Skip to main content
SUPERVISOR
Jafar Ghaisari,Yadollah Zakeri hoseinabadi
جعفر قیصری (استاد راهنما) یداله ذاکری حسین ابادی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Farid Alavi
فرید علوی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
In Networked Control Systems (NCSs), all o r some parts of control systems such as sensors, controllers, and actuators communicate together via digital networks. Due to non-ideal communication environment, data packet losses and delays are unavoidable. Thus, any controller design algorithm should consider these flaws. Model Predictive Control (MPC) is one of the most popular control methods in industrial process especially in chemical, oil, and petrochemical industries. Since MPCs usually are employed in slow rate processes, NCS can provide effective and reasonable platform to implement control systems. In this thesis, a new approach is proposed to design MPC controllers in networked control systems. First, a model is introduced for the control system such that data packet losses and delays in network are included in the design procedure. To increase the accuracy of the model, data exchange protocol is considered based on IEEE 802.15.4 which is a network protocol for industrial automation applications. The proposed design method is derived from infinite horizon MPCs. At each sampling time, the controller solves an optimization problem with some constraints expressed as LMIs. Simulation results indicate that the total elapsed time to compute future control commands in each sampling time is sufficiently small to be applicable in real-time implementations of MPCs. To conclude feasibility, it is also proved that any LMI created in the controller design has a real feasible solution. Furthermore, input and output constraints are considered in the design process. Finally, the proposed design procedure is extended to achieve a robust model predictive controller design method in NCS. In this case, it is assumed that the plant uncertainty can be expressed as polytopic. Then, it is proved that the controller design procedure guarantees asymptotical stability conditions for the equilibrium point of the system. A simulation for the proposed robust controller shows that in presence of model uncertainties and time delays in the network data exchange, the system remains stable. Keywords: Model Predictive Control (MPC), Networked Control System (NCS), Linear Matrix Inequality, Polytopic Uncertainty, Compensate Delay and Packet Loss, Lyapunov Function.
به دلیل توسعه روزافزون فناوری‌های ارتباطی از یک سو و از سوی دیگر پیچیده‌تر شدن فرایند‌های صنعتی، استفاده از سیستم‌های کنترل تحت شبکه با استقبال مواجه شده است. در این سیستم‌ها ارتباط بین اجزای کنترلی شامل کنترل‌کننده، حسگر و عملگر از طریق یک شبکه‌ی ارتباطی برقرار می‌گردد که به دلیل شرایط غیرایده‌آل محیطی، پدیده گم شدن و یا تأخیر بسته‌های انتقالی در شبکه وجود دارد. از این رو طراحی کنترل‌کننده در سیستم‌های تحت شبکه باید به صورتی انجام شود که پایداری سیستم در حضور تأثیرات نامطلوب شبکه حفظ گردد. کنترل MPC به عنوان یکی از روش‌های کنترلی پرکاربرد در دهه‌های گذشته محسوب می‌شود و امروزه در بسیاری از فرایندهای صنعتی از جمله فرایندهای نفت و پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این شیوه از کنترل، حالت‌ها و خروجی‌های آینده با استفاده از مدل سیستم پیش‌بینی می‌گردند و به دلیل همین قابلیت پیش‌بینی، این روش به یکی از روش‌های مورد توجه در کنترل تحت شبکه تبدیل شده است. در این پایان‌نامه، یک شیوه‌ی طراحی کنترل‌کننده‌ی MPC برای کاربرد تحت شبکه ارائه شده است. به این منظور، در ابتدا مدل سیستم کنترل تحت شبکه معرفی می‌گردد. در مرحله‌ی مدل‌سازی، تأثیر بروز پدیده‌های تأخیر و گم شدن بسته‌های ارسالی در شبکه، مد نظر قرار گرفته و با بررسی یک نمونه از پروتکل‌های انتقال اطلاعات در صنعت (IEEE 802.15.4)، درستی فرضیات مدل‌سازی نشان داده شده است. در ادامه، ساختار سیستم کنترل پیشنهادی ارائه و روش طراحی کنترل‌کننده‌ی پیشنهادی، بر اساس مدل سیستم، معرفی گردیده است. اثبات پایداری سیستم تحت کنترل نیز با استفاده از قضیه‌ی لیاپانوف صورت می‌گیرد. روش کنترل پیشنهادی بر اساس حل دسته‌ای از LMIها استوار است که تمامی آن‌ها حالت خطی و استاندارد دارند؛ لذا برای حل آن‌ها می‌توان دسته‌ی وسیعی از حل‌کننده‌های عددی را به کار برد. شبیه‌سازی‌های انجام شده نشان می‌دهند مدت‌زمان مورد نیاز برای به دست آوردن دنباله فرمان‌های کنترلی آینده، زمان‌بر نبوده و به همین دلیل قابلیت بکارگیری از این روش در کاربردهای بلادرنگ وجود دارد. در ادامه نشان داده می‌شود که تمام LMIهای تشکیل شده در کنترل‌کننده، در صورتی که در یک لحظه قابل حل باشند، در تمام لحظات بعد نیز قابل حل خواهند بود. به این ترتیب، اطمینان حاصل می‌گردد که کنترل‌کننده‌ی پیشنهادی هیچگاه با یک LMI غیر قابل حل روبه‌رو نخواهد شد. رعایت محدودیت‌های ورودی و خروجی سیستم، از دیگر مواردی است که مورد توجه قرار گرفته است. به این منظور، محدودیت‌های سیستم به صورت LMI بیان شده و به دسته LMIهایی که باید توسط کنترل‌کننده حل شوند، اضافه می‌گردند. در نهایت روش طراحی کنترل‌کننده‌ی MPC پیشنهادی به حالت مقاوم تعمیم داده شده است. در این حالت فرض بر این است که نامعینی سیستم به صورت چندوجهی مدل شده است که در واقع هر وجه، نمایانگر یک سیستم خطی و تغییرناپذیر با زمان است. در این حالت نیز پس از معرفی روش طراحی کنترل‌کننده‌ی MPC پیشنهادی، با استفاده از قضیه‌ی لیاپانوف، پایداری سیستم اثبات شده است. رعایت محدودیت‌های ورودی و خروجی سیستم نیز در این حالت، مشابه با حالت بدون نامعینی صورت می‌گیرد و با انجام شبیه‌سازی‌های مربوط، درستی نتایج تئوری مورد بررسی قرار می‌گیرد. کلمات کلیدی: کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل (MPC)، سیستم‌های کنترل تحت شبکه (NCS)، نامعینی چندوجهی، نامساوی خطی ماتریسی، تابع لیاپانوف، تأخیر و گم شدن بسته

ارتقاء امنیت وب با وف بومی