2002.##
Richards, A., Breger, L. and How, J.P. “Analytical Performance Prediction For Robust Constraint Model Predictive Control”, J. Cont. Vol. 79, No 9, pp. 877-894, 2006.##
Hovland, S., Gravdahl, J. T. and Willcox, K.E. “Explicit Model Predictive Control For Large Scale Systems via Model Reduction”, J. Guid. Cont. Dyn. Vol 31, pp. 918-926 , 2008.##
Konstantin, K., Huck, S. and Summers, T.H. “Fast Model Predictive Control of Miniature Helicopters;” Proc. Europe. Conf. Cont. Zürich, Switzerland, 2013.##
Mayne, D.Q., Rawlings, J.B., Rao, P.O.M. “Constrained Model Predictive Control: Stability and Optimality”, J. Automatica. Vol 36, No. 6, pp. 789-814, 2000.##
Rossiter, J.A. “Model Based Predictive Control: A Practical Approach”, CRCPress, New York, United States, 2004.##
Hess, R.A. and Jung Y.C. “An Application of Generalized Predictive Control to Rotorcraft Terrain-following Flight”, IEEE. Transaction. Sys. Vol. 19, No. 3, pp. 955-962, 1989.##

10. Ghahramani, N.O. and Towhidkhah F. “Constrained incremental Predictive Controller Design for a Flexible Joint Robot”, ISA. Transactions. Vol 48, No 3, pp. 321-326, 2009.##

11. Camacho, EF. and Bordons C. “Model Predictive Control”, Springer Press, Sevilla, Spain, 1999.##

12. Mingzhu, Xu., Xiaoli, Li., Heping, Liu. and Yanshuang, Hao. “Adaptive Predictive Functional Control with Stochastic Search”, Proc. Int. Conf. Inf. Acqu. Shandong, China, 2006.##

13. Peter, W., Gibbens, D.B. Medagoda. “Efficient Model Predictive Control Algorithm for Aircraft”, J. Giud. Cont. Dyn. Vol. 34, No. 6, pp. 1909-1915, 2011.##

14. Chen, Y., Cuccato, D., Bruschetta, M. and Beghi, A. “A Fast Model Predictive Control Strategy for Real-Time Motion Control of Mechanical Systems”, Proc. Int. Conf. AIM. Munich, Germany, 2017.##

15. Lam, D. “A Model Predictive Approach to Optimal Path-Following and Contouring Control”, PhD Thesis the University of Melbourne, 2012.##

16. Wng, L. “Model Predictive Control System Design and Implementation Using MATLAB”, SpringerPress, London, 2009.##

17. Valencia-Palomo, G. and Rossiter, J.A. “Using Laguerre Functions to Improve Efﬁciency of Multi-Parametric Predictive Control”, Proc. Int. Conf. ACC. Baltimore, USA, 2010.##

18. Maciejowski, JM. “Predictive Control with Constraints”, PrenticeHall, Harlow, United Kingdom, 2009.##

19. Musavi, H. “PID Parameters Designing Based on Predictive Control”, M.s.c Thesis, Malek Ashtar University of Technology, Faculty of Engineering, 2013. (In Persian).##

20. Johnson, M.A, Moradi, M.H. “PID Control: New Identification and Design Methods”, Springer-Verilog, London, United Kingdom, 2005.##

21. Katebi, M.R. and Moradi, M.H. “Predictive PID Controllers”, Proc. Int. Conf. Cont. App. London, United Kingdom, 2001.##

22. Yadegari, A., Nazari M.S. and Ghahramani, N.O. “Application and Evaluation of Laguerre Functions in Helicopter Flight Control System Designed by Model Predictive Control”, Aerospace Mechanics Journal, Vol. 15, No. 1, pp. 25-38, 2018. (In Persian)