استفاده کاربردی از تئوری مجموعه های فازی در کنترل سازه های انعطاف پذیر نیز روز به روز علاقمندان بیشتری پیدا می کند. کنترل کنندههای فازی، بستری ساده و مقاوم^[۷] برای ایجاد قوانین کنترلی غیرخطی می باشند که توانایی اصلاح نامعینی و بی دقتی را هم دارند. چنانچه توصیف زبانی^[۸] از کنترل موجود باشد یا بتوان ایجاد کرد، کنترل کننده های فازی می توانند بدون مدل ریاضی سیستم طراحی شوند و پیاده سازی براساس توصیف زبانی هم به صورت تئوری و هم به صورت عملی ممکن است. بنابراین منطق فازی می تواند ابزار مناسبی برای کنترل سیستم هایی مانند بازوی انعطاف پذیر باشد که مدل ریاضی دقیقی ندارند ]۸[.

(( اینجا فقط تکه ای از متن 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. ))

در کنار این ها کنترل فازی تطبیقی یا کنترل عصبی- فازی نیز مطرح می شود که بنای کار در این پایان نامه می باشد. کنترل عصبی- فازی علاوه بر داشتن مزایای کنترل فازی به عنوان یک کنترل قانونمند و مقاوم، از مزیت تطبیقی بودن شبکه های عصبی هم بهره می برد و می تواند به صورت بهنگام خود را با نا معینی ها و تغییرات نقطه کار سیستم بازوی انعطاف پذیر Quanser تطبیق دهد. علاوه بر این میزان حساسیت به شرایط اولیه نیز کاهش می یابد که این امر در پیاده سازی کنترل کننده روی سیستم Quanser بیشتر خود را نشان می دهد.
۱-۴- کاربردها
بازوی انعطاف پذیر کاربرد های بسیاری در صنعت دارد، چرا که آنچه در صنعت اهمیت زیادی دارد، صرفه اقتصادی است. این بازوها اگرچه ممکن است هزینه بیشتری در مرحله طراحی و کنترل داشته باشند، اما میزان انرژی مصرفی آنها در دراز مدت بسیار کمتر است. نمونه این تجهیزات را می توان در ربات هایی که برای مونتاژ قطعات استفاده می شوند، در معدن ها و در مناطق قابل انفجار ]۸[ دید.
کاربرد مهم دیگر این بازوها در تجهیزات فضایی با ابعاد بسیار بزرگ است. آنچه در تجهیزات فضایی مورد توجه است، این است که ابزار بتواند با ذخیره انرژی مشخصی مدت زمان بیشتری به کار خود ادامه دهد، بنابراین سعی بر استفاده از تجهیزاتی است که سبکتر باشند. نمونه بارز آن Canadarm است که یک بازوی انعطاف پذیر ۱۵.۲ متری با قطر ۰.۳۸ متر و وزن ۴۱۰ کیلوگرم در جاذبه زمین است.
علاوه براینها کاربرد هایی هم در تجهیزات عمرانی از جمله درطراحی و ساخت سیستم کنترل پل های متحرک و جرثقیل های بلند^[۹] ]۸[ دارد.
۱-۵- مروری بر کارهای انجام شده در زمینه کنترل هوشمند بازوی انعطاف پذیر
در این قسمت سعی داریم به مروری کلی بر کارهای انجام شده در طراحی کنترل کننده های هوشمند برای بازوی انعطاف پذیر بپردازیم. با توجه به گستردگی و تنوع کارهای انجام شده در این زمینه، قصد داریم کنترل کننده های طراحی شده را به دو قسمت عمده کنترل کننده های عصبی و فازی دسته بندی نمائیم.
در زمینه کنترل کننده های عصبی، دو طرح کنترلی در سال های ۲۰۰۱ و ۲۰۰۲ مطرح شد. یکی بر اساس بازتعریف خروجی^[۱۰] و دیگری بر اساس مدل دینامیک معکوس^[۱۱] می باشد. تنها در این دو تحقیق کنترل کننده های پیشنهادی به صورت عملی پیاده سازی شده اند.
در زمینه کنترل فازی، عمده کارها در سال های ۲۰۰۱ و سال های بعد از آن به کنترل کننده های فازی توزیع یافته^[۱۲] پرداخته اند. در سال های ۲۰۰۵ و ۲۰۰۶، توجه بیشتری به مقایسه ساختارهای مختلف کنترل کننده های فازی توزیع یافته شد. کارهای انجام شده در این زمینه، به صورت شبیه سازی بوده و به صورت عملی پیاده سازی نشده اند.
۱-۵-۱- کنترل کننده عصبی بر اساس بازتعریف خروجی ]۴[
در این تحقیق، دو ساختار کنترلی بر پایه شبکه عصبی با روش آموزش خطای پسخور^[۱۳] برای کنترل بازوی انعطاف پذیر، که پیش از آن مطرح شده بودند، به صورت اولیه و اصلاح شده، ارائه شده اند. در ساختارهای کنترلی در این مرجع فرض می شود که اطلاعات اولیه درباره دینامیک سیستم وجود ندارد.
در هر دو روش، سیگنال خطای شبکه عصبی ، خروجی کنترل کننده بازگشتی می باشد. سودمندی این روش آموزش در این نکته نهفته است که سیگنال هدف یا سیگنال خروجی مطلوب برای شبکه عصبی احتیاج نمی شود. علاوه بر این، سیگنال پس انتشار خطا^[۱۴] در سیستم کنترل شده یا مدل سیستم کنترل شده نیاز نمی گردد. از آنجائیکه گشتاور بازگشتی به عنوان سیگنال خطای این استراتژی آموزش انتخاب می شود، انتظار می رود که گشتاور بازگشتی با آموزش کاهش یابد. در واقع با تکامل آموزش، خطای بین مسیر پیمایش مطلوب و واقعی به سمت صفر میل کند. استراتژی آموزش به صورت آموزش خطای پسخور طراحی می شود تا اینکه بر اهمیت استفاده از گشتاور بازگشتی به عنوان سیگنال خطا تأکید شود.
ایده آموزش خطای پسخور در کنترل یک بازوی صلب که صفرناپایدار ندارد و همه متغیرهای حالت موجود هستند ، بکار برده می شود ولی در مورد بازوی انعطاف پذیر، دینامیک های صفر مربوط به سیستم، ناپایدار هستند و فیدبک حالت کامل موجود نمی باشد. راه حلی که در اینجا ارائه می شود، تعریف یک خروجی ویژه است تا دینامیک های صفر نظیر خروجی جدید پایدار گردند. این خروجی می تواند به عنوان متغیری از مفصل تعریف شود ولی جواب قابل قبولی برای یک روبات انعطاف پذیر بدست نخواهد آمد. نشان داده می شود که با بهره گرفتن از یک خروجی جدید که در این تحقیق بررسی می شود، امکان استفاده از مفهوم آموزش خطای پسخور در کنترل مکان بازوی انعطاف پذیر بوجود می آید.
شکل (۱-۱): ساختار روش JBC اصلاح شده ]۴[
در روش JBC^[15] اصلاح شده که در شکل (۱-۱) نشان داده می شود، یک کنترل کننده مفصل PD و یک کنترل کننده عصبی پسخور بکار برده می شوند. تابع هدف برای آموزش کنترل کننده عصبی طبق رابطه (۱-۱) در نظر گرفته می شود:
(۱-۱)
به منظور میرایی و کاهش انحراف ناشی از انعطاف پذیری در انتهای بازو در تابع هدف قرار می گیرد. بهره  بیان کننده وزنی است که برای مینیمم کردن ارتعاشات الاستیک قرار داده شده است و توانایی پیمایش خطا متأثر از انتخاب بهره های  و  می باشد.  ،  و  ورودیهای کنترل کننده عصبی هستند و خروجی شبکه  است. قانون تنظیم وزن شبکه عصبی بر اساس (۱-۲) می باشد:
(۱-۲)
که  بردار وزن شبکه و  نرخ آموزش می باشند.  در (۱-۳) آمده است.
