تجهیزات نوری (مانند IR، رادار، لیزر، و تلویزیون) دارای استفاده گسترده ای در بسیاری از کاربردها، همچون پردازش، موشکهای هدایت شونده، سیستمهای ردیابی و سیستمهای ناوبری، میباشد. در چنین سیستمهائی، محور حسگر نوری باید به دقت از پایگاه متحرک به یک هدف در حال حرکت یا ثابت شده نقطه گذاری شود. بنابراین، خط حسگر دید (LOS) بایست به شدت کنترل شود. در چنین محیطی که در آن تجهیزات در یک پلتفرم قابل حرکت نصب میشود، نگهداری جهت حسگر به سمت یک هدف چالشی جدی تلقی میشود.
پلتفرم تثبیت اینرسیایی (ISP) روش مناسبی برای حل این چالش است [1]. معمولا، سیستم طوقه دو محوره به منظور ارائه تثبیت سازی برای حسگر در زمان اثرگذاری اختلالات (آشوبهای) مختلف در آن مورد استفاده قرار میگیرد. مهمترین منابع آشوب تحرک زاویه دار پایگاه، دینامیکهای سیستم حلقوی، و عدم تعادل حجم طوقه میباشد. بنابراین الزامی است تا تمامی دینامیکهای نیروگاه به دست آید و نیروگاه بصورت تحلیلی قبل از طراحی مونتاژ طوقهای گرفته شود [2].
عملکرد سیستم به شدت به دقت مدلسازی نیروگاه بستگی دارد. یک نیروگاه معمول برای چنین مسائلی شامل یک مونتاژ طوقه الکترومکانیکی دارای آزادی زاویه دار در حسگرهای یک، دو یا سه محوره و یک یا چند حسگر الکترو نوری میباشد [3]. کنترل چنین سیستمهای تثبیت اینرسیایی LOS به دلیل کوپلینگهای عبوری بین شبکه های مختلف مسئله ساده ای نیست. علاوه بر این، این سیستمها مستلزم حفظ عملیات پایدار هستند و این که دقت نقطه گذاری و ردیابی برای هدف حتی در زمان وجود تغییرات در دینامیکهای سیستم و شرایط عملیاتی تضمین شود. در بسیاری از تحقیقات مدل ریاضیاتی و سیستم کنترل از سیستم طوقه دو محوره مطالعه شده است. چندین تغییر با استفاده از فرضیات مختلف ارائه شده است.
در [4]، روابط کوپلینگ هندسی و علم حرکتی با دو درجه از مونتاژ طوقه برای یک مورد ساده سازی به دست می آید در حالی که هر طوقه متعادل سازی می شود و بدنه های عناصر حلقهای شده درباره محورهای اصلی معلق هستند. [5] معادلات حرکت برای تنظیمات طوقه دو محوره را ارائه میکند، با فرض بر این که طوقه بدن های سفت و سختی دارند و دارای هیچ نوع عدم تعادلی در حجم نیستند.
در [5]، اکسراند نشان میدهد که آشوبهای تعادل با موقعیتهای تقارن اینرسیایی مخصوص حذف میشود، و انتخابهای مشخص از پارامترهای اینرسیایی میتواند کوپلینگ عبور اینرسیایی بین شبکه های سیستم طوقهای را حذف نماید. درجه مستقلی از آزادی عملیات طوقهای در یک محیط ارتعاش پیچیده توسط دانیل در [6] نشان داده میشود. وی نشان میدهد که چگونه ارتعاشات هر دو گشتاور آشوب عدم تعادل دینامیکی و استاتیکی را تهییج میکند که به صورت استاتیکی و دینامیکی با موازنه طوقه حذف میشود که این زمانبر است و مقرون به صرفه نیست [6]. در [7]، معادلات حرکت با این فرضیات ایجاد میشوند که دارای هیچ گونه عدم تعادل حجم دینامیکی نیستند و بدون برجسته سازی تاثیرات شتابهای زاویه های پایه هستند.
در [8]، مکانیزم طوقه دو محوره معرفی میشود و تنها مدلسازی محور آزیموت مورد تمرکز قرار میگیرد در حالی که زاویه مرتفع ثابت نگه داشته می شود و لحظات عبوری اینرسی صفر در نظر گرفته میشود. هم در [5] و هم در [9]، مدل دینامیکی طوقه های دینامیکی و مرتفع در فرضیاتی ایجاد می شوند که توزیع حجم طوقه ها متقارن است از اینرو تولیدات اینرسیا مورد غفلت قرار می گیرند و مدل ساده سازی میشود.
باید ذکر شود، که بیشتر این تحقیقات در نظر میگیرند که شبکههای آزیموت و مرتفع یکسان هستند بنابراین محور واحد شبیه سازی و تست میشود. بنابراین، کوپلینگ عبوری، که ناشی از حرکت زاویه دار پایگاه و خواص دینامیکهای سیستم طوقه میباشد، مورد چشم پوشی قرار میگیرد. همچنین، فرض میشود که توزیع حجم طوقه ها متقارن است پس طوقه ها هیچ عدم تعادل دینامیکی ندارند.
