مجموعه آموزش مهندسی کنترل

درس «سیستم های کنترل خطی» در مقطع کارشناسی مهندسی برق و مکانیک به دانشجویان ارائه می شود و از جمله دروس مهمی است که در آزمون های ورودی به مقطع کارشناسی ارشد و دکترای تخصصی، مطرح می شوند. تسلط بر این درس، علاوه بر ضرورتی که از نظر درسی در طول دوران تحصیل دارد، نقش بسیار مهمی را در موفقیت در آزمون های ورودی تحصیلات تکمیلی بر عهده دارد. مرجع این آموزش ویدئویی کتاب کنترل خطی، تالیف آقای دکتر خاکی صدیق است.

کنترل خطی، یکی از درس های مهم مهندسی کنترل است که در مقطع کارشناسی ارائه می شود و به طراحی کنترل کننده های خطی می پردازد. برای طراحی یک کنترل کننده خطی مناسب به یک مدل مناسب از پلانت تحت کنترل و سپس یک راه حل سیستماتیک برای تنظیم پارامترهای کنترلر نیاز داریم، در نتیجه در این فرادرس ابتدا روش های مدل سازی پلانت های واقعی و سپس تحلیل ویژگی های زمانی و فرکانسی پلانت ها و در نهایت گام های لازم برای طراحی کنترل کننده ها در حوزه زمان و فرکانس، تمرین می شود و سعی خواهیم کرد از طریق حل مساله های متنوع درس کنترل خطی را آموزش دهیم و برای درک بیشتر اهمیت کنترل، اغلب تمرین ها را طوری انتخاب کرده ایم که کاربرد عملی و صنعتی داشته باشند.

مجموعه فرادرس های کاربرد متلب در مهندسی کنترل به عنوان یک مجموعه آموزشی کامل است که شامل تقریبا ۱۶ ساعت فیلم آموزشی ناب به زبان فارسی است.

با پیشرفت علم کنترل و نیاز به محاسبات کامپیوتری، برای اینکه الگوریتم ها برای کامپیوتر بیشتر قابل درک باشند، به فضای ماتریسی روی آورده شد. از همین رو در کنترل مدرن بر خلاف کنترل کلاسیک از فضای حالت ماتریسی سیستم ها استفاده می شود.

در این فرادرس، که محتوای آن به صورت کاملا عملی و به زبان فارسی روان تهیه شده است، با استفاده از برخی توابع موجود در جعبه ابزار سیستم های کنترل (Control System Toolbox) از نرم افزار متلب (MATLAB) و یاری گرفتن از کدهای الگوریتم های بهینه سازی مذکور، برنامه هایی برای طراحی کنترل کننده PID برای سیستم های خطی پیاده سازی شده است. در طراحی کنترل کننده PID از خواص پاسخ پله سیستم حلقه بسته (مانند: زمان نشست (Settling Time) و درصد فراجهش (Overshoot)) استفاده شده است. همچنین از موقعیت قطب های سیستم حلقه بسته نیز در ارزیابی کیفیت کنترل کننده PID بهره گرفته شده است.

تئوری کنترل بهینه که امروزه نقش خیلی مهمی در طراحی کنترلرهای مدرن دارد، با اهداف بیشینه سازی عملکرد یک سیستم همزمان با کمینه سازی هزینه سیستم، هم از نظر مصرف انرژی و هم از نظر اقتصادی مورد استفاده قرار می گیرد. به عبارت دیگر، هدف کنترل بهینه، تعیین سیگنال های کنترلی به نحوی است که علاوه بر اینکه قیدهای حاکم بر پلانت رعایت شود، یک تابع معیار نیز حداقل گردد. تابع معیار می تواند میزان سوخت مصرفی، خطای ردیابی و یا هزینه پروسه باشد. در این آموزش، در قالب هشت درس، کنترل بهینه آموزش داده خواهد شد.

در فرادرس آموزش طراحی و تنظیم ضرایب کنترل کننده PID با منطق فازی، رویکردی مشابه با کنترل کننده های تطبیقی و با تکیه بر توان استنتاج سیستم های فازی ایجاد شده است که در هر لحظه از زمان، برای مقادیر ضرایب کنترل کننده PID پیشنهادی به خصوص را دارد. این رویکرد، نوعی زمان بندی بهره یا Gain Scheduling است که وظیفه تعیین مقادیر بهره ها، بر عهده یک سیستم فازی است. این سیستم فازی، با دریافت خطا و مشتق خطا در هر لحظه از زمان، مقادیر ضرایب کنترل کننده PID را به صورت مناسبی محاسبه و در ساختار کنترل کننده جایگذاری می نماید.