(۱-۳)
که  و  تابعی غیر خطی است که توسط کنترل کننده عصبی محاسبه می شود. ترم  توسط روش پس انتشار محاسبه شود و روابط  ،  و  نیز با بهره گرفتن از علامت گرادیان بجای مقدار واقعی آن برای آموزش کنترل کننده عصبی ، محاسبه می شوند.
شکل (۱-۲): ساختار ORTOL اصلاح شده
در روش ^[۱۶]ORTOL اصلاح شده که در شکل (۱-۲) آورده شده است، همانند ساختار قبلی یک کنترل کنندهمفصل PD به کار می رود. در این ساختار، دو شبکه عصبی استفاده می شود. کنترل کننده شبکه عصبی اول برای تولید یک قانون کنترل آموزش می بیند بگونه ای که خطای پیمایش بین مسیر پیمایش مرجع مطلوب  و خروجی بازسازی شده ،  ، که بوسیله خروجی شبکه دوم تعیین می شود ، مینیمم گردد. تابع هدفی که برای آموزش شبکه اول استفاده می شود، طبق رابطه (۱-۱) و قانون تنظیم وزن هم بر اساس رابطه (۱-۲) می باشد.  نیز به همان روش بخش قبل محاسبه می شود.
هدف شبکه عصبی دوم، آموزش تطبیقی برای ساخت یک خروجی بازسازی شده مناسب به فرم (۱-۴) می باشد.
(۱-۴)
که  ها، محدود بین ۱ و -۱، وزن های تنظیم شونده شبکه عصبی هستند.
نتایج ارائه شده نشان می دهد که بازوی انعطاف پذیر در زمانی حدود ۵ ثانیه به حالت ماندگار می رسد. فراجهش هم صورت نمی گیرد.
در ]۱۴[ نیز از ساختاری مشابه ساختار مطرح شده در بالا برای شبیه سازی کنترل بازوی انعطاف پذیر استفاده شده است. به این ترتیب که فید بک به روش بازتعریف خروجی طراحی شده است و از کنترل کننده شبکه عصبی بر پایه تابع شعاعی در کنار کنترل کننده PD استفاده شده است. تابع هدف و روش آموزش طبق (۱-۱) و (۱-۲) می باشد.
۱-۵-۲- کنترل کننده عصبی بر اساس مدل دینامیک معکوس ]۳[
درمیان استراتژی های کنترلی متعددی که برای کنترل مسیربازوی صلب ارائه شده است، روش کنترل دینامیک معکوس تاکنون رایج ترین روش غیر خطی بوده است. به هر حال، شاخصه غیر مینیمم فاز بودن بازوی انعطاف پذیر، توانایی این روش را در کنترل مسیر تضعیف می کند، مگر آنکه از روش بازتعریف خروجی^[۱۷] برای پایدارسازی صفر ناپایدار ناشی از نگاشت ورودی خروجی استفاده شود. مشکلات اصلی در پیاده سازی کنترل دینامیک معکوس، وابستگی شدید آنها به دقت مدل معین استفاده شده در طراحی کنترل کننده، وجود اغتشاش، غیر خطی های مدل نشده و نا معینی ها است. فواید شبکه های عصبی در ایجاد یک راهکار حیاتی برای کاهش وابستگی کنترل کننده به محدودیت های بالا در سیستم ها و کاربردهای بسیاری نشان داده شده است.
در این مرجع، به جای اینکه با مدل دینامیک معکوس به طور کامل به عنوان یک جعبه سیاه برخورد شود، از یک سری اطلاعات قبلی در مورد ساختار مدل دینامیک معکوس در طراحی کنترل کننده عصبی استفاده می شود. با بهره گیری از دو شبکه عصبی که غیر خطی های مدل بازوی انعطاف پذیر توسط آنها جبران سازی می شوند، به همراه یک کنترل کننده خطی رایج، به طورعملی نشان داده شده که کارایی بهتری نسبت به نوع عصبی یا کنترل کلاسیک دارد. این ساختار کنترلی در شکل (۱-۳) نشان داده شده است. هر دو شبکه عصبی که در شکل (۱-۳) نشان داده شده اند، دارای ساختار چند لایه پیشخور هستند.
