رساله دکترا طراحی و پیاده سازی کنترلگر موقعیت برای روبات کشسان‌مفصل با لحاظ مسئلة اشباع عملگر

اختصاصی از یارا فایل رساله دکترا طراحی و پیاده سازی کنترلگر موقعیت برای روبات کشسان‌مفصل با لحاظ مسئلة اشباع عملگر دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات:157

فهرست مطالب:
فهرست مطالب    ‌أ
فهرست اشکال    ‌د
فهرست جداول    ‌ز
1-    مقدمه    1
1-1-    جایگاه روباتهای کشسان‌مفصل در مهندسی کنترل    1
1-2-    مشکلات کنترل روباتهای کشسان‌مفصل    3
1-3-    کنترل با وجود محدودیت دامنه    4
1-4-    نوآوریهای این پژوهش    6
1-5-    نمای کلی رساله    7
2-    مروری بر پژوهشهای قبلی و بیان چالشها    9
2-1-    کنترل روباتهای کشسان‌مفصل    9
2-1-1-    پژوهش‌های اولیه    10
2-1-2-    ادامة خط اولیه    12
2-1-3-    ارتقای مدل    14
2-1-4-    پیشنهادات مختلف برای کنترل    15
2-1-5-    کمیت‌های فیدبک شده و تقلیل اندازه‌گیری‌ها    15
2-1-6-    کنترل تطبیقی    17
2-1-7-    کنترل مقاوم و پایداری    18
2-1-8-    پیاده‌سازی عملی    20
2-1-9-    جمعبندی و بیان چالشها    22
2-2-    مسئلة اشباع عملگر و روشهای برخورد با آن    22
2-2-1-    مشکلات ناشی از اشباع    23
2-2-2-    روشهای عمومی برخورد با مسئلة اشباع    25
2-2-3-    روشهای بهینه و مقاوم در برخورد با اشباع    26
2-2-4-    روشهای تعدیلی    27
2-2-5-    مسئلة اشباع در روباتها    29
3-    حلقة ناظر فازی، روشی برای برخورد با مسئله اشباع عملگر    32
3-1-    بیان مسئله    33
3-2-    معرفی روش    35
3-3-    مزایای روش پیشنهادی    37
3-4-    استفاده از حلقة ناظر بر روی دو سیستم عمومی    39
3-4-1-    سیستم ناپایدار دو ورودی-دو خروجی    40
3-4-2-    سیستم دارای تأخیر    43
3-5-    نکات عملی در طراحی    46
4-    مسئلة اشباع در FJR و استفاده از روش حلقة ناظر برای برخورد با آن    48
4-1-    مدلسازی روباتهای کشسان‌مفصل    48
4-1-1-    کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای کنترل FJR ها    53
4-2-    استفاده از حلقة ناظر در ساختار ترکیبی برای FJR    57
4-3-    بررسی عملکرد روش ارائه شده با شبیه‌سازی    58
4-4-    اثبات پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر»    62
4-4-1-    پایداری زیر سیستم تند    64
4-4-2-    لم‌های مورد نیاز برای اثبات پایداری    67
4-4-3-    اثبات پایداری سیستم کامل    71
5-    نگاه دوم: روشهای بهینة H و H2 برای مقابله با اثرات اشباع در FJR    76
5-1-    طراحی با رویکرد حساسیت مخلوط    79
5-2-    طراحی با رویکرد H2 /H    81
5-3-    بررسی کارایی روشهای ارائه شده    82
6-    پیاده‌سازی عملی    90
6-1-    معرفی مجموعة آزمایشگاهی ساخته شده    91
6-1-1-    سخت‌افزار الکترومکانیکی    91
6-1-2-    نرم‌افزار    95
6-2-    مدل پارامتریک سیستم    98
6-3-    تخمین پارامترهای سیستم    100
6-4-    نتایج پیاده‌سازی    104
