در این ژایاننامه مدلسازی و کنترل یک ربات نیوماتیک به همراه عملگرهای آن به منظور حذف اثرات اصطکاک و بهبود عملکرد کنترلی مورد بررسی قرار گرفته است. ربات مورد نظر یک ربات آزایشگاهی با 3 درجه آزادی بوده که سیلندرهای نیوماتیکی به عنوان عملگر ددر مفصل های آن مورد استفاده قرار گرفته اند. از آنجایی که اصطکاک در تمام سیستم های مکانیکی و بخصوص در سیستم های نیوماتیکی نقش موثر و غیر قابل چشم پوشی دارد، در اینجا تمرکز اصلی بر روی حذف یا کاهش این اثر با طراحی مناسب کنترل کننده بوده است. اصولا اصطکاک اعمال شده در هر مفصل یک ربات، ناشی از اصطکاک خود مفصل و اصطکاک عملگر متصل به آن مفصل می باشد که در ربات های نیوماتیک، اصطکاک عملگر بخش عمده ای از اصطکاک کل را شامل می شود. این تاثیر به گونه ای بوده است که در بسیاری از تحقیقات انجام شده، اصطکاک ربات های نیوماتیکی بر اساس اصطکاک سیلندر نیوماتیکی مدل شده و از اصطکاک مفصل های ربات صرف نظر شده است. در این پایان نامه در بخش مدلسازی ربات نیوماتیک، مدل کاملی از بدنه ربات مورد نظر به همراه سیلندرهای نیوماتیکی موجود در هر مفصل و در حضور اصطکاک ارائه شده است. وجود دینامیک به شدت غیر خطی سیلندر نیوماتیکی در کنار پارامترهای غیر خطی اتصال مفاصل بدنه ربات، باعث می شوند مدل دینامیک ربات بسیار پیچیده و غیر خطی باشد که این می تواند منجر به طراحی سخت و پیچیده کنترل کننده شود. خطی سازی با فیدبک، روشی برای تبدیل سیستم های غیر خطی به سیستم معادل و خطی آن می باشد که در اینجا جهت حذف اصطکاک در سیستم غیر خطی سیلندر و تبدیل آن به یک مدل خطی معادل مورد استفاده قرار گرفته است. در بخش طراحی کنترل کننده دو ساختار کنترلی مختلف برای کنترل ردیابی خط سیر مفصل در ربات نیوماتیک طراحی و شبیه سازی شده است. در هر دو این ساختارها قبل از طراحی کنترل کننده از خطی ساز فیدبک ارائه شده در مرحله قبل برای حذف اصطکاک عملگرها استفاده شده است. در ساختار اول یک کنترل کننده کلاسیک pid برای هر مفصل ربات بطور مجزا طراحی و با یک حلقه کنترلی ساده به سیلندر متناظر اعمال شده است. شبیه سازی ها نشان می دهد که این کنترل کننده اگرچه تا حدودی در کنترل مفصل اول موفق بوده است اما در نظر نگرفتن تعامل در مرحله طراحی، پاسخ آن برای مفصل های بعدی کیفیت لازم را ندارد. در ساختار دوم، مدل کلی ربات به همراه عدم قطعیت هایی که می تواند نمایانگر اصطکاک مفاصل باشد در نظر گرفته شده و برای آن یک کنترل کننده تطبیقی مقاوم طراحی شده است. در این کار کنترل کننده تطبیقی بر اساس مدل بوده و در آن جملاتی برای حذف عدم قطعیت ها نیز وجود دارد. از آنجایی که پارامترهایی همچون اصطکاک ایستایی نمی توانند بدرستی تطبیق یابند یک حلقه مقاوم به کنترل کننده تطبیقی به منظور حذفاین نوع عدم قطعیت ها اضافه می شود. شبیه سازی ها نشان می دهند که کنترل کننده تطبیقی مقاوم عملکرد مطلوبی را در حذف اثرات اصطکاک در ربات نیوماتیک داشته و در صد خطا را در مقایسه با کنترل کننده کلاسیک به میزان قابل ملاحظه ای کاهش می دهد.

در فصل اول پایان نامه حاضر، مبانی کنترل فرکانس در سیستم قدرت بررسی شد. در فصل دوم لزوم حذف بار فرکانسی، برنامه های حذف بار موجود، و معایب این برنامه ها مورد بررسی قرار می گیرد. در فصل سوم تأثیرات عدم تعادل توان بر روی مشتق فرکانس، همچنین پارامترهایی که بر روی توان اکتیو بار شبکه تأثیرگذارند مورد بررسی قرار گرفته و طرح حذف بار تطبیقی با استفاده از منحنی مشتق فرکانس معادل روتور ژنراتورهای شبکه، به منظور بهینه کردن مقدار حذف بار هنگام وقوع اغتشاشات کوچک، و همچنین جلوگیری از فروپاشی سیستم در هنگام وقوع اغتشاشات بزرگ، ارائه می شود. در فصل چهارم تأثیرات تغییرات تصادفی بار و همچنین نویز دستگاه اندازه-گیری روی منحنی مشتق فرکانس معادل روتور ژنراتورها مورد بررسی قرار گرفته، و از فیلتر کالمن گسسته خطی با لحاظ کردن معادلات دینامیکی حاکم بر مشتق فرکانس چرخش روتور ژنراتور در الگوریتم فیلتر کالمن، برای حذف این تأثیرات استفاده شده است. در فصل پنجم، مروری بر تولیدات پراکنده ارائه شده، همچنین تفاوت های جزیره الکتریکی شامل تولیدات پراکنده، از جمله اینرسی پایین آن بیان شده، و لزوم دقت و سرعت در طرح حذف بار مورد استفاده برای چنین جزیره ای بیان می شود و به همین منظور از شبکه عصبی برای بالابردن دقت تخمین عدم تعادل توان، با فرض عدم دسترسی به اطلاعات آنلاین بارهای جزیره الکتریکی، استفاده شده است. در فصل ششم نتایج شبیه سازی بر روی شبکه نمونه 9 باس ieee و همچنین ریزشبکه نمونه در نظر گرفته شده، آورده شده است.

یکی از مسائل مهم در کنترل ارتعاشات سازه هایی که از میراگر mr استفاده می کنند، شناسایی و مدل سازی میراگر و جبران سازی رفتار کاملاً غیرخطی آن در حین طراحی کنترل کننده می باشد. در این پایان نامه، یک روش ترکیبی شناسایی تطبیقی و فیدبک خطی ساز جهت جبران سازی رفتار mr پیشنهاد شده و به عنوان یک مطالعه موردی، کنترل ارتعاشات یک سازه سه طبقه در هنگام زلزله با استفاده از میراگر mr و کنترل کننده مقاوم بررسی شده است. از میان مدل های مختلفی که برای میراگر mr پیشنهاد شده، مدل bouc-wen اصلاح شده، رفتار غیرخطی هیسترزیس میراگر را بهتر از مدل های دیگر بیان می کند، از اینرو این مدل برای شناسایی و طراحی فیدبک خطی ساز انتخاب شده است. با توجه به حساسیت روش فیدبک خطی ساز به تغییرات پارامترها، از یک الگوریتم تطبیقی جهت شناسایی لحظه ای پارامترهای مدل میراگر استفاده شده است. این الگوریتم همچنین تخمینی از حالت های داخلی مدل میراگر را بدست می آورد که در قسمت طراحی کنترل کننده مورد استفاده قرار می گیرد. پس از شناسایی مدل میراگر و جبران سازی آن با استفاده از فیدبک خطی ساز و یک کنترل کننده فرعی، از یک الگوریتم کنترلی مقاوم جهت کنترل سیستم اصلی (کنترل ارتعاشات سازه) در حضور عدم قطعیت ها و شتاب زلزله استفاده شده است. کنترل کننده مقاوم مبتنی بر سنتز µ بوده و به گونه ای طراحی شده است که اثر زلزله را روی ارتعاشات سازه حداقل کرده و همزمان خروجی عملگر، حداقل مقدار را داشته باشد. نتایج شبیه سازی حاکی از توانایی الگوریتم های ارائه شده در کنترل موثر سیستم بوده و بهبود پاسخ در مقایسه با روش های موجود می باشد.