کنترل مدل پیش بین، در دو دهه اخیر پیشرفت چشم گیری هم در حوزه تحقیقات و هم در حوزه کنترل پروسه های صنعتی پیدا کرده است. دلیل این موفقیت را می توان در توانایی بالای کنترل مدل پیش بین برای حل مشکلات کنترل پروسه های صنعتی در حوزه زمان دانست. کنترل مدل پیش بین، شاخه های مختلف مهندسی کنترل را اعم از: کنترل بهینه، کنترل تصادفی، کنترل چند متغیره، کنترل سیستم های تاخیردار و… را در بر می گیرد. یکی دیگر از ویژگی های مهم کنترل مدل پیش بین، طراحی مقید است که این امکان را فراهم می آورد تا کنترلی را طوری طراحی نمود که محدوده سیگنال های کنترلی تولید شده، کنترل شوند.

کاربرد نرم افزار Labview زمینه های مختلفی از پروژه های دانشجویی را در بر می گیرد. به کمک این آموزش الفبای کار با نرم افزار و نکات مرتبط با آن آموزش داده می شود و می توان در هر یک از کاربردهای تخصصی، از قبیل: پردازش سیگنال ها و تصاویر، کنترل سیستم ها، شبکه های کامپیوتری، رباتیک، ریاضیات، برنامه نویسی های سخت افزاری FPGA و…، از ابزارهای توانمند این نرم افزار استفاده نمود.

با توجه به افزایش سیستم های متغیر با زمان و دارای عدم قطعیت در دهه های اخیر و ناکارآمدی کنترل کننده های خطی، مقاوم، مدرن و…، استفاده از کنترل کننده تطبیقی افزایش چشمگیری داشته است، چرا که کنترل کننده های تطبیقی به راحتی می توانند هم سیستم های دارای عدم قطعیت و هم سیستم هایی که متغیر با زمان هستند (مانند هواپیما) را به خوبی مدیریت کنند. بنابراین، در این آموزش به دلیل اهمیت کنترل کننده تطبیقی به طراحی این کنترل کننده می پردازیم و روش های مختلف طراحی آن را بررسی می کنیم که بتوانیم هر سیستمی که شرایط های مختلفی داشت را به خوبی کنترل کرده و خروجی را به مطلوب طراح برسانیم.

درس کنترل خطی یکی از پایه ای ترین و مفهومی ترین دروس مقطع کارشناسی مهندسی برق، گرایش کنترل می باشد. در این درس با مفاهیم تئوری و ابزارهای لازم برای تحلیل و کنترل سیستم های کنترل خطی مانند کنترل سرعت و موقعیت موتورهای جریان مستقیم، کنترل دمای اتاق و... آشنا خواهید شد. کنترل کننده های خطی که در این درس ارائه می شوند مانند کنترل PID، کنترل پس فاز، کنترل پیش فاز و کنترل فیدبک حالت، به دلیل سادگی در پیاده سازی عملی آن، مهم ترین کنترلرهای صنعتی نیز بشمار می روند. در این مجموعه آموزشی با استفاده از نرم افزار متلب (MATLAB) مراحل لازم برای تحلیل و طراحی کنترل کننده های خطی ارائه خواهد شد و به عنوان مکملی در کنار درس کنترل خطی خواهد بود.

هدف از این فرادرس، درک نحوه کار سیستم های کنترلی موتورهای صنعتی و اجزای آن ها، نحوه انتخاب صحیح وسایل برای یک کاربرد خاص، قابلیت خواندن، طراحی نقشه کنترل موتور و طراحی و عیب یابی سیستم های کنترلی موتورها است. لازم به ذکر است که بخش هایی از این آموزش در برخی دانشگاه ها به عنوان درس سه واحدی مقطع کارشناسی ارشد در رشته های مهندسی برق، مکانیک، راه آهن، رباتیک و مکاترونیک تدریس می شود.

موتورهای الکتریکی، قلب تپنده اغلب صنایع امروزی هستند که بدون آن ها بسیاری از صنایع از کار خواهند افتاد. نحوه کنترل این موتورها، اینکه به چه صورت راه اندازی می شوند و با کدام ابزار، سرعت و گشتاور آن کنترل می شود، یکی از موضوعات بسیار مهم این حوزه است. با توجه به تنوع انواع موتورهای صنعتی و محیط های گوناگون استفاده از آن ها، این فرادرس براساس تجربیات عملی گسترده در حوزه کنترل موتورهای الکتریکی صنعتی طراحی شده است.

در مهندسی کنترل، اغلب الگوریتم های کنترلی که ارائه می شود بر مبنای مدل هستند، بدین معنی که یا ساختار کنترل کننده بر اساس مدل است و یا اینکه پارامترهای کنترل کننده وابسته به پارامترهای مدل پلانت هستند. در نتیجه برای کارکرد صحیح این قوانین کنترلی لازم است که مدل نسبتاً دقیق و مناسب از سیستم داشته باشیم. از طرفی اکثر پلانت های واقعی که در عمل با آن ها سروکار داریم را نمی توان با استفاده از روش های ریاضی و بر اساس قوانین فیزیکی حاکم بر پلانت، مدل سازی کرد. در این موارد ناچار هستیم که بر اساس داده های آزمایشگاهی که از پلانت گرفته می شود، یک مدل مناسب استخراج کنیم. در درس شناسایی سیستم ابزارهای لازم برای رسیدن به این هدف ارائه خواهد شد.

طراحی کنترل کننده های غیرخطی به مراتب از طراحی کنترل کننده های خطی سخت تر و نیازمند ریاضیات پایه ای قوی می باشد. در این مجموعه آموزشی مفاهیم پایه ای تحلیل سیستم های کنترل غیرخطی آموزش داده می شود.

کنترلرهای تناسبی، مشتقی، انتگرالی یا PID هنوز هم از رایج ترین کنترلرهای مورد استفاده در صنعت هستند به این دلیل که ساختاری ساده و نصب راحتی دارند. در بسیاری از کاربردهای واقعی، سیستم های کنترلی دارای پارامترهایی هستند که در طول زمان آهسته تغییر کرده یا دارای عدم قطعیت هستند. بنابراین کنترلر PID باید دوباره تنظیم شود تا تغییرات پارامترهای پلانت را جبران کند.

طراحی کنترل کننده های غیرخطی به مراتب از طراحی کنترل کننده های خطی سخت تر بوده و نیازمند ریاضیات پایه ای قوی است. در آموزش تحلیل سیستم های غیرخطی که در فرادرس منتشر شده است به ابزارهای لازم برای تحلیل و آنالیز سیستم های غیرخطی پرداختیم. در این فرادرس نیز در ادامه آموزش قبل با استفاده از ابزارات مختلف، نحوه طراحی کنترلر غیرخطی، برای رسیدن به سیستم حلقه بسته مناسب را ارائه می کنیم.

کنترل چند متغیره شاخه ای از مهندسی کنترل است که به بررسی و کنترل سیستم هایی می‌ پردازد که بیش از یک متغیر ورودی و خروجی دارند. روش های به کار رفته برای تحلیل و کنترل این سیستم ها، تعمیمی از روش های موجود در کنترل خطی و کنترل مدرن است. این آموزش دارای دو ویژگی ممتاز است، هم یک ابزار ارزشمند برای آن دسته از مهندسانی است که می خواهند کنترل چند متغیره، محدودیت های آن و نحوه کاربرد و پیاده سازی آن را در عمل و صنعت را درک کنند و همچنین، یک آموزش مفید برای دانشجویانی است که می خواهند بر مفاهیم و مسائل موجود در کنترل چند متغیره با حل مثال های متنوع مسلط شوند.

در آموزش کنترل دیجیتال ابتدا سعی می کنیم با ترمیم ایرادهای دانشجویان در فضای زمان پیوسته و رفع نواقص آن ها در بحث خطا، مکان هندسی ریشه ها و نمودار بودی و با افزودن ریزه کاری هایی همچون، زمان نمونه برداری و رویکرد نگاشت بین صفحه s و صفحه z، به دانشجو ارزش بالای درس ریاضیات مهندسی و کنترل خطی و سیگنال ها و سیستم ها را گوشزد کنیم و در نهایت بگوییم کنترل دیجیتال یعنی خلق یک شاهکار کنترلی با ترکیبی از سیگنال ها و سیستم ها، سیستم کنترل خطی، ریاضیات مهندسی و در یک کلام تئوری سیستم های خطی با ادبیات و زبان گسسته می باشد. یعنی دانشجو بتواند کنترل را لمس کند و نتیجه گیری کند که مهم ترین درس دوره کنترل ترکیب کنترل مدرن و کنترل دیجیتال است.

در این فرادرس به بررسی و نحوه طراحی یک کنترل گر پیش بین مبتنی بر مدل می پردازیم که برروی مورد آزمایشگاهی فرایند چهار مخزن شبیه سازی شده است. در ادامه آن به بحث کدنویسی این استراتژی با استفاده از نرم افزار متلب درحالت های چندمتغیره بدون قید می پردازیم و مباحثی نظیر اضافه کردن قید، کدنویسی با جعبه ابزار کنترل پیش بین (MPC Toolbox) و طراحی کنترل پیش بین صریح (Explicit Mpc) آموزش خواهیم داد.

در این آموزش، در ابتدا با چند نمونه از موتورهای صنعتی آشنا خواهیم شد. سپس به مبحث اندازه گیری موقعیت و سرعت موتور جریان مستقیم با استفاده از انکودر و سخت افزار آردوینو می پردازیم. در ادامه آموزش، انواع کنترلرها برای کنترل موقعیت و سرعت موتور معرفی خواهد شد و سیستم حلقه بسته در نرم افزار آردوینو به صورت عملی اجرا خواهد شد و در نهایت روش های فرمان دادن به موتور یعنی از طریق ارسال سیگنال آنالوگ، ارسال از طریق صفحه کلید و ارسال از طریق موبایل (بلوتوث موبایل) را ارائه خواهیم داد.

در این مجموعه آموزشی، پس از بررسی مدل ریاضی مدل دینامیکی سیستم تعلیق فعال خودرو، مساله کنترل مقاوم مربوط به طراحی کنترل کننده مناسب برای این سیستم بررسی شده و توسط دو الگوریتم بهینه سازی، به صورت عملی و گام به گام، در محیط نرم افزار متلب حل و بررسی شده است. مثال عملی مورد استفاده در این مجموعه آموزشی، طراحی یک سیستم تعلیق فعال خودرو یا Active Car Suspension System است، که موضوع این طراحی، به صورت یک مساله کنترل مقاوم بیان و با استفاده از الگوریتم ژنتیک و بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO) حل شده است. سیستم تعلیق خودرو، یکی از بخش های مهم خودروهای امروزی است که در طراحی آن، غالبا سه هدف اصلی مد نظر است، که این اهداف با بررسی مدل ریاضی سیستم، می توانند به صورت اهداف یک مساله کنترل مقاوم در نظر گرفته شوند و توسط یک کنترل کننده مقاوم، تامین شوند.

در درس سیستم های کنترل خطی (Linear Control Systems) به موضوع تحلیل سیستم های دینامیکی خطی و طراحی کنترل کننده برای این سیستم ها پرداخته می شود. روش هایی که در این درس مورد بررسی قرار می گیرند، روش های پایه ای و اساسی مهندسی کنترل هستند و پیش نیاز مهم سایر درس های رشته مهندسی کنترل محسوب می شوند.

یکی از معروف ترین و پرکاربرد ترین روش ها در طراحی کنترلرهای تطبیقی سیستم های تطبیقی خود تنظیم هستند. این کنترل گرها به دو صورت مستقیم و معکوس مورد پیاده سازی قرار می گیرند. در روش اول ابتدا دینامیک پلانت شناسایی می شود، سپس از حل یک مساله طراحی، پارامترهای کنترلر تعیین می شوند. و در روش دوم مستقیماً پارامترهای کنترلر تعیین می شوند.

در این مجموعه آموزشی سعی شده است که هم مباحث تئوری و هم مباحث شبیه سازی در نرم افزار مهندسی متلب، برای الگوریتم های کنترلی هوشمند مورد بررسی قرار گیرد. همچنین با در نظر گرفتن پلانت های معروف مثل روبات سه درجه آزادی و آونگ معکوس عملکرد الگوریتم های هوشمند مورد ارزیابی قرار می گیرد. مخاطبین این مجموعه آموزشی باید آشنایی لازم با شبکه های عصبی، فازی، کنترل غیرخطی و تطبیقی داشته باشند.

در این آموزش پس از مدل سازی فرآیندهای مختلف صنعتی و خطی سازی آن ها به طراحی کنترل کننده های مختلف برای این فرآیندها و ساختارهای کنترلی مختلف می پردازیم. در کنار روش های مرسوم طراحی کنترل کننده های PID روش هایی از جمله روش هالمن - جایابی قطب ها و روش کنترل کننده مدل درونی نیز مورد بررسی قرار می گیرد.

در این آموزش ویدئویی، مقدمات جبر خطی را با گیلبرت استرنگ یاد خواهیم گرفت و مباحث مربوط به مقادیر ویژه و بردارهای ویژه را با ویلیام بروگن، کتابی که در سرفصل جدید وزارت علوم در سال ۹۲ به عنوان یکی از اصلی ترین مراجع مطرح شده است. پس از گذر از جبر خطی این بار زمان یادگیری اصول کنترل مدرن است، از مدل سازی و نمایش سیستم ها تا حل معادلات در فضای حالت و بررسی پایداری، برای طراحی آماده ایم ولی قبل از آن باید مجوز خود را دریافت کنیم، کنترل پذیری و رویت پذیری به عنوان گام های صفرم طراحی فیدبک حالت و رویتگرها، قرار است روش طراحی متفاوتی را نیز به شما آموزش دهیم.

در این آموزش می خواهیم که با حل مسائل متنوع از بخش های مختلف کنترل سیستم های غیرخطی، درک و مهارت خود را از این سیستم ها بالاتر ببریم تا بتوانیم به صورت عملی تر از ابزارهایی که قبلاً در آموزش تحلیل و طراحی سیستم های غیرخطی ارائه شده است، در جهت انجام پروژه های خود استفاده کنیم.

در این آموزش، ابتدا به مفهوم تطبیقی، تاریخچه ای مختصر از روند شکل گیری، ضرورت استفاده از آن و مقایسه ای با کنترل فیدبک ساده پرداخته شده است. سپس در ادامه سه روش مهم طراحی سیستم تطبیقی مدل مرجع به تفصیل آموزش و با MATLAB شبیه سازی شده اند. روش قاعده گرادیان (MIT Rule)، روش طراحی مبتنی بر نظریه پایداری لیاپانوف و روش طراحی مبتنی بر نظریه پایداری BIBO که خطای افزوده هم بیان می شود، آموزش و شبیه سازی شده اند.

تئوری کنترل بهینه که امروزه نقش خیلی مهمی در طراحی کنترلرهای مدرن دارد، با اهداف بیشینه سازی عملکرد یک سیستم، همزمان با کمینه سازی هزینه سیستم، هم از نظر مصرف انرژی و هم از نظر اقتصادی مورد استفاده قرار می گیرد. به عبارت دیگر، هدف کنترل بهینه تعیین سیگنال های کنترلی به نحوی است که علاوه بر اینکه قیدهای حاکم بر پلانت رعایت شود، یک تابع معیار نیز حداقل گردد. تابع معیار می تواند میزان سوخت مصرفی، خطای ردیابی و هزینه پروسه باشد. در این آموزش در قالب هفت درس و از طریق حل مساله های مختلف و متنوع، کنترل بهینه آموزش داده خواهد شد که پیش نیاز آن درس کنترل بهینه است و مخاطبینی که برای اولین بار با این برخورد می کنند، لازم است آموزش کنترل بهینه را مطالعه نمایند.

در این آموزش پس از مروری بر مفاهیم کنترل کننده فازی، به نحوه پیاده سازی یک سیستم فازی در نرم افزار متلب اشاره شده است. سپس بر روی بخش هایی از سیستم فازی که نیاز به بهینه سازی دارند، متمرکز شده و روش هایی برای بهینه سازی آنها ارائه شده است. سپس با استفاده از تعریف یک تابع هدف مناسب، اقدام به بهینه سازی پارامترهای کنترل کننده فازی توسط الگوریتم ژنتیک و PSO پرداخته شده است.

سیستم چهار تانک، کنترل سطح دو تانک پایین با تغییرات دبی ورودی را برعهده دارد. در سیستم آموزشی، این سیستم به منظور اثبات کنترل چند متغیره با انتقال صفر مطرح شد. دلیل رو آوردن گسترده پژوهشگران به این مساله، کاربرد فراوان آن در صنعت و نیاز مبرم بسیاری از فرآیندها به آن است. این فرادرس به طراحی و پیاده سازی کنترل سیستم چهار تانک که یک سیستم دو ورودی - دو خروجی می پردازد. بدین منظور، ابتدا این سیستم را به دو زیر سیستم تک ورودی - تک خروجی تقسیم می کنیم، به گونه ای که تاثیر کمتر هر کدام از ورودی ها بر روی هر خروجی را به عنوان اغتشاش در نظر می گیریم.

در این آموزش به صورت گام به گام و عملی، مراحل لازم برای طراحی یک کنترل تطبیقی مدل مرجع برای کنترل موقعیت یک موتور جریان مستقیم با استفاده از برد آردوینو آموزش داده خواهد شد. در ابتدا به صورت تئوری کنترل تطبیقی طراحی خواهد شد و در محیط نرم افزار سیمیولینک، شبیه سازی خواهد شد و سپس کنترلر طراحی شده از طریق برنامه نویسی در محیط نرم افزار آردوینو پیاده سازی شده و بر روی موتور جریان مستقیم واقعی تست خواهد شد.

اکثر سیستم های واقعی که با آن ها سر و کار داریم چند ورودی و چند خروجی دارند. معمولا برای سادگی، آن ها را به صورت تک ورودی و تک خروجی در نظر می گیریم و با این ایده، قطعا نمی توانیم به خروجی مطلوب برای سیستم چند ورودی و چند خروجی دست پیدا کنیم، چون در تقریب سیستم با چند ورودی و چند خروجی به تک ورودی و تک خروجی، قطعا بخشی از دینامیک سیستم را حذف کرده ایم. معلومات ما از سیستم های کنترل خطی، به عنوان پیش نیاز در کنترل سیستم های چند متغیره کاربرد دارد، اما کافی نیست. هدف ما در این درس توانایی در تحلیل و کنترل سیستم ها بدون جداسازی آن ها به سیستم های SISO است.

در مجموعه آموزشی «طراحی فیدبک حالت بهینه برای سیستم های غیر خطی با الگوریتم های تکاملی» با استفاده از الگوریتم های تکاملی و امکانات موجود در نرم افزار متلب، چارچوبی کلی پیاده سازی شده است که می تواند مساله طراحی کنترل کننده فیدبک حالت بهینه را برای سیستم های خطی و غیر خطی، مستقل از مدل سیستم، حل نماید.

همزمان کردن آشوب، اشاره به فرآیندی بین دو یا چند سیستم آشوبی یکسان (غیر یکسان) دارد، به طوری که یک ویژگی مشخص از حرکتشان را، از طریق تزویج یا اعمال یک نیروی خارجی (پریودیک یا نویزی) برای رسیدن به یک رفتار مشترک، تنظیم کنند. بسته به نوع و شدت تزویجی که بین دو سیستم آشفته برقرار می شود و یا سیگنالی که به منظور راه اندازی از یک سیستم آشوبی به دیگری ارسال می شود، سیستم های آشوبی به روش های مختلفی با یکدیگر همزمان می شوند.

در این آموزش مکانیزمی ارائه می شود که با استفاده از آن بتوان با تعیین نقطه کار پلانت، پارامترهای کنترلر را با استفاده از یک شبکه عصبی دوباره تنظیم کرد تا به نتایج مطلوب برای رنج وسیعی از نقاط کاری برسیم. پلانتی که در نظر گرفته شده است، تعلیق مغناطیسی گوی در یک ارتفاع دلخواه است و کنترلرهایی که در نظر گرفته شده است، فیدبک حالت بهینه یا همان LQR و کنترلر تناسبی - انتگرالی - مشتقی یا همان PID است که در ابتدا قابلیت های آن ها برای پایداری سازی بررسی می گردد و سپس پارامترهای آن ها با توجه به نقطه کار پلانت توسط یک شبکه عصبی به روز رسانی می شوند.

کنترل صنعتی، یک اصطلاح عمومی است که به مجموعه کنترل کننده ها و ابزارات وابسته مانند: سنسورها و عملگرهایی که به منظور کنترل فرایندهای صنعتی استفاده می شوند، اطلاق می گردد. چنین سیستم هایی می تواند شامل یک سیستم ساده مانند تابلوی پنلی به منظور کنترل یک موتور القایی و یا شامل مجموعه ای پیچیده از سیستم های کنترل توزیع شده متصل به هم در پالایشگاه و نیروگاه باشد. کمیت های فیزیکی تمام زیرسیستم ها (دما، فشار، فلو و سطح) توسط سنسورها اندازه گیری می شوند، سپس اطلاعات جمع آوری شده توسط واحد کنترل کننده آنالیز خواهد شد و در نهایت، خروجی آن که با نام سیگنال کنترلی شناخته می شود، به عملگرها (انواع موتورها و شیرهای برقی) ارسال می شود تا تغییرات لازم در فرایند، ایجاد شود. مهم ترین بخش یک سیستم کنترل صنعت، کنترل کننده آن است که تمرکز اصلی این آموزش بر روی این قسمت است. کنترل کننده باید طوری طراحی شود که کمیت هایی فیزیکی فرایند، مطابق پروفایل از قبل تغییر کنند.