6-4-1-    کنترل ترکیبی    107
6-4-2-    کنترل ترکیبی تحت نظارت ناظر فازی    109
7-    نتایج و تحقیقات آتی    114
پیوست الف: کنترل ترکیبی و رویکرد رویة ناوردا برای FJR چند محوره    118
پیوست ب: طراحی کنترل بهینة چند‌منظوره مبتنی بر نرم H با تبدیل به LMI    127
پیوست ج: راهنمای کار با جعبه‌ابزار زمان حقیقی نرم‌افزار MATLAB    132
پیوست د: راهنمای فنی روبات خواجه‌نصیر    137
پیوست هـ : نتایج بیشتری از پیاده‌سازیها    140
واژه‌نامه انگلیسی به فارسی    145
واژه‌نامه فارسی به انگلیسی    146
مقالات استخراج شده از این پژوهش    147
مراجع    149



 
فهرست اشکال
شکل ‏1 1- بازوی ایستگاه فضایی بین‌المللی    3
شکل ‏1 2- دست 4 انگشتی DLR و  میکرو‌هارمونیک‌درایو به کار رفته در آن    3
شکل ‏2 1- ساختار ارائه شده در مقالة [108] برای مقابله با اشباع    28
شکل ‏3 1- سیستم حلقه بسته    34
شکل ‏3 2- ساختار حلقه بسته با حضور حلقة ناظر    34
شکل ‏3 3- تعریف متغیرهای زبانی برای دامنة سیگنال کنترل    36
شکل ‏3 4- تعریف متغیرهای زبانی برای مشتق سیگنال کنترل    36
شکل ‏3 5- تعریف متغیرهای زبانی برای بهرة ضرب شده در خطا    36
شکل ‏3 6- نگاشت غیر خطی معادل با منطق مورد استفاده    38
شکل ‏3 7- خروجیها در حالت Sat    41
شکل ‏3 8- خروجی اول در دو شبیه‌سازی Fuz و NoSat    42
شکل ‏3 9- خروجی دوم در دو شبیه‌سازی Fuz و NoSat    42
شکل ‏3 10- مقدار بهره در شبیه‌سازی Fuz    42
شکل ‏3 11- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة 5/0    44
شکل ‏3 12- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة 7/0    44
شکل ‏3 13- خروجی سه حالت NoSat، Sat و Fuz برای ورودی مرجع با دامنة 9/0    44
شکل ‏3 14-  مقدار بهرة اعمال شده توسط ناظر برای ورودی مرجع با دامنة 9/0    45
شکل ‏3 15- اثر حلقة ناظر بر دامنة کنترل برای ورودی مرجع با دامنة 9/0    45
شکل ‏4 1- روبات کشسان‌مفصل یک درجه آزادی    53
شکل ‏4 2- ساختار کنترل ترکیبی برای FJR    57
شکل ‏4 3- نحوة استفاده از حلقة ناظر برای FJR    58
شکل ‏4 4- ردیابی در حالت NoSat، بدون محدودیت عملگر و بدون ناظر    60
شکل ‏4 5- ناپایداری ناشی از اشباع با کران  = 830 در حالت Sat    60
شکل ‏4 6- ردیابی در حالت Fuz با کران اشباع به اندازة  = 830    61
شکل ‏4 7- مقدار  در حالت Fuz با کران اشباع به اندازة  = 830    61
شکل ‏5 1- نمودار حلقه بستة سیستم با عدم قطعیت ضربی در ورودی    78
شکل ‏5 2- چگونگی وزن‌دهی سیگنالها برای مسئلة حساسیت مخلوط    79
شکل ‏5 3- مدلهای شناسایی شده (P1 تا P20) و مدل نامی P0    83
شکل ‏5 4- چگونگی اختیار کران بالای عدم قطعیت    84
شکل ‏5 5- نمودارهای بود دو کنترلگر    86
شکل ‏5 6- ردیابی برای ورودی مرجع سینوسی با  = 12    87
شکل ‏5 7- سیگنال کنترل برای ورودی مرجع سینوسی با  = 12    88
شکل ‏5 8- ناپایداری رویکردهای مختلف برای محدودیت دامنة  = 9    88
شکل ‏6 1- تصویر روبات مورد استفاده    90
شکل ‏6 2- چگونگی عملکرد هارمونیک درایو    91
شکل ‏6 3- نمودار بلوکی روبات مورد استفاده    92
شکل ‏6 4- تصویر مفصل کشسانِ ساخته شده    94
شکل ‏6 5- مدل بلوکی بازوها    95
شکل ‏6 6- مدل مورد استفاده برای اعمال ولتاژ به موتور دوم    96
شکل ‏6 7- مدل مورد استفاده برای خواندن کدگذار سوم    97
شکل ‏6 8- بازوی یک درجه با جعبه دنده    98
شکل ‏6 9- دیاگرام بلوکی دینامیک بازوی یک محوره    99
شکل ‏6 10- زاویة اندازه‌گیری شدة بازوی دوم و مقدار شبیه‌سازی شدة آن    103
شکل ‏6 11- زاویة اندازه‌گیری شدة موتور دوم و مقدار شبیه‌سازی شدة آن    103
شکل ‏6 12- کنترل حلقه بستة PD برای بازوی دوم با اندازه‌گیری مکان عملگر    104
شکل ‏6 13- رفتار بازو با کنترل PD صلب برای ورودی سینوسی    105
شکل ‏6 14- کنترل حلقه بستة PD برای بازوی دوم با اندازه‌گیری مکان بازو    106
شکل ‏6 15- رفتار بازوی دوم با کنترل PD صلب با اندازه‌گیری مکان بازو    106
شکل ‏6 16- رفتار بازو با سوییچ کردن کنترل ترکیبی و کنترل صلب    107
شکل ‏6 17- رفتار بازو با کنترل ترکیبی با بهره بالا    108
شکل ‏6 18- دامنة کنترل در روش کنترل ترکیبی    109
شکل ‏6 19- چگونگی پیاده‌سازی منطق نظارت    109
شکل ‏6 20- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 20Sin(2t) برای نقطه کار 180 درجه    111
شکل ‏6 21- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة 20 برای نقطه کار 0 درجه    112
شکل ب 1- دیاگرام بلوکی مسألة مخلوط H2/H    127
شکل ج 1- چگونگی نصب کارت جدید    134
شکل ج 2- تنظیمات مربوط به بلوکهای ورودی یا خروجی    134
شکل ج 3- تنظیم پارامترهای شبیه سازی    135
شکل ج 4- تنظیم پارامترهای زمان حقیقی    135
شکل ج 5- تولید کد C ، ارتباط با پورت ، اجرای برنامه    136
شکل د 1- نمایی از رابط کاربر برنامة FjrInit.exe    139
شکل ه  1- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 40Sin(2t) برای نقطه کار 180 درجه    140
شکل ه  2- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 20Sin(4t) برای نقطه کار 0 درجه    141
شکل ه  3- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال 20Sin(2t) برای نقطه کار 90- درجه    142
شکل ه  4- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة 20 برای نقطه کار 0 درجه    143
شکل ه  5- اثر حلقة ناظر بر ردیابی سیگنال مربعی با دامنة 20 برای نقطه کار 0 درجه – با میرایی    144



 
فهرست جداول
جدول ‏2 1- اولین مقالات ارائه شده در مورد روباتهای کشسان‌مفصل    10
جدول ‏2 2- مقالاتی که خط اولیه را پی گرفته‌اند.    13
جدول ‏3 1- قواعد فازی    37
جدول ‏4 1- کران کمینة قابل قبول برای دو حالت Sat و Fuz    60
جدول ‏4 2- نرمهای خطا برای دو حالت Sat و Fuz به ازای مقادیر مختلف     61
جدول ‏5 1- مقادیر min برای ورودیهای مختلف    89
جدول ‏6 1-ضریب کشسانی اندازه‌گیری شده برای نقطة کار 90 درجه    102