با به کارگیری تکنیک خطی سازی ورودی – خروجی برای مدل غیر خطی پیوسته در زمان که تنها یک مود انعطاف پذیر دارد (N=1) برای بیان کنترل کننده دینامیک معکوس خواهیم داشت:
(۱-۵)

شکل (۱-۳): ساختار کنترل کننده عصبی بر اساس مدل
دینامیک معکوس ]۳[
با فرض اینکه در مورد F(.) و G(.) از پیش اطلاعی نداریم ، در طول فاز یادگیری، شبکه های عصبی از طریق سیگنال خطای آموزش^[۱۸]، برای یادگیری این غیر خطی های سیستم آموزش می یابند، یعنی می توان چنین بیان کرد:
(۱-۶)
از کنترل کننده خطی V هم برای حفظ پایداری خطای سیستم در طول پروسه یادگیری استفاده می شود. یکی از اهداف اصلی این کنترل کننده پایدار کردن خمش های بازوی انعطاف پذیر می باشد. انتخاب تابع هدف شبکه های عصبی و قانون تنظیم وزن مانند روش قبل است.
در این روش نیز در زمان حدود ۵ ثانیه ولی با میزان فراجهش ۱۰% بازوی انعطاف پذیر به حالت ماندگار رسیده است.
۱-۵-۳- کنترل فازی توزیع یافته
در ]۶[، به کنترل فازی بازوی انعطاف پذیر و روش انحراف تکین^[۱۹] می پردازد. از روش انحراف تکین برای تولید زیر سیستم های کند و تند استفاده شده است. کنترل کننده زیر سیستم سریع، نوسانات بازوی انعطاف پذیر را توسط یک روش کنترلی بهینه میرا می کند و کنترل کننده فازی زیر سیستم کند، هم تعقیب مسیر مطلوب را رهبری می کند. برای تضمین پایداری دینامیک داخلی نیز از افزودن اصلاح لایه مرزی^[۲۰] براساس انحراف تکین استفاده می شود. تحقیق انجام شده، پاسخ خروجی بسیار مطلوبی را نسبت به روش معمول حلقه کنترلی خارجی PD و پایدارساز لایه مرزی، نشان می دهد و مقاوم هم می باشد ]۶[.
با این روش بازوی انعطاف پذیر در زمانی حدود ۲ ثانیه و با میزان فراجهش ۶% به حالت ماندگار می رسد.
در ]۱۰[، برای اینکه نشان دهد، نیازمند طراحی های خاصی از کنترل کننده های فازی هستیم، ابتدا یک روش کنترلی فازی یکپارچه را بررسی می کند که ورودی های آن عبارتند از:
(۱-۷)
(۱-۸)
و دارای یک خروجی، که همان گشتاور اعمالی است، می باشد.
اما این ساختار، زمانی که انعطاف پذیری بازو افزایش یابد، نمی تواند پاسخ مناسبی ارائه دهد و خطای جابجایی بسیار زیاد می شود. به طور کلی ویژگی های زیر در عملکرد این سیستم مشاهده شده است:
- این کنترل کننده تنها برای کار با یک بازوی انعطاف پذیر خاص طراحی شده است و به دلیل عدم وجود جزییات چگونگی تنظیم آن برای بازوهای انعطاف پذیر دیگر، کارایی آن به شدت محدود می شود.
- استفاده از توابع عضویت مشابه و میزان هم پوشانی یکسان میان آنها برای تمام متغیرها، جستجو برای یک رو بهینه را محدود می کند.
- وقتی جابجایی های زاویه ای و انعطاف پذیری را یه صورت یک متغیر ترکیب (جمع) می کنیم، ممکن است به ناپایداری منجر شود. چون این دو می توانند در شرایطی اثر یکدیگر را خنثی کنند و ورودی های کنترل کننده متعلق به تابع عضویت صفر شوند که در نتیجه گشتاور خروجی هم صفر می شود، در حالیکه خطای هر دو جابجایی زاویه ای و انعطاف پذیری بسیار زیاد است ]۱۰[.