علاوه بر این، قانون نیوتن برای ایجاد مدل ریاضیاتی به کار گرفته میشود. از یک سو، سیستم کنترل تنظیمات طوقه دو محوره با استفاده از روشهای کنترل مختلف ایجاد میشود. در [7]، مد کشوئی مبتنی بر پروکسی در سیستم طوقه دو محوره به کار گرفته میشود؛ همچنین [10] کنترل مد کشوئی تحت مفروض شبکههای آزیموت و مرتفع یکنواخت جفت نشده را ارائه میکند. در [11]، ابزارهای سنتز مدرن همچون رگولاتور درجه دوم خطی (LQR) یا گاوسی درجه دوم خطی با کنترل بازیابی انتقال حلقه (LQG/LTR) برای یک کنترلر باند گسترده نیز در خط دید تثبیت سازی برای وسایل نقلیه زمینی متحرک مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین [12] الگوریتم گاوسی درجه دوم خطی (LQG) برای برآورد و جبران سازی در زمان واقعی یک کلاس مخصوصی از آشوبها را ارائه میکند. همچنین روشهای کنترل معمول، برخی تکنیکهای کنترل پیشرفته همچون کنترل شدید و قوی [13]، کنترل ساختار متغیر (VSC) [14]، و متدولوژی کنترل [15] نیز در سیستمهای تثبیت اینرسیایی LOS به کار گرفته میشوند.
با این حال، اکثریت این الگوریتم ها پیچیده هستند و تشخیص آنها کار سختی میباشد. در سالهای اخیر، فناوری کنترل فازی بطور موفقیت آمیزی توسعه یافته است. این عملکرد سیستم کنترل را بهبود میبخشد، و دارای انطباق پذیری خوبی برای سیستم با عوامل نامشخص و مدل ریاضیاتی غیرخطی است [16، 17]. برخلاف کنترل معمولی، کنترل منطق فازی معمولا نیازی به مدل ریاضیاتی دقیق از فرایند ندارد که میبایست کنترل شود و همچنین منطق فازی یکی از بهترین حلها برای بخش گسترده از چالش مسائل کنترل و لجوج را در نظر میگیرد [18، 19].
دو نوع کنترل مبتنی بر منطق فازی؛ مبتنی بر سوگنو تاکاگی (T-S) و مبتنی بر ممدانی، وجود دارد. در آزمایشگاه مشاهده میشود که تقریبا تمامی سیستمهای دینامیکی غیر خطی توسط مدلهای فازی سوگنو تاکاگی با دقت زیادی نشان داده میشوند. در واقع، این تائید میکند که مدلهای فازی تاگاکی سوگنو تقریب سازهای غیر جهانی از هر سیستم غیر خطی همواری میباشند [20]. زمانی که سیستم منطق فازی درون طرح کنترل تطبیقی ترکیب میشود، کنترلر تطبیقی فازی پایدار به دست آمده در محیطهای پیچیده استفاده میشود که اختلالات را در پارامترهای نیروگاه تحمیل میکنند. در چنین محیط های، این کنترلر بصورت آنلاین برای اصلاح و تنظیم خودکار پارامترهای کنترل مورد استفاده قرار میگیرد [17].
اساسا، کنترلرهای فازی تطبیقی برای سیستمهای غیر خطی MIMO و SISO ناشناخته توسعه می یابند اما آنها تنها در سیستمهای غیر خطی محدود میشوند که در آن حالتها اندازهگیری میشود [21]. سیستم کنترل فازی در [22] به منظور کنترل نسبت اینرسیایی LOS پیاده سازی می شود. [23] کنترلر منطق فازی تمام ماتریس بهینه برای خط دید آینه ژیروسکوپ پلتفرم تثبیت ساز را معرفی میکند. سیستم استنتاج فازی نورو تطبیقی (ANFIS) و کنترلر مبتنی بر منطق فازی در [19-24] برای سرعت کنترل موتور سروو DC ارائه میشود.
در [25]، مطالعه مقایسه ای از کنترلرهای ANFIS PID هیبریدی و، ANFIS، PID برای کنترل سرعت موتور جریان مستقیم بدون جاروب انجام میشود. در این مقاله، تکنیک فازی نوع PID خود تنظیم شونده برای سیستم طوقه دو محوره معرفی میشود که مدل ریاضیاتی آن بطور کامل با استفاده از معادلات لاگرانژ با در نظر گرفتن کوپلینگ چلیپائی بین دو شبکه، عدم تعادل دینامیکی، و شتاب های زاویه دار پایه، ایجاد میشود. اهداف کنترل عمدتا دستیابی به گذار خوب و عملکرد حالت پایدار با توجه به مرحله سفارشات ورودی است.
مشارکتهای این مقاله به شرح زیر خلاصه سازی میشود:
مدل کامل سیستم طوقه دو محوره با این فرض ایجاد می شود که طوقه ها دارای عدم تعادل حجم هستند و همچنین تمامی توزیعات اینرسیایی و کوپلینگ چلیپائی نیز در نظر گرفته میشود. پس، کنترلر فازی انطباقی قابل کاربرد با استفاده از الگوریتم تنظیم ساده طراحی میشود که بصورت قابل توجهی از حد خارج شدن بدون افزایش قابل توجه در مقدار زمان صعود را کاهش میدهد. مقاله به این حالت زیر سازماندهی میشود. در بخش 2، مسئله فرمول بندی میشود و معادلات حرکت طوقه ها در بخش 3 ایجاد میشود. پس از آن، حلقه پایاسازی ادغام و در بخش 4 ایجاد میشود. سپس، در بخش 5 کنترلر فازی ارائه شده طراحی میشود. نتایج شبیه سازی در بخش 6 معرفی میشود. در نهایت، یادآوری های نتیجه گیری در بخش 7 ارائه میشود.