جدول ‏6 2-ضریب کشسانی اندازه‌گیری شده برای نقطة کار 90- درجه    102
جدول ‏6 3-پارامترهای شناسایی شده    102
جدول ‏6 4-پارامترهای محاسبه شده    102
جدول د 1- مشخصات موتور اول    137
جدول د 2- مشخصات موتور دوم همراه با جعبه دنده    137
جدول د 3- مشخصات هارمونیک‌درایو    137
جدول د 4- مشخصات سیگنالهای اعمال شده از رایانه به روبات    138
جدول د 5- مشخصات سیگنالهای اندازه‌گیری شده توسط رایانه    138

چکیده

در این پژوهش مسئلة کنترل روبات کشسان‌مفصل با لحاظ محدودیت اشباع عملگر مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. بدین منظور با استفاده از دو رویکرد مختلف روشهایی برای حل آن ارائه شده است. در ادامه با استفاده از شبیه‌سازیهای مختلف عملکرد روشهای ارائه شده بررسی و سپس پایداری مقاوم ساختار پیشنهادی به صورت نظری اثبات شده است. در پایان صحت ادعاهای نظری با پیاده‌سازی عملی بر روی یک روبات کشسان‌مفصل دو درجه آزادی مورد تأیید قرار گرفته است.
     در این پژوهش دو مجموعه نوآوری به انجام رسیده است. در مجموعة اول ابتدا یک روش کلی با عنوان «حلقة ناظر» برای برخورد با مسئلة اشباع ارائه شده است. این روش بر روی سیستمهای مختلفی پیاده شده تا نشان داده شود که مستقل از مدل می‌باشد. سپس یک ساختار کنترل ترکیبی همراه با حلقة ناظر برای روباتهای کشسان‌مفصل ارائه شده تا نشان داده شود که روش ارائه شده برای کاربرد اصلی مورد نظر پروژه (یعنی روبات کشسان‌مفصل) عملکرد مناسبی را در حضور اشباع ایجاد می‌کند. در ادامة این پژوهش به اثبات نظری پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر» پرداخته‌ایم. سپس برای اینکه قابلیت پیاده‌سازی روش ارائه شده نشان داده شود آن را بر روی یک روبات کشسان‌مفصل که در راستای همین پژوهش طراحی و ساخته شده است پیاده نموده‌ایم.
     مجموعه نوآوری دوم ارائة رویکرد دیگری برای مقابله با اثرات اشباع در روباتهای کشسان‌مفصل بر پایة روشهای بهینة چند منظوره مبتنی بر نرمهای H2 و H است. در این روشها برای مقاوم بودن کنترلگر از بهینه‌سازی H سود جسته و برای کم کردن دامنة کنترل و جلوگیری از اشباع عملگر، نرم سیگنال کنترلی نیز در فرایند بهینه‌سازی در نظر گرفته شده است. برای طراحی عددی از تبدیل مسئله به LMI و روشهای عددی متناظر با آن استفاده شده است. همچنین جهت نشان دادن کاراییِ روش در عمل، پیاده‌سازی آن بر روی روبات مذکور انجام پذیرفته است.

کلمات کلیدی: روبات کشسان‌مفصل، اشباع عملگر، کنترل ترکیبی، حلقة ناظر، روش کنترل H2/H∞، منطق فازی.
 

 
1-    مقدمه
در این فصل با ورود به دنیای «روباتهای کشسان‌مفصل» و بررسی مشکلات کنترل آنها و سپس با بررسی وجوه گوناگون مسئلة «محدودیت دامنة کنترل» زمینه‌های لازم برای بیان چالشهای موجود را فراهم آورده‌ایم. بدین ترتیب به بیان انگیزه و ضرورت انجام این پژوهش پرداخته و در پایان به معرفی اجمالی نوآوریهای این پژوهش خواهیم پرداخت.
