Skip to main content
SUPERVISOR
Jafar Ghaisari,Saeid Hosseinia
جعفر قیصری (استاد راهنما) سعید حسین نیا (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammadreza Ghasemi
محمدرضا قاسمی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Inverse optimal control of bounded quadratic multi-input systems based on control lyapunov function
Optimal control obtains a control law for a dynamic system, guaranteeing close loop stability, as well as minimizing a cost function on states and inputs. Analytical solution of an optimal control problem in nonlinear systems results in a partial differential equation, known as Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB), which is complex or impossible to solve except in special problems. So researchers have looked for control laws using some simplifying assumptions. One of these methods is inverse optimal control in which a cost function is made according to a stabilizing control law. Meanwhile, there are always some limitations on inputs of physical systems, such as upper or lower bounds. Neglecting input limitations in a control strategy may lead to instability of close loop system. Therefore, in this thesis, an inverse optimal control strategy is proposed for quadratic nonaffine systems with bounded inputs based on a stabilizing control law. Control lyapunov function (CLF) is used to design the stabilizing control law. Although control lyapunov function has been applied to affine systems, it has been rarely considered in nonaffine systems. Since quadratic nonaffine systems consist of vast and important kinds of nonlinear systems, this thesis is focused on quadratic nonaffine systems with bounded inputs. First, designing methods of control lyapunov function to stabilize quadratic nonaffine system are investigated. Then some techniques are proposed to overcome the drawbacks of those methods. Specially, to find a continuous stabilizing control law for general quadratic nonaffine systems with bounded inputs, a new method is proposed which is based on control lyapunov function and coordinates rotation. Next, inverse optimal problem in quadratic nonaffine systems is addressed. The required conditions on inputs are declared and then it is shown that proposed stabilizing control law for quadratic nonaffine systems can also solve an inverse optimal control problem. At last, to prove the proposed method in practice, a continuous stabilizing control law is designed for a laboratory magnetic levitation system, which is a single input quadratic nonaffine system. The designed control law is verified and compared with some other controllers through simulation and experimental implementation. Keywords: Quadratic nonaffine systems, Bounded inputs, Control lyapunov function, Inverse optimal control, Magnetic levitation system
هدف از کنترل بهینه یافتن یک قانون کنترل برای سیستم دینامیکی می‌باشد، که علاوه بر تضمین پایداری سیستم، یک تابع هزینه ‌را که بر روی حالات و ورودی های سیستم تعریف می‌شود؛ مینیمم کند. حل مسئل? کنترل بهینه در سیستم های غیرخطی منجر به حل یک یا دو معادل? دیفرانسیل با مشتقات جزئی خواهد شد که حل آن جز در حالت های خاص، پیچیده و گاه غیر ممکن می باشد. از این رو محققین به دنبال روش ها و قوانین کنترلی بوده اند که علاوه بر پایدارساختن سیستم دینامیکی و نزدیکی به ورودی بهینه، طراحی ساده تری داشته باشند. یکی از این روش ها استفاده از کنترل بهینه معکوس می باشد که هدف آن ساختن یک تابع هزینه براساس یک ورودی پایدار ساز است. از طرفی در تمامی سیستم های فیزیکی ورودی ها دارای قیودی، از جمله کراندار بودن ورودی و یا محدود بودن توان؛ هستند. عدم توجه به این محدودیت ها در طراحی کنترل کننده می تواند منجر به ناپایداری سیستم گردد. بنابراین لازم است از روشی استفاده شودکه امکان طراحی کنترل کننده پایدارساز با توجه به قیود موجود بر روی ورودی ها را فراهم کند. همچنین با استفاده از قانون کنترل بدست آمده از این روش بتوان مسئل? بهینه معکوس را حل کرد. استفاده از تابع کنترل لیاپانوف سیستم در طراحی قانون کنترل پایدارساز، یکی از این روش ها می باشد. اگرچه استفاده از تابع کنترل لیاپانوف در سیستم های affine، برای طراحی کنترل کننده پایدارساز مورد توجه بوده است، اما در سیستم های nonaffine، کمتر مورد بررسی قرار گرفته اند. از آنجا که سیستم های nonaffine مربعی دسته ی وسیعی از سیستم های غیرخطی را شامل می شوند، در این پایان نامه سیستم های nonaffine مربعی با ورودی های مقید بررسی می شود. ابتدا اشکالات روش های موجود در طراحی قانون کنترل پایدارساز با استفاده از تابع کنترل لیاپانوف سیستم مشخص می شود و برای رفع آن ها روش هایی پیشنهاد می گردد. سپس با استفاده از تابع کنترل لیاپانوف سیستم و مفاهیم جبرخطی، روش جدیدی برای یافتن قانون کنترل پایدارساز پیوسته در سیستم های nonaffine مربعی با ورودی های مقید در حالت کلی ، پیشنهاد می گردد. در ادامه مسئل? کنترل بهین? معکوس در این دسته از سیستم ها حل می شود. شرایط لازم بر روی ورودی های پایدارساز، جهت حل مسئل? بهینه معکوس در سیستم های nonaffine مربعی بدست می آید. آن گاه با استفاده از قانون کنترل پایدارساز پیشنهادی، مسئل? کنترل بهینه معکوس حل می شود. در انتها نیز با استفاده از قانون کنترل پیوسته و پایدارساز پیشنهادی، کنترل کننده ای برای سیستم آزمایشگاهی تعلیق مغناطیسی طراحی و پیاده سازی می گردد و از عملکرد صحیح روش پیشنهادی هم در شبیه سازی و هم به صورت عملی اطمینان حاصل می شود و نتایج بدست آمده، با روش های دیگر مقایسه می شود. کلمات کلیدی: 1- سیستم nonaffine مربعی 2- ورودی های مقید 3- تابع کنترل لیاپانوف 4- کنترل بهینه معکوس 5- سیستم تعلیق مغناطیسی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی