مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

کنترل چند متغیره پیش‌بین غیرخطی برای ردیابی مسیر یک نوع ربات موازی دلتا

نویسندگان
دانشگاه شهید بهشتی
چکیده
در این مقاله، کنترل کننده پیش بین غیرخطی مقاوم بهینه بر مبنای الگوریتم جستجوی هارمونی برای یک نوع ربات موازی سه درجه آزادی انتقالی طراحی شده است. مدل دینامیکی مکانیزم با استفاده از روش لاگرانژ استخراج شده و کنترل کننده پیش‌بین به همراه تخمین‌گر عدم قطعیت، طراحی و پایداری آن با استفاده از تئوری لیاپانوف اثبات شده است. عملکرد کنترل‌کننده طراحی شده در شرایط مختلف از جمله در حضور اغتشاش و تغییر پارامترهای سیستم، شبیه‌سازی و مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، یک مسیر بهینه برای ربات در حضور چهار مانع دایروی طراحی شده و به عنوان مسیر مطلوب به ربات داده شده است. برای تعیین پارامترهای کنترلی بهینه، یک تابع هزینه بصورت ترکیبی از نرخ تغییرات ورودی کنترلی و خطا در نظر گرفته شده و به الگوریتم جستجوی هارمونی جهت کمینه‌سازی داده شده است. به منظور مقایسه عملکرد کنترل کننده طراحی شده با سایر کنترل‌کننده‌های غیرخطی، دو کنترل کننده مود لغزشی بهینه و خطی‌سازی پسخورد بهینه نیز طراحی و نتایج آنها با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج بیانگر عملکرد مطلوب هر سه کنترل‌کننده در شرایط وجود اغتشاش و عدم قطعیت‌های مدل می‌باشند، اگرچه معیارهای خطا برتری کنترل‌کننده‌ پیش بین غیرخطی مقاوم را نسبت به دو کنترل‌کننده دیگر نشان می‌دهند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Nonlinear Model Predictive Multivariable Control for Trajectory Tracking of a Type of Delta-Parallel Robot

نویسندگان English

mahmood mazare
mostafa taghizadeh
mahdi pourgholi
school of mechanical and energy engineering
چکیده English

In this paper, an optimal robust nonlinear model predictive controller based on harmony search algorithm is designed for a type of 3-DOF translational parallel robot. Dynamic model of the mechanism is derived using Lagrange method and the model predictive controller augmented by uncertainty estimator is designed and stability is proved by Lyapanov theorem. Performance of the designed controller is evaluated in different conditions such as presence of disturbance and parameter variation. Furthermore, an optimal trajectory consisting four circular obstacles is designed as the reference trajectory of the robot. In order to obtain the optimum control parameters, a cost function combining control signal rate and error is considered and minimized by harmony search algorithm. In order to compare the performance of the designed controller with other nonlinear controllers, two controllers, an optimal sliding mode and a feedback linearization controller are also designed and their results are compared. Simulation results depict the desirable performance of the three controllers in spite of disturbance and model uncertainty, however, error criteria indicate priority of the robust nonlinear model predictive controller over the two other controllers.