برخی از سیستم های کنترلی وجود دارند که معادلات دینامیکی آن ها با استفاده از معادلات با مشتقات جزیی بیان می شوند. برای مثال معادله گرما در یک میله یا معادله موج یک تار مرتعش توسط معادلات با مشتقات جزیی بیان می شود. به دلیل اینکه معادلات با مشتقات جزیی در حالت کلی دارای جواب تحلیل نیستند و یا فرم جواب های آن ها به صورت سری های سینوسی یا زمانی است، کنترل مستقیم این دینامیک ها خیلی پیچیده تر از دینامیک ها با معادلات دیفرانسیل معمولی است. در این آموزش یک روش برای کنترل دینامیک هایی که با معادلات با مشتقات جزیی توصیف می شوند، با استفاده از کنترلرهای خطی مثل PID و LQR ارائه می شود.

کنترلر مدل داخلی (Internal Model Control) اساس بسیاری از الگوریتم های طراحی کنترل مدرن به شمار می رود. کاربرد این علم در طراحی کنترلرهای تناسبی – مشتقی – انتگرالی برای سیستم های تک ورودی – تک خروجی و همین طور طراحی کنترلر پیش بین اسمیت است که به وفور در صنایع مختلف استفاده می شوند. هدف این فرادرس آموزش الگوریتمی جهت طراحی کنترلرهای پارامتری برای رعایت ملاحظات پایه ای و عملی کنترلر با استفاده از متلب است.

در این آموزش مدل سازی، دینامیک و سینماتیک وضعیت فضاپیما توضیح داده می شود و سپس نکات اصلی و مهم در ارتباط با کنترل وضعیت فضاپیما و ترمینولوژی های مختلف خطای وضیعت بیان می شود و قانون های فرمان کنترلی کلاسیک و مدرن نیز پوشش داده می شود و با معیاری تحت عنوان EULERINT فرمان های کنترلی با یکدیگر مقایسه می شوند. تمامی موارد توسط نرم افزار MATLAB شبیه سازی و صحت سنجی می شود و دانشجو پس از دیدن این آموزش نحوه صحیح مدل سازی و کنترل یک سیستم غیرخطی را فرا می گیرد.

در این فرادرس علاوه بر آموزش مباحث تئوری نمونه برداری ضربه ای و نگهدارنده های مرتبه صفر (ZOH) و مرتبه اول (FOH)، با حل مثال های عملی در هر مبحث و استفاده از تولباکس های متلب، این دو حوزه مهم کنترل دیجیتال تبیین خواهد شد. سرفصل هایی که در این آموزش به آن پرداخته می شود، سیستم های کنترل دیجیتال، بازسازی سیگنال های اصلی، قضیه نمونه برداری نایکوئیست – شانون و ... می باشد. نقطه قوت این آموزش این است که به طور کامل به توضیح مباحث مربوطه پرداخته شده است و آموزش توسط یکی از بهترین مدرسین متخصص در این زمینه، انجام شده است.

در چند دهه گذشته و با پیشرفت علم، سیستم‌هایی که دارای عدم ‌قطعیت هستند، افزایش چشمگیری داشته‌اند. برخی از این عدم‌ قطعیت‌ها بسیار کم بوده و کنترل‌کننده‌های دیگری همچون PID می‌توانند آن‌ها را کنترل کنند، اما بسیاری از سیستم‌ها نمی‌توانند توسط این کنترل‌کننده‌ها پاسخ مناسبی دهند و اغلب یا دارای خطای زیادی هستند و یا جواب ناپایدار می‌دهند که همین عوامل سبب شده است که کنترل‌کننده‌های مقاوم اهمیت بسیار بیشتری پیدا کنند و امروزه از آن‌ها در بسیاری از پروژه‌ها استفاده شود. یکی از مهم‌ترین کنترل‌کننده‌های مقاوم، کنترل‌کننده ∞-H است که در این آموزش به طراحی آن می‌پردازیم و روند طراحی این کنترل‌کننده را با استفاده از الگوریتم کنترل ‌مقاوم انجام می‌دهیم.

در این آموزش از طریق حل مساله های مختلف، مبانی تحلیل و طراحی سیستم های کنترلی دیجیتال (گسسته - زمان) آموزش داده می شود. در درس یکم تبدیل z به عنوان یک ابزار اساسی که در درس های بعدی بسیار مورد استفاده قرار می گیرد، آموزش داده می شود. در درس دوم آنالیز سیستم های کنترلی در حوزه z ارائه می گردد. طراحی سیستم های کنترلی با تکنیک های رایج در درس سوم مورد بررسی قرار می گیرد. در درس چهارم یک رویکرد جدید و مدرن در فضای حالت برای آنالیز کنترل دیجیتال بحث می شود و در نهایت در درس پنجم، جایابی قطب و رویتگر حالت، آموزش داده می شوند.

