התפקיד של בקרת מערכת מבוססת פסיביות בהבטחת יציבות ובטיחות

שליטה מבוססת פסיביות (PBC) היא טכניקה רבת המשמשת בהנדסה שליטה כדי להבטיח את היציבות והבטיחות של מערכות מורכבות.הוא מנף את הרעיון של פסיביות, המתייחסת לחילופי האנרגיה בתוך מערכת, לקרי עיצוב אשר שומרים באופן טבעי על יציבות ויציבות.בניגוד לשיטות בקרה מודרניות רבות הדורשות מודלים מתמטיים מדויקים וכוונון נרחב יותר, PBC מציעה מסגרת מוטיבציה פיזית המנצלת את התכונות הטבעיות של המערכת הזו, אך לעתים קרובות יותר ויותר מבטיחות יותר ויותר יעילות, אך לא פחות יעילה יותר ויותר, אלא גם כן, אלא גם כן, כמו גם כן, כמו גם שיטות בקרה על ידי בקרה על ידי בקרה סביבתית, כמו גם על ידי מערכות אבטחה, כמו גם על ידי בקרה, אך ורק על בסיס קבועות, כמו גם על ידי בקרה, אך ורק על ידי בקרה, אך ורק על ידי בקרה על ידי בקרה על ידי שיטות בקרה יעילה יותר ויותר, כמו גם על ידי שיטות בקרה על ידי שיטות בקרה על ידי בקרה על ידי שיטות בקרה, אך לעיתים קרובות יותר ויותר, כמו גם על בסיס קבועות, כמו גם על בסיס בקרה מתמטית, כמו גם על ידי שיטות בקרה, כמו גם על ידי שיטות בקרה, כמו גם על ידי שיטות בקרה על בסיס קבועות, כמו גם על ידי בקרה, כמו גם על ידי בקרה,

הבנה של פאסיביות במערכות בקרה

(הופנה מהדף פאסיביות היא מושג יסוד הנמשך מתיאוריה של הרשת והתרמודינמיקה (Informally), מערכת היא פסיבית אם היא אינה יכולה לייצר יותר אנרגיה מאשר היא מקבלת מהסביבה שלה.יותר באופן רשמי, מערכת עם קלט FLT:0uFLT:1 ו-FLT:2yFLT 3: 3 נאמר כי יש פונקציה אחסון: 4V(x) 0 ⁇ 5 לכל התנאים הראשוניים:

(ב) .

אי שוויון זה אומר שהעלייה באנרגיה מאוחסן כבולה על ידי האנרגיה המסופקת מבחוץ. במילים אחרות, שום דור אנרגיה פנימי הוא אפשרי - המערכת יכולה רק להתפזר או לאחסן אנרגיה. הנכס הזה קשור הדוק לחוק השני של תרמודינמיקה ומספק מושג טבעי של יציבות.מערכת פסיבית אינה יכולה לחלחל באופן ספונטני או לאינסוף ללא הזריקה חיצונית.

הרעיון של פסיביות יש שורשים בתיאוריה של מעגלים חשמליים, שבו התנגדות היא דוגמה קלאסית של אלמנט פסיבי: זה מתפזר אנרגיה ולא יכול לייצר כוח. במכניקה, מערכת דגימה מסיבית עם צר מולקווס הוא פסיבי כי הלחות לחבית יותר מתמוססת אנרגיה קינטית. במהלך העשורים האחרונים, שליטה על התיאורטיסטים יש רעיונות אקראיים אלה מערכות דינמיות, אשר יכול להיות מונחה על ידי גירויים, ובסיסים, אשר עשוי לעבור דרך יסודות דרמטיים, ובסיסים מאוחר יותר, אשר יכול להיות מסוגל לעבור דרך אנדרטה, ובסיסים, ובסיסים, ובסיסים, אשר יכול להיות מסוגל לעבור את זה יכול להיות מסוגל לעבור על ידי ⁇ , על ידי ⁇ ⁇ , על ידי ⁇ , על ידי ⁇ , על ידי ⁇ .

כיצד בקרת פאסיביות מבוססת מבטיח יציבות

PBC מעצב בקרים המשמר או לאכוף את המעבר במערכת הסגורה.על ידי כך, זרימת האנרגיה של המערכת מוסדרת, מניעת תנודות מופרזות או פיזור. גישה זו היא מועילה במיוחד במערכות עם דינמיקות מורכבות, כגון מניפולטורים רובוטיים רובוטיים, רשתות חשמל וכלי רכב אוטונומיים.הרעיון הליבה הוא לשנות את תפקוד האנרגיה של המערכת - בדרך כלל על ידי עיצוב אנרגיה פוטנציאלית או הזריקה תכונות סגורות כמו מערכת רצון סגור.

ההוכחה ליציבות ב-PBC מסתמכת בדרך כלל על תורת ליפסנוב (Lyapunov theory) הפונקציה האחסון (FLT:0VelophFLT:1) משמשת כמועמד לתפקוד ליפסנוב (Lapunovity) מבטיחה כי הפונקציה אחסון:2VFLT 3:2VFLT 3 הוא לא הולך וגובר לאורך המסלולים כאשר אין קלט חיצוני, אשר מיד מרמז על יציבות במובן של Lyapunov for abic as to betraability, לאחר מכן, כלומר, הוא קבוע, הוא בעל השפעה פנימית, או שינוי, הוא קבוע, עם התפתחות, הוא בעל השפעה פנימית, או יציבות פנימית, ללא קשר עם התפתחותית, ללא קשר עם התפתחות, ללא קשר לתפקוד יציב, או יציבות פנימית, עם התפתחותית, אם הוא קבוע, עם התפתחותית, לעתים קרובות, או יציבות פנימית, אם יש צורך ביציבות פנימית, אם יש צורך, עם התפתחותית, אם יש צורך ביציבות פנימית, ללא קשר יציב, ללא קשר יציב, ללא קשר יציב, ללא קשר ליציבות פנימית, אם יש צורך ביציבות פנימית, אם יש צורך, ללא קשר ליציבות פנימית, ללא קשר ליציבות פנימית, אם יש צורך ביציבות פנימית, ללא קשר ליציבות פנימית, לעתים קרובות, אם יש צורך ביציבות

עקרונות מרכזיים של בקרת מטרות

• (FLT:0)אנרגיה מעצבת: FLT:1 משנה את הנוף האנרגיה של המערכת כדי להשיג תכונות יציבות רצויות.לדוגמה, במערכת מכנית, את הפונקציה האנרגיה הפוטנציאלית ניתן לעצב כך שהמשקל הרצוי הופך למינימום עולמי.זה נעשה לעתים קרובות על ידי הוספת מעיינות וירטואליים או שינוי הפוטנציאל הטבעי באמצעות משוב.
• (FLT:0) דגימת הזרקת: 1FLT (הידועה) לחדול מאנרגיה עודף ושיפור היציבות. Damping ניתן להוסיף באמצעות משוב של מהירויות או מדינות אחרות, למעשה לחקות חיכוכים פיזיים או כוחות מולקווס.זה מבטיח כי oscillations דעיכה והמערכת מתמזגת לאיזון.
• (FLT:0 interconnection and moisting Task (IDA-PBC): מתודולוגיה שיטתית המוצעת על ידי Ortega ועמיתיו המשלבים זריקה של אנרגיה ולחיצת לתוך הליך עיצוב יחיד.IDA-PBC תואם את מערכת ה-Auto-loop סגורה למבנה המילטון מאויש, שבו הבקר מקצה מברקציה חדשה ולחות גישה זו הייתה מוצלחת מאוד, אפילו תחת מבנה מילטון, כמו גם כן, כמו גם מתווך מוצלח, כמו גם תחת מערכת מכנית, כמו גם מתווך, כמו גם מתווך, כמו גם מתווך, כמו גם מתווך, כמו גם מתווך מתווך מוצלח, כמו גם מתווך, כמו גם מתווך, כמו גם מכושפתיים, כמו גם מכובש, כמו גם מתווך, כמו גם מתווך מוצלח.

מבחינה מתמטית, IDA-PBC כרוך בפתרון קבוצה של משוואות שונות חלקית (PDE) או מגבלות אלגבריות כדי למצוא חוק בקרה שהופך את מערכת ה-Oper-loop הפסיבי ביחס לתפקוד אחסון הרצוי. בעוד ש- PDEs אלה יכולים להיות מאתגרים, הם לעתים קרובות מודים פתרונות סגורים עבור מערכות עם מבנה מסוים, כגון מערכות אולר-Lagrange אומילטון.

יישומים והטבות

שליטה מבוססת פסיבית הוחלה בהצלחה בתחומים שונים, כולל רובוטיקה, מערכות חשמל, והנדסת אווירופייס.התת הבאה מדגישה כמה מתחומי היישום הבולטים ביותר.

רובוטיקה

במניפולציה רובוטית, PBC מספק דרך טבעית להשיג תנועה מקבילה ואינטראקציה אנושית בטוחה רובוטית- רובוטית.על ידי תכנון בקר שהופך את קצה הרובוט של הרובוט להתנהג כמו אימפולס מכני פסיבי - מערכת מדגימה באביב - הרובוט יכול לתקשר בבטחה עם הסביבה שלו מבלי להיות לא יציב או להפעיל כוחות מופרזים.זה הוא הבסיס של שליטה בלתי יציבה, גישה עוברית בשימוש נרחב על בסיס רובוטיקה, למשל, למנוע מגע משותף (co) עם כל עובד עם השפעה משותפת).