1-1-    جایگاه روباتهای کشسان‌مفصل در مهندسی کنترل
طراحی کنترل برای روباتها از اوایل دهه 1970 توجه مهندسان کنترل را به خود جلب کرد و کم‌کم روباتها در کاربردهای متنوعی مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه روباتهای چند‌محوره در کاربردهای مختلف فضایی، صنعتی و غیره به کار گرفته شده‌اند که اغلب با کنترلگرهای متداول مانند PID کار می‌کنند و می‌توان ادعا کرد که مسئلة کنترل مکان برای روباتهای صلب امروزه به طور مناسبی فهمیده و حل شده است [ ]. اما رفته‌رفته در اثر جایگزینی روباتهای متداول با روباتهای جدید که کوچکتر، سبکتر، سریعتر و باهوشتر هستند دیگر کنترلگرهای متداول پاسخ مناسبی به نیازهای کنترلی روباتها نداده و مسائل جدیدی در مهندسی کنترل رخ می‌نماید. می‌توان نشان داد که در اغلب کاربردهای جدید مانند روباتهای پیشرفتة فضایی، روباتهای خدمتکار، سیستم‌های پس‌خورانندة نیرو ، دستها و بازوهای ماهر روباتیکی [ ] و ریزروباتها ، مسئلة مشترک اصلی برای کنترل روباتها «کشسانی مفاصل» است. در اغلب موارد، کشسانی نتیجة ذاتی القا شده از طرف ساختار روبات می‌باشد؛ اما در مواردی نیز کشسانی عمداً به روبات اضافه می‌شود. تا چندی پیش رویکرد طراحی روباتها «هرچه صلب‌تر بهتر» بود و این رویکرد نه به خاطر نارسایی روباتهای کشسان، بلکه به خاطر سادگی کنترل در روباتهای صلب اتخاذ می‌شد [ ،   و  ]؛ اما امروزه این رویکرد کمرنگ شده است زیرا در واقع صلب بودن و کشسانی هر کدام مزیتهای خود را دارند. در عملگرهای صلب پهنای باند بالایی برای اعمال نیرو وجود دارد که کنترل را ساده می‌کند؛ از طرف دیگر اگر از عملگرهای کشسان استفاده شود کنترل نیروی پایدار و کم‌نویز به علاوة ایجاد ایمنی در تعامل با اشیای خارجی و برخوردهای اتفاقی را خواهیم داشت [  و  ].
منشأ ایجاد کشسانی در مفاصل، اغلب سیستم انتقال توان می‌باشد اگر در آن از عناصری مانند ‌هارمونیک‌درایو، تسمه (مانند روبات RTX [ ]) یا محورهای بلند [ ] استفاده شده باشد. علاوه بر سیستم انتقال توان، حسگرهای گشتاور و یا برخی عملگرها [6، 7،  ] نیز می‌توانند منشأ کشسانی ‌باشند. از نظر تعداد، در اغلب روباتهای کشسان‌مفصل  (FJR) منشأ ایجاد کشسانی ‌هارمونیک‌درایو است (مثلاً در بازوی ایستگاه فضایی بین‌المللی (شکل ‏1 1)، دست روباتیکی ساخته شده در مرکز فضایی آلمان (شکل ‏1 2) و روبات صنعتی GE-P50 [ ]) و دیگر موارد ذکر شده به صورت انگشت‌‌شمار رخ‌ می‌نمایند. (برای آشنایی عمومی با ‌هارمونیک‌درایو به مرجع [ ] رجوع نمایید).