سروو موتورها از خانواده موتورهای سنکرون مغناطیس دائم هستند و به عنوان موتور کنترلی نیز شناخته می‌شوند. این نوع موتورها به خاطر قابلیت‌های مختلف و منحصر به فرد خود در دو دهه اخیر جای بیشتر موتورهای کلاسیک را در صنایع گوناگون گرفته‌اند و به یکی از مشخصه‌های سیستم‌های کنترل مدرن تبدیل شده‌اند. کاهش مصرف انرژی، کنترل‌پذیری بالا، کنترل موقعیت سرعت و گشتاور و داشتن انواع فیلترها جهت حذف نویزهای مختلف، از دلایل استفاده از سرووها در سیستم‌های محرک و نیز قابلیت ارتباط با انواع کنترلرها مهر تاییدی بر استفاده همه‌جانبه و روزافزون از این نوع موتورها است. در این آموزش به بررسی ساختار و عملکرد سروو موتور و سروو درایو پرداخته شده است و با قسمت‌های مختلف این تجهیز مدرن مورد استفاده در صنایع مختلف آشنا می‌شوید. همچنین بررسی رفتارهای سیستم محرک نیز از نکته‌های جالب توجه در این آموزش و بررسی انواع کاربردها به تفکیک مد کنترلی و پرداختن به انواع خطاهای موجود در سرووها از بخش‌های دیگر این آموزش است.

این آموزش با بیان مقدمات و پرداختن به مفاهیم اساسی جبر خطی به عنوان ابزار ریاضی شروع می‌شود و در ادامه به معرفی فضای حالت می‌پردازد. بحث‌های مرتبط با تبدیل نمایش تابع تبدیل به فضای حالت، مفاهیم و تعاریف پایداری مورد بررسی قرار می‌گیرد و در خصوص مباحث بسیار مهم کنترل‌پذیری، رویت‌پذیری، رویتگر، گمارش دلخواه قطب‌ها و جزئیات مرتبط با آن‌ها صحبت می‌شود و در انتهای کار مروری بر مفاهیم اساسی کنترل بهینه صورت می‌گیرد. مخاطب در انتهای آموزش ضمن آشنایی با مفاهیم مهم، تحلیل و طراحی کنترل‌کننده با استفاده از فضای حالت را یاد می‌گیرد.

در کنترل تطبیقی هدف این است که پارامترهای کنترل‌کننده با تغییر دینامیک سیستم طوری تغییر داده شوند که رفتار سیستم حلقه‌ بسته همچنان بهینه و مطلوب باشد. در تئوری یادگیری ماشینی به کنترل‌کننده در اصطلاح عامل یا Agent گفته می‌شود که وظیفه آن تنظیم سیگنال‌های کنترلی است به شکلی که خروجی‌های سیستم همانند سیگنال مطلوب تغییر کند. سیگنال‌های کنترلی طبیعتا به پلنت (Plant) اعمال خواهند شد که در اصطلاح یادگیری تقویتی به آن محیط (Environment) می‌گوییم.

جمله «کنترل، علمی است که در مورد تحت اختیار درآوردن و هدایت رفتار پروسه‌های مختلف بحث می‌کند»، یکی از اولین اصولی است که یک مهندس کنترل با آن رو به رو می‌شود. همین جمله باعث می‌شود که یک مهندس کنترل برای بررسی رفتار پروسه‌های مختلف، با علوم مختلفی مانند: برق، مکانیک و شیمی فرایند در ارتباط مستقیم باشد. از این روی مهندسی کنترل یک علم میان رشته‌ای در نظر گرفته می‌شود. در این فرادرس سعی کرده‌ایم که ارتباط بین صنعت و علم را برای شما دانشجویان ملموس‌تر نماییم.

نیاز به دانستن مدل فرایند صنعتی جهت طراحی و پیاده سازی کنترل کننده، جزئی از چرخه عملکردی خط تولید در صنعت است. از این رو با بیان یکی از انواع روش های کاربردی شناسایی مدل فرایندهای صنعتی، تلاش می شود گامی در جهت طراحی و اجرای دقیق تر کنترل کننده و در نهایت عملکرد بهتر در چرخه صنعتی برداشته شود.