افزایش مصرف انرژی الکتریکی یکی از اساسی ترین موضوعات مورد بررسی در کشورهای جهان و به خصوص کشورهای در حال توسعه است. کشور ایران نیز با توجه به قدم گذاشتن در راه توسعه از این قاعده مستثنی نمی باشد. یکی از مهمترین بخشهای مصرف کننده انرژی الکتریکی بخش خانگی است که در ایران سهم این بخش بیش از سایر بخش هاست. توجه به تامین و مدیریت مصرف انرژی الکتریکی در این بخش یکی از اصلی ترین چالشهای پیش روی کشور در راستای توسعه می باشد. در این پایان نامه ابتدا به بررسی سیستمهای کارآمد استفاده از منابع انرژی برای تامین انرژی مورد نیاز بخش خانگی در دو صورت انرژی الکتریکی و انرژی گرمایی پرداخته شده و مفهوم سیستمهای تولید همزمان برق وگرما مطرح می گردد. در ادامه پیوند این سیستم با یکی از جدیدترین تکنولوژیهای تولید انرژی الکتریکی یعنی تکنولوژی پیل سوختی مدنظر قرار می گیرد. با معرفی انواع پیل سوختی، بهترین گزینه از این میان برای کاربری تولید برق و گرما انتخاب شده و سپس به مدلسازی یک سیستم تولید همزمان برق وگرما بر پایه پیل سوختی پرداخته می شود. در آخر نیز کنترل این سیستم بررسی شده و نتایج آن ارائه خواهد شد. در ابتدا برای دنبال یابی خروجی با استفاده از تکنیک lqr خروجیها دنبال میشوند و بعد با بکارگیری یک تخمین گر حالت، حالتهای سیستم تخمین زده و در نهایت عملکرد آن روی سیستم بررسی خواهد شد. با بررسی نتایج دیده میشود که کنترل کننده بکارگرفته شده برای اهداف کنترلی که برطرف کردن مشکل کمبود هیدروژن و کنترل دمای پیل سوختی است، بخوبی عمل کرده و اهداف کنترلی ما را دنبال خواهد کرد، که با اعمال کنترل کننده مورد نظر، دمای ریفرمر از حد مورد نظر که باعث آسیب رساندن به آن میشود بالا نرفته و همچنین پیل سوختی دچار کمبود هیدروژن نمیشود.