کلیدواژه‌ها English

Parallel manipulator
Dynamic modeling
constrained systems equations
Model Predictive Control
[1] J. P. Merlet, Parallel Robots, Second edition, pp. 116-124, London, Kluwer Academic Publishers, 2006.
[2] Z. Peng, S. Yang, G. Wen, A. Rahmani, Y. Yu, Adaptive distributed formation control for multiple nonholonomic wheeled mobile robots, Neurocomputing, Vol. 173, No. 3, pp. 1485-1494, 2016.
[3] M. Rahmani, A. Ghanbari, M. M. Ettefagh, Robust adaptive control of a bioinspired robot manipulator using bat algorithm, Expert Systems with Applications, Vol. 56, No. 10, pp. 164-176, 2016.
[4] A. Keymasi Khalaji, S. A. A. Moosavian, Adaptive sliding mode control of a wheeled mobile robot towing a trailer, Journal of Systems and Control Engineering, Vol. 229, No. 2, pp. 169-183, 2014.
[5] M. Rahmani, A. Ghanbari, M. M. Ettefagh, Hybrid neural network fraction integral terminal sliding mode control of an Inchworm robot manipulator, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 80, pp. 117-136, 2016.
[6] M. Rahmani, A. Ghanbari, M. M. Ettefagh, A novel adaptive neural network integral sliding-mode control of a biped robot using bat algorithm, Journal of Vibration and Control, Vol. 10, No. 11, pp. 743-754, 2016.
[7] S. H. Lee, J. B. Song, W. C. Choi, D. Hong, Position control of a Stewart platform using inverse dynamics control with approximate dynamics, Mechatronics, Vol. 13, No. 6, pp. 605–619, 2003.
[8] Y. X. Su, B. Y. Duan, C. H. Zheng, Y. F. Zhang, G. D. Chen, J. W. Mi, Disturbance-rejection high-precision motion control of a Stewart platform, Control Systems Technology, IEEE Transactions On control systems technology, Vol. 12, No. 3, pp. 364–374, 2004.
[9] N. Wada, K. Saito, M. Saeki, Model predictive control for linear parameter varying systems using parameter dependent lyapunov function, IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 53, No. 12, pp. 1446-1450, 2006.
[10] Z. Wan, M. V. Kothare, An efficient off-line formulation of robust model predictive control using linear matrix inequalities, Automatica, Vol. 39, No. 5, pp. 837-846, 2003.
[11] A. M. Khiavi, M. Mirzaei, S. Hajimohammadi, A new optimal control for the semi-active suspension system considering the nonlinear magneto-rheological damper model, Journal of Vibration and Control, Vol. 20, No. 14, pp. 2221-2233, 2014.
[12] A. Malekshahi, M. Mirzaei, Designing a non-linear tracking controller for vehicle active suspension systems using an optimization process, International Journal of Automotive Technology, Vol. 13, No. 2, pp. 263-271, 2012.
[13] A. Malekshahi, M. Mirzaei, S. Aghasizade, Non-linear predictive control of multi-input multi-output vehicle suspension system, Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active Control, Vol. 34, No. 1, pp. 87-106, 2015.
[14] A. Rabiei , M. Malekzadeh, M. Abnili, A nonlinear predictive PID controller design for spacecraft formation flying control, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 313-321, 2015. (In Persian فارسی )
[15] M. Shahbazzadeh, S. J. Sadati Rostami, S. Minagar, Designing model predictive control for trajectory tracking of a wheeled mobile robot using laguerre functions and exponential data weighting, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 101-112, 2017. (in Persian فارسی )
[16] J. E. N. Rico, J. G. Ortega, E. F. Camacho, A Smith-predictor-based generalised predictive controller for mobile robot path-tracking, Control Engineering Practice, Vol. 7, No. 6, pp. 729-740, 1999.
[17] D. Gu, H. Hu, Neural predictive control for a car-like mobile robot, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 39, No. 2, pp. 73-86, 2002. [18] M. Zamanian, A. Keymasi Khalaji, Trajectory tracking and stabilization of a tractor-trailer wheeled robot using model predictive control, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 12, pp. 167-175, 2018. (in Persian فارسی )
[19] G. Klančar, I. Škrjanc, Tracking-error model-based predictive control for mobile robots in real time, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 55, No. 6, pp. 460-469, 2007. [20] S. A. Moezi, M. Rafeeyan, S. Ebrahimi, Sliding mode control of 3-RPR parallel robot on the optimal path using cuckoo optimization algorithm, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 2, pp. 147-158, 2015. (In Persian فارسی )
[21] G. Jafari Chogan, M. H. Ghasemi, M. Dardel, Jacobian analysis, dynamic modeling and adaptive control of cable robot with six degrees of freedom and six cables, Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 4, pp. 391-400, 2015. (In Persian فارسی )
[22] M. Mazare, M. Taghizadeh, Adaptive sliding mode control with uncertainty estimator for a 3-[P-2(US)] translational parallel robot, Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 10, pp. 181-190, 2016. (in Persian فارسی ) [23] M. Mazare, M. R. Najafi, Adaptive control of 3-PUU parallel robot on optimized trajectories generated by harmony search algorithm Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 11, pp. 187-198, 2016. (in Persian