 
شکل ‏1 1- بازوی ایستگاه فضایی بین‌المللی    
شکل ‏1 2- دست 4 انگشتی DLR و
میکرو‌هارمونیک‌درایو به کار رفته در آن
1-2-    مشکلات کنترل روباتهای کشسان‌مفصل
همانطور که دیدیم استفاده از روباتهای کشسان مسئله‌ای غیر قابل اجتناب است؛ اما این کار مشکلات کنترلی خاص خود را به وجود خواهد آورد. در [11] نشان داده شده است که به‌کارگیری الگوریتم‌های کنترلی که با فرض صلبیت طراحی شده‌اند برای برخی روباتهای واقعی که کاملاً صلب نیستند باعث ایجاد محدودیت در عملکرد روبات می‌شود. در این مقاله همچنین به طور تجربی نشان داده شده است که در یک روبات خاص (روبات P50 از کارخانه General Electric) کشسانی مفاصل منجر به ایجاد مودهای نوسانی با میرایی کم در پاسخ حلقه باز می‌شود. شبیه به این نتایج در دیگر روباتها نیز مشاهده می‌شود؛ مثلاً در بازوهای هیدرولیکی بخاطر نرمی خطوط هیدرولیکی و تراکم پذیری روغن مورد استفاده، در فرکانس تشدید، روبات خوش‌رفتار نیست و این واقعیت روی الگوریتمهای کنترلیِ صلب محدودیت پهنای باند می‌گذارد و ممکن است حتی منجر به ناپایداری شود [3]. از طرف دیگر در [ ] نشان داده شده است که یک روبات کشسان سه محوره قابل خطی‌سازی با فیدبک نیست و کنترل آن روشهای جدیدی می‌طلبد. به طور کلی امروزه پذیرفته شده است که روشهای صلب جوابگوی تمامی نیازهای کنترلی در روباتیک نیستند و در نظر گرفتن خاصیت کشسانی از اهمیت بالایی برخوردار است.
کار بر روی کنترل روباتهای کشسان‌مفصل از اوایل دهه 80 آغاز شده است و هنوز ادامه دارد. دیدگاههای متنوعی در دو دهة گذشته برای برخورد با مسئلة کشسانی در مفاصل ارائه شده‌اند و صدها مقاله در این زمینه را می‌توان در میان منابع یافت. به طور کلی این مقالات را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: مقالات تحلیل و مقالات طراحی. در دستة اول نویسندگان به مباحثی چون مدلسازی روباتهای کشسان‌مفصل، بیان پایه‌های ریاضی مورد استفاده، بررسی خواص این روباتها، تحلیل پایداری و غیره پرداخته‌اند. در دستة دوم نویسندگان صرفاً به طراحی کنترل برای یکی از مدلهای ارائه شده پرداخته‌اند که در میان این مقالات به انواع روشهای کنترلی کلاسیک، مدرن، هوشمند، خطی، غیرخطی، مقاوم، تطبیقی و … بر می‌خوریم. در بخش ‏2-1- پویش جامعی از کارهای انجام شده در این زمینه را ارائه خواهیم کرد. در یک کلام نتیجه‌ای که با مرور ادبیات موضوع می‌توان به آن رسید این است که در واقع بسیاری از مشکلات کنترل روباتهای کشسان‌مفصل بررسی شده‌اند اما جنبه‌های عملی مسئله خیلی کم مورد توجه قرار گرفته‌اند و اغلب مقالات با مدلهایی کار کرده‌اند که در استخراج آنها فرضهای ساده کننده (و شاید غیر واقعی) زیادی به کار رفته است. بیشتر مقالات کارایی روش پیشنهادی خود را توسط شبیه‌سازی آزموده‌اند و تنها در موارد معدودی به پیاده‌سازی بر می‌خوریم. حتی مسئلة اشباع عملگرها که از متداولترین مشکلات عملی کنترل است تقریباً در هیچ مقاله‌ای در نظر گرفته نشده است. در این پژوهش این کاستی‌ها مورد بررسی، تعریف دقیق و حل قرار گرفته‌اند.
