مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

چارچوب ترکیبی مبتنی بر نظریه بازی همکارانه/غیرهمکارانه برای طراحی بهینه کنترل‌کننده PID

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه کردستان، سنندج، ایران
10.48311/mme.2026.122216.83064
چکیده
کنترل‌کننده‌های تناسبی–انتگرالی–مشتقی به دلیل ساختار ساده و قابلیت اطمینان بالا، همچنان یکی از پرکاربردترین راهکارهای کنترلی در فرایندهای صنعتی محسوب می‌شوند. با این حال، تنظیم بهینه پارامترهای این کنترل‌کننده‌ها، به‌ویژه در سیستم‌های دارای تأخیر زمانی و با معیارهای عملکردی متعارض، همچنان یک مسئله چالش‌برانگیز است. در این پژوهش، یک چارچوب ترکیبی مبتنی بر نظریه بازی برای طراحی بهینه چندهدفه کنترل‌کننده تناسبی–انتگرالی–مشتقی ارائه شده است. در روش پیشنهادی، دو معیار عملکردی زمان نشست و فراجهش به‌عنوان اهداف متعارض در یک بازی غیرهمکارانه مدل‌سازی شده و نقطه تعادل نش به‌عنوان راه‌حل رقابتی تعیین می‌شود. سپس، این نقطه به‌عنوان نقطه عدم توافق در فرایند چانه‌زنی نش مورد استفاده قرار گرفته و یک راه‌حل مصالحه‌ای از میان مجموعه جواب‌های پارتو استخراج می‌شود. ضرایب کنترل‌کننده به‌عنوان متغیرهای طراحی بهینه شده و قیود پایداری حوزه فرکانس نیز در فرایند طراحی لحاظ می‌شوند. در مطالعه موردی، راه‌حل چانه‌زنی نش به زمان نشست 5.19 ثانیه و فراجهش 0.41 درصد دست یافت؛ این مقادیر در مقایسه با تعادل نش، به‌ترتیب حدود 34 و 78 درصد بهبود نشان می‌دهند. همچنین، در مقایسه با تنظیم زیگلر–نیکولز، زمان نشست و فراجهش به‌ترتیب از 16.81 به 5.19 ثانیه و از 0.51 به 0.41 درصد کاهش یافتند. نتایج نشان می‌دهند که چارچوب پیشنهادی سازوکاری نظام‌مند برای انتخاب یک راه‌حل متعادل از میان مجموعه جواب‌های پارتو فراهم می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A Hybrid Cooperative/Non-Cooperative Game-Theoretic Framework for Optimal PID Controller Design

نویسندگان English

Bahman Ahmadi
Hossein Qorban-nezhad
Department of mechanical engineering, University of Kurdistan, Sanandaj, Iran
چکیده English

Proportional–integral–derivative (PID) controllers remain among the most widely used control strategies in industrial applications due to their simple structure and reliable performance. However, optimal tuning of PID parameters, particularly for time-delay systems with conflicting performance requirements, remains a challenging problem. This study proposes an integrated game-theoretic framework for multi-objective optimal PID controller design. In the proposed approach, two conflicting performance criteria, namely settling time and maximum overshoot, are modeled as independent players in a non-cooperative game, and the Nash equilibrium solution is determined as a competitive outcome. Subsequently, this equilibrium point is employed as the disagreement point in a Nash bargaining process to obtain a compromise solution from the Pareto-optimal set. The PID controller parameters are considered as design variables, while frequency-domain stability constraints are incorporated into the optimization procedure. The effectiveness of the proposed framework is evaluated through comparative studies with conventional PID tuning methods. In the case study, the Nash bargaining solution achieves a settling time of 5.19 s and a maximum overshoot of 0.41%, representing improvements of approximately 34% and 78%, respectively, compared with the Nash equilibrium. Compared with the Ziegler–Nichols tuning, the settling time is reduced from 16.81 to 5.19 s, while the maximum overshoot decreases from 0.51% to 0.41%.

کلیدواژه‌ها English

PID controller
Optimization
Game theory
Nash equilibrium
Nash bargaining

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 14 مهر 1405