30578

طراحي رويتگر حالت تعميم‌يافته فازي-تطبيقي براي دسته‌اي از سيستم‌هاي غيرخطي

دكترا

مهندسي برق- كنترل

1397

1402/11/1

دكتر محمد فرخي

مهندسي برق

در اين رساله، هدف طراحي رويتگر حالت تعميم‌يافته فازي-تطبيقي براي تخمين حالت‌ها و اغتشاش خارجي در سيستم‌هاي غيرخطي اَفاينِ تك‌ورودي-تك‌خروجي در حضور قيد خروجي است. از رويتگر حالت تعميم‌يافته به‌علت كارآمدي آن در حضور اغتشاش و نامعيني استفاده شده است ولي بايد درنظر داشت كه در روش‌هاي موجود در مراجع، اين روش داراي محدوديت‌هايي از جمله شرط انطباق، وابستگي به پهناي باند رويتگر، عدم توانايي در حذف اثر اغتشاش متغيربازمان، و مقاوم نبودن روش در حضور نويز اندازه‌گيري است. بنابراين به‌منظور بهبود اين ضعف‌ها، در اين رساله، اغتشاش به‌صورت متغيربازمان درنظر گرفته‌شده كه به حالت‌هاي سيستم اعمال مي‌شود. هدف از رويتگر فازي-تطبيقي پيشنهادي، كاهش محدوديت‌هاي رويتگر حالت تعميم‌يافته و بهبود عملكرد سيستم در حضور اغتشاش خارجي و قيد خروجي سيستم است. رويتگر حالت تعميم‌يافته از جمله روش‌هاي بهره بالا به‌شمار ‌مي‌رود كه به‌منظور عملكرد مطلوب، به پهناي باند بزرگ ‌نياز دارد. هنگامي كه بهره رويتگر به‌صورت خطي درنظرگرفته‌ مي‌شود، پهناي باند رويتگر محدود گرديده كه منجر به فاصله‌گرفتنِ سيستم از عملكرد بهينه خود مي‌شود. يكي از راه‌كار‌هاي ارائه‌شده در راستاي حل مشكل محدودبودنِ پهناي باند، استفاده از رويتگر حالت تعميم‌يافته تطبيقي است. علاوه بر آن، قانون تطبيق براي بهره‌هاي رويتگر طوري طراحي ‌مي‌گردد كه آثار نامطلوب اغتشاش خارجي و تغييرات ناگهاني در پارامترهاي سيستم به‌خوبي تضعيف ‌شود. درگام اول، اغتشاش به‌صورت منطبق و رويتگر به‌صورت خطي درنظر گرفته شده و از سيستم فازي به‌منظور تخمين غيرخطي‌گري‌هاي سيستم استفاده مي‌شود. در گام بعد، اغتشاش به‌صورت منطبق و غيرمنطبق به سيستم اعمال مي‌گردد. همچنين، كلاس سيستم به فرم فيدبك خالص گسترش داده شده و تابع رويتگر به‌صورت غيرخطي طراحي‌ مي‌گردد. هرچند استفاده از رويتگر غيرخطي منجر به افزايش پيچيدگي و حجم محاسبات مي‌شود، اما نسبت به رويتگر خطي عملكرد بسيار مطلوب‌تري در دو حالت دائمي و گذراي سيستم در حضور اغتشاش و نامعيني دارد. همچنين به‌منظور تضمين همگرايي خطاي رديابي و برآورده‌شدن قيد خروجي، از تابع لياپانوف مانع و روش پس‌گام فيلتر‌شده در تحليل پايداري استفاده شده است. به‌منظور بهبود عملكرد سيستم، پارامترهاي رويتگر و پهناي باند فيلتر با استفاده از سيستم فازي ممداني تنظيم مي‌گردد. به‌عنوان مثال‌هاي شبيه‌سازي، سيستم آونگ وارون و ربات تك بازو با مفصل انعطاف‌پذير درنظرگرفته شده است. همچنين، عملكرد روش پيشنهادي از نقطه نظر سرعت همگرايي، بالازدگي، و نوسانات در پاسخ سيستم با مراجع اخير مقايسه شده است. در تمامي مراحل طراحي، تحليل پايداري و بررسي همگرايي خطاي تخمين انجام‌ شده است.

1402/12/15

Adaptive Fuzzy Extended State Observer Design for a Class of Nonlinear Systems

1/1/1900 12:00:00 AM

In this thesis, an Adaptive Fuzzy Extended State Observer (AFESO) for single-input single-output nonlinear affine systems in the presence of output constraint is proposed to estimate the states of the system and external disturbances. Extended State Observers (ESOs) have been used for their efficiency in the presence of disturbance and uncertainty, but it should be noted that it has some limitations, such as matching conditions, dependency on the bandwidth of the observer, the inability to remove the effect of the time-varying disturbance variable, peaking phenomenon, and high sensitivity to measurement noise. To overcome this limitation, in this thesis, disturbance is considered time-varying and applied to the states of the system. The purpose of the proposed fuzzy-adaptive observer is to overcome the limitations of the ESO and enhance the system’s performance in the presence of external disturbances and output constraints. The ESO is a class of high gain observers that requires a large bandwidth for optimal performance. Since the ESO is considered linear with constant gains, the bandwidth of the observer is limited, which drives the system away from the optimal performance. One of the solutions to overcome the bandwidth limitation is to design an Adaptive Extended State Observer (AESO). In addition, the observer gains are considered time-varying and adjusted with adaptation laws to eliminate the effect of external disturbances and perturbation parameters. First, the matched disturbance and linear observer function are considered and a fuzzy system is employed to estimate the nonlinearities of the system. Next, matched and mismatched disturbances are applied to systems. Moreover, the class of the system is extended to the pure feedback and the observer function is designed in a nonlinear form. Although designing nonlinear observers cause more computational time and complexity in the design procedure, compared to a linear observer, it has much better performance in a transient and steady state in the presence of disturbance and uncertainty. Moreover, to guarantee the convergence of the tracking error as well as satisfying the output constraints of the system, a command-filtered backstepping method based on the barrier Lyapunov function method is designed in stability analysis. To improve the performance of the system, the observer parameters and filter bandwidth are adjusted using the Mamdani fuzzy system. Simulating example of an inverted pendulum and a single link flexible-joint manipulator are considered. Furthermore, the performance of the proposed method has been compared with a recently published scheme in the related literature in terms of convergence rate, overshoot, and fluctuations in the system response. Stability analysis and convergence of estimation errors have been studied in the design procedure.

رويتگر حالت تعميم‌يافته فازي-تطبيقي، بهره رويتگر متغيربازمان، تابع لياپانوف مانع، روش پس‌گام فيلتر شده، اغتشاش منطبق و غيرمنطبق، آونگ وارون، ربات تك بازو با مفصل انعطاف‌پذير.

Adaptive fuzzy extended state observer, time-varying observer gain, barrier Lyapunov function, command filtered-backstepping, matched and mismatched disturbance, inverted pendulum system, single-link flexible-joint manipulator.

Mahtab Delpasand

Dr. Mohammad Farrokhi