1-3-    کنترل با وجود محدودیت دامنه
از ابتدای شکل‌گیری مهندسی کنترل به صورت امروزی، بحث محدودیت دامنة کنترل و
اشباع شدن عملگرها به دلیل گریزناپذیر بودن مواجهه با آن و جدی بودن مشکلات ناشی از آن، مطرح بوده است. در دهه‌های 50 و 60 همزمان با شکوفایی کنترل بهینه پژوهشگران به محدودیت ناشی از اشباع عملگر نیز نظر داشته‌اند [به عنوان نمونه  ،  ،  ]. نتیجة آن پژوهشها به صورت روشهایی از خانوادة bang-bang امروزه در کتب درسی کنترل بهینه جمعبندی شده‌اند و قدمت و حجم پژوهش در این زمینه چنان بوده است که کتب و ویژه‌نامه‌های بسیاری در این باره منتشر شده است [ ،  ،   و...]. پس از گذشت چند دهه، در دهة اخیر شاهد رویکرد مجددی به مسئلة اشباع هستیم و این واقعیت نشان می‌دهد که هنوز این مسئله به طور کامل حل نشده است و از وجوه گوناگون جای کار دارد. شاهد این مدعا علاوه بر حجم کثیر مقالات در سالهای اخیر، می‌تواند گفتة صابری، Lin و Teel (که هر کدام صاحب مقالات (و کتب) متعددی در این زمینه هستند) در مقالات [ ،   و  ] باشد که به این واقعیت اذعان داشته‌اند. در واقع چند دهه قبل مهندسان کنترل در پی «رفع مانعی به نام اشباع عملگر» بودند که این مسئله تا حد زیادی از حالت مانع بودن خارج شد. امروزه پژوهشگران بیشتر در پی «حفظ عملکرد در حضور محدودیتی به نام اشباع» هستند.
مشکلات ناشی از اشباع شدن عملگر(ها) را به طور کلی می‌توان سه دسته نمود: کوک‌شدگی ، ناپایداری و تغییر جهت بردار کنترل. بویژه مشکل ناپایداری نه تنها در تمام سیستمها بسیار جدی است بلکه در فصل ‏4- نشان خواهیم داد که در روباتهای کشسان‌مفصل نیز این مشکل رخ می‌دهد و مهمترین کاستی در آخرین روشهای ارائه شده برای کنترل این روباتها (که با فرض عدم وجود محدودیت دامنه ارائه شده‌اند) همین مشکل است. در این پژوهش برای رفع این مشکلات با جلوگیری از رخ دادن اشباع چاره‌اندیشی شده است.

1-4-    نوآوریهای این پژوهش
در این بخش به اجمال نوآوریهای این پژوهش را معرفی خواهیم کرد. در این پژوهش دو مجموعه نوآوری به انجام رسیده است. در مجموعة اول ابتدا یک روش کلی با عنوان «حلقة ناظر» برای برخورد با مسئلة اشباع ارائه گشته است [‏C8]  که سه ویژگی مهم دارد: 1) وابسته به مدل نیست، 2) خارج از ساختار اصلی کنترل سیستم قراردارد و به همین دلیل خواص نظری اصلی سیستم را بر هم نمی‌زند، و 3) محاسبات برخط  پیچیده‌ای ندارد و در عمل به سهولت قابل پیاده‌سازی می‌باشد. این روش بر روی سیستمهای مختلفی پیاده شده است تا نشان داده شود که مستقل از مدل می‌باشد (ویژگی اول) [‎C9]. سپس یک ساختار کنترل ترکیبی  با رویکرد رویة ناوردا  همراه با حلقة ناظر برای روباتهای کشسان‌مفصل ارائه شده است تا نشان داده شود که روش ارائه شده برای کاربرد مورد نظر اصلی پروژه (یعنی FJR) عملکرد مناسبی را در حضور اشباع ایجاد می‌کند [‎J1 و ‎C6]. ساختار ترکیبیِ به کار گرفته شده در عدم حضور اشباع دارای اثبات نظری پایداری است اما نشان داده‌ایم که در حضور اشباع ناپایدار می‌گردد [‎C7]. در این پژوهش به اثبات نظری پایداری برای ساختار «ترکیبی + ناظر» پرداخته‌ایم [‎C2، ‎C5 و ‎J3] و بدین ترتیب نشان داده‌ایم که تعمیم خواص نظری سیستم در حضور حلقة ناظر بدون مشکل امکانپذیر است (ویژگی دوم). در ادامه برای اینکه قابلیت پیاده‌سازی روش ارائه شده (ویژگی سوم) نشان داده شود آن را بر روی یک روبات کشسان‌مفصل که در راستای همین پژوهش طراحی و ساخته شده است پیاده نموده‌ایم.