در این مطالعه چگونگی استفاده از روبات هپتیک بر روی خط انتقال گرم به منظور شستشوی مقره مورد بررسی قرار می‏گیرد و به این منظور از یک سامانه عملکرد از راه دور دوجانبه به صورت دوکاناله استفاده می‏شود. در گذشته کار بر روی خط انتقال گرم (از جمله شستشوی مقره) خطرات فراوانی را برای کارگران ایجاد می‏کرد، که از جمله آن می‏توان به خطر برق گرفتگی و یا سقوط از ارتفاع اشاره کرد به این ترتیب برای جلوگیری از ایجاد این خطرات برای انسان تحقیقات به سمت استفاده از روبات در این زمینه پیش می‏رود. به این منظور باید دو روبات تابع و متبوع وجود داشته باشند که روبات متبوع فرمان را از کاربر دریافت کرده و به روبات تابع که در تعامل مستقیم با محیط است انتقال دهد، این امر سبب می‏شود که از یک سامانه عملکرد از راه دور استفاده شود. از طرفی با توجه به اینکه مقره جسمی شکننده و نسبت به میزان نیروی وارد حساس است بنابراین شستشوی آن تنها با استفاده از فیدبک دیداری و فرمان یک جانبه (از متبوع به تابع) امکانپذیر نیست. به همین دلیل از گروه خاصی از روبات‏ها با خاصیت هپتیک استفاده می‏شود که امکان استفاده از حس لامسه (بازتاب نیرو) را برای کاربر فراهم می‏کند و به این ترتیب از فیدبک نیرو نیز استفاده می‏شود که از سمت تابع به متبوع است و سامانه را به یک سامانه دوجانبه تبدیل می‏کند. روبات‏های phantom omni و puma 560 به ترتیب به عنوان روبات متبوع و تابع در نظر گرفته می‏شوند. در این پایان‏نامه همچنین چگونگی ایجاد رابطه بین روبات تابع و محیط بیان می‏شود و مدل‏های دینامیک روبات تابع و متبوع به منظور پیاده‏سازی کنترل‏کننده معرفی می‏شود. در این پژوهش هدف طراحی کنترل‏کننده مناسب برای کنترل این دو روبات به منظور رسیدن به هدف می‏باشد، که به این سبب طراحی کنترل‏کننده به دو بخش طراحی برای روبات تابع به منظور کنترل موقعیت و برای کل سامانه به منظور کنترل نیرو تقسیم می‏گردد، که هرکدام از آنها نکات ویژه‏ای را در بر می‏گیرند. برای روبات تابع از سه نوع کنترل‏کننده pd، شامل نوع سنتی، نوع دارای خاصیت جبران گرانش و تطبیقی برای کنترل موقعیت استفاده می‏شود و در ادامه با تعمیم کنترل‏کننده pd تطبیقی برای سامانه حلقه بسته کلی، از آن برای کنترل نیرو استفاده می‏شود. همچنین یک فیدبک خطی‏ساز برای کل سامانه استفاده شده و سپس مجموع فیدبک خطی‏ساز و سامانه اصلی با یک کنترل‏کننده تطبیقی مدل مرجع کنترل می‏شود. دلیل استفاده از کنترل‏کننده تطبیقی توانایی این نوع از کنترل‏کننده‏ها به منظور جبران گرانش و همچنین مواجهه با هر نوع اغتشاش و تغییر در میزان بار وارد بر بازوی روبات می‏باشد.

ربات اسکارا از جمله ربات‏های صنعتی با مکانیزم سری می‏باشد که به دلیل قدرت مانور بالا در صفحه xy برای عملیات مونتاژکاری مناسب است. این ربات با عملگر الکتریکی در مقیاس‏های مختلف طراحی و به‏کارگرفته‏شده‏است. عملگرهای نیوماتیکی دارای ویژگی‏هایی می‏باشند که می‏توان آن ها را به عنوان گزینه‏ای مناسب، برای بسیاری از کاربردها، از جمله محرک در ربات‏های صنعتی مطرح کرد. در این پایان نامه ربات اسکارا با عملگر نیوماتیکی بررسی و کنترل شده‏‏است. ابتدا معادلات سینماتیکی ربات اسکارا بدون عملگر، با استفاده از روش دناویت- هارتنبرگ به دست می‏آید و با استفاده از روش لاگرانژ معادلات دینامیکی ربات استخراج می‏شود. در ادامه برای صحه‏گذاری معادلات به‏دست‏آمده، از نرم‏افزارهای simmechanics و adams استفاده می‏شود. سپس، بعد از بررسی اجزای سیستم نیوماتیک، مدل ریاضی مناسب ارائه شده‏است. در این مدل‏سازی، مدل دینامیکی حرکت و مدل ترمودینامیکی سیستم و مدل شیر در نظر گرفته می‏شود. در راستای کنترل موقعیت ربات، بدون در نظرگرفتن دینامیک عملگرها، از دو کنترلر pid و fuzzy-pid استفاده شده‏است. fuzzy-pid عملکرد بهتری ارائه می‏کند. پس از آن با در نظر گرفتن مدل موتورهای نیوماتیکی، مدل اسکارای نیوماتیکی شبیه‏سازی می‏شود. از آنجا که ربات مورد نظر دارای دینامیک و معادلات غیرخطی است، برای کنترل این ربات نیز از دو کنترلر pid و fuzzy-pid استفاده می‏شود. در این قسمت نیز کنترلر fuzzy-pid عملکرد بهتری نشان می‏دهد. زیرا در کنترلر pid ضرایب کنترلی برای تمامی لینک‏ها در تمام طول مسیر یکسان می‏باشد. ولی با استفاده از کنترلر fuzzy-pid ضرایب کنترلر هر یک از لینک‏ها به‏طور جداگانه و در تمام طول مسیر با استفاده از قوانین فازی تنظیم می‏گردد.