مجموعه نوآوری دوم ارائة رویکرد دیگری برای مقابله با اثرات اشباع بر پایة روشهای بهینة چند منظوره مبتنی بر نرمهای H2 و H است که به دو روش منتهی می‌شود [‎C4]. در این روشها برای مقاوم بودن کنترلگر از بهینه‌سازی H سود جسته و برای کم کردن دامنة کنترل و جلوگیری از اشباع عملگر، نرم سیگنال کنترلی را نیز در فرایند بهینه‌سازی وارد کرده‌ایم. برای طراحی عددی از تبدیل مسئله به LMI و روشهای عددی متناظر با آن بهره برده‌ایم. تمام مراحل اعم از ارائة ایدة اولیه، تعریف مسئله منطبق بر نیازهای FJR بر مبنای آن ایده، چاره‌جویی برای نکات عملی در طراحی کنترلگر، طراحی کنترلگر و در نهایت نشان دادن کاراییِ روش با پیاده‌سازی آن بر روی یک سیستم ساده، در قالب این مجموعه نوآوری انجام پذیرفته است.
در ادامه بندهای مختلفی را که در دو مجموعه نوآوری فوق ذکر نمودیم دوباره برمی‌شمریم:
-    ارائة روش حلقة ناظر برای مقابله با اثرات اشباع
-    استفاده از روش نظارتی برای FJR
-    اثبات پایداری روش نظارتی در یک ساختار کنترل ترکیبی برای FJR
-    ارائة دو روش بهینة مبتنی بر نرمهای H2 و H برای مقابله با اثرات اشباع در FJR
-    تعیین صحت و قابلیت پیاده‌سازی با انجام پیاده‌سازی عملی بر روی یک نمونه
در فصلهای آینده به تشریح این موضوعات خواهیم پرداخت.
1-5-    نمای کلی رساله
این رساله در 6 فصل تنظیم شده است. در فصل دوم به مرور ادبیات و تحقیقات انجام شده خواهیم پرداخت. در فصل سوم روش حلقة ناظر را که در این پژوهش برای برخورد با مسئلة اشباع ارائه شده است خواهیم شکافت. در فصل چهارم روش حلقة ناظر را در یک ساختار کنترل ترکیبی برای برخورد با مسئلة اشباع در FJR به کار گرفته و به تشریح وجوه مختلف آن خواهیم پرداخت. در فصل پنجم با دو روش دیگر که بر مبنای بهینه‌سازی H∞ و H2 برای برخورد با مسئلة اشباع در FJR ها ارائه شده است آشنا خواهیم شد. فصل ششم به ارائة نتایج پیاده‌سازی بر روی روبات کشسان‌مفصلی که در آزمایشگاه گروه روباتیک ارس دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی ساخته شده است اختصاص دارد. نهایتاً در فصل آخر به جمعبندی و ارائة پیشنهاداتی برای ادامة پژوهش می‌پردازیم.
خلاصه فصل
در این فصل با انگیزه و ضرورت انجام این تحقیق آشنا شده و به معرفی اجمالی نوآوریهای این پژوهش پرداختیم.