سیستم های هیدرولیکی به دلیل توانایی تولید نیروها و گشتاورهای بالا، کاربرد فراوانی در صنایع مختلف دارند. سیستم سرو هیدرولیک نوعی از سیستم های هیدرولیکی می باشد که بسیار دقیق عمل می نماید. با توجه به اینکه سیستم های سرو هیدرولیک رفتاری غیرخطی دارند، مدل سازی، شبیه سازی و اعمال روش های کنترلی پیشرفته به این سیستم ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در این پروژه مدل سازی، شبیه سازی و کنترل حلقه بسته یک موتور هیدرولیکی(سرو هیدروموتور) مورد مطالعه قرار گرفته است. برای اطمینان از صحت مدل سازی، یک سرو هیدروموتور به دو روش مدل سازی شده است. مدل اول با استفاده از نرم افزار simhydraulics (زیر مجموعه سیمولینک متلب) و مدل دوم از معادلات حاکم بر سیستم بدست آمده است. به دلیل اینکه پارامترهای سیستم زیاد بوده و بیشتر آنها غیر قابل اندازه گیری می باشد، با مقایسه نتایج حاصل از simhydraulics و نتایج تجربی، مقادیر پارامترهای سیستم بدست آورده شده سپس نتایج حاصل از دو روش مدل سازی با یکدیگر مقایسه گردیده است. در مدل ارائه شده با استفاده از معادلات، تراکم پذیری سیال در نظر گرفته شده است ولی در simhydraulics از آن صرف نظر شده است بنابراین مدل حاصل از معادلات، به واقعیت نزدیکتر بوده و به همین خاطر هنگام طراحی کنترلر، از آن استفاده شده است. به دلیل عملکرد بالای کنترلر pid ، از این کنترلر برای سیستم استفاده شده است. چون اساس طراحی این کنترلرها بر مبنای مدل خطی می¬باشد، ابتدا معادلات را خطی کرده و سپس مدل خطی از سیستم بدست آورده و برای آن کنترلرpid طراحی شده است. استفاده از کنترلر طراحی شده برای مدل غیرخطی، نتایج خوبی را حاصل نمی کند بنابراین برای آن کنترلر مناسب تری تنظیم می گردد. با اعمال بار به سیستم مشاهده می شود که کنترلر تنظیم شده نتایج خوبی نمی دهد که برای رفع این مشکل از کنترلر چند مدله با سوئیچ نرم و سوئیچ سخت استفاده شده است. استفاده از کنترلر با سوئیچ سخت، زمان نشست و همچنین نوسانات را کاهش می دهد اما بدلیل اینکه در سوئیچ سخت، تغییر کنترلرها ناگهانی صورت می گیرد باعث ایجاد پرش در پاسخ می گردد که برای رفع آن از کنترلر چند مدله با سوئیچ نرم استفاده شده است. با استفاده از منطق فازی شرایطی را به وجود آورده شده که تغییر بین کنترلرها به آرامی صورت گیرد. استفاده از کنترلر چند مدله با سوئیچ نرم زمان نشست و نوسانات را کاهش داده و هیچ پرشی در هنگام تغییر کنترلرها بوجود نمی آورد.