מעבר לשליטה במניעה, PBC הוחל לשלוט במניפולטורים גמישים, רובוטים הליכה וגלוקטונים. בכל מקרה, העיקרון בעיצוב האנרגיה מסייע להשיג תנופה יציבה או מעקב מדויק של כוח.לדוגמה, החוקרים השתמשו ב-IDA-PBC כדי לייצב את הדינמיקה של רובוטים אנושיים צועדים על פני שטח לא אחיד, ניצול האנרגיה הטבעית של הרובוטים הראויים לנכסים אנושיים יעילים, כמו למשל.

מערכות חשמל וחשמל

רשתות חשמל מודרניות עוברות טרנספורמציה עם שילוב של מקורות אנרגיה מתחדשת, הדור המופץ ומיקרו-grids. Passivity-based control מציע מסגרת חזקה להבטיח יציבות ברשתות מורכבות אלה. גישה טיפוסית היא לעצב כל ממיר כוח (למשל, מחוספס ברשת ממורמרים, DC-DC) להתנהג כמרכיב פסיבי, ובכך למנוע התחדשות, oscillations, ומתחים, למשל, לספוגים אנרגיה פסיבית, לקליטה, לספוגה, ללקות.

PBC שימש גם בהצלחה בשליטה על כונן חשמלי חשמלי, כגון מנועים אינדוקציה ומנועים סינכרוניים קבועים.על ידי עיצוב האנרגיה המגנטית של המנוע וזריקת לחות באמצעות קלט המתח, בקרים יכולים להשיג ביצועים גבוהים ועוצמה מבלי לדרוש ידע מדויק של פרמטרים מוטוריים.זה בעל ערך במיוחד ביישומים כמו כלי רכב חשמליים ואוטומציה תעשייתית, שבו פרמטרים והפרעות נפוצים.

רכבי אוויר ואוטונומי

בהנדסת אווירופייס, שליטה מבוססת על פניות מועסקת עבור בקרת הגישה החללית, היווצרות טיסה ונחיתות אוטונומית.העברות של הדינמיקה הסבבית של גוף נוקשה (כאשר משתמשים בקואורדריגים מתאימים כמו פרמטרים שונים) מאפשר עיצוב חוקי בקרה המבטיחים יציבות גם עם הפעלה מוגבלת בנוכחות הפרעות.

כמו כן, בכלי רכב אוויריים בלתי מאוישים (UAVs) ו quadrotors, IDA-PBC שימש לתכנון גישה ובקרי מיקום חזקים כדי לא בטוח ב inertia, Mass, וחיצוניים גורים רוח.הנוסחאות המבוססות על אנרגיה מבטיח כי האנרגיות הקינטיות והפוטנציאליות של הרכב מנוהלות כראוי, ומובילות לטרקים חלקה ומבצע בטוח.

מערכות בקרה וכימיקלים

למרות פחות נפוץ, PBC מצא יישומים בשליטה על תהליכים כימיים, במיוחד בקביעת טמפרטורות בכורות, שליטה ב- pH בתהליכי ניטרליזציה, וייצוב עמודות הפרדה.התבנה העיקרית היא כי תהליכים כימיים רבים ניתן מודל כמו מערכות תרמודינמיקה עם תפקוד אנרגיה מוגדר היטב או אחסון אנטרופי. על ידי תכנון בקרים משמרים או לעצב את העובר של המערכת, אחד יכול להבטיח כמו גם יציבות ויציבות בטוחה כאשר הם תהליך אחסון זמן לא קבוע.

היתרונות של בקרת פאסיביות

• (FLT:0) יציבות מערכת מבוססת על אי-ודאות והפרעות: FLT:1 כי PBC מסתמכ על תכונות אנרגיה ולא על ביטול מדויק של דינמיות, הוא חזק מטבעו לא-ודאות ממטרידות ודינמיקה לא-מופת.
• תכונות בטיחות פנימיות (FLT:0) אינטרינריות עקב שליטה מבוססת אנרגיה: מערכות מעבר 1:1 לא יכולות לייצר אנרגיה, כל כך פעיל התנהגות מרתיעה מונע על ידי עיצוב.זה הופך את PBC אטרקטיבי במיוחד עבור יישומים מעורבים אינטראקציה אנושית רובוטית, רובוטיקה רפואית, נהיגה אוטונומית, שבו בטיחות היא רבת ערך.
• (FLT:0) רובוטות לפרמטר והשפעות חיצוניות: FLT ( 1:1) הגישה עיצוב האנרגיה מבטיחה כי הבקר אינו מסתמכ על ביטול מדויק של תנאים לא לינאריים. כתוצאה מכך, גם אם הפרמטרים של המערכת משתנים (למשל, עומסי תשלום וריאציות הזרוע הרובוטית), מערכת ה-loop סגורה נותרת יציבה כל עוד היא חולשת.
• (FLT:0) הסריקות ביישום: FLT:1 בקרים מבוססי פסיביות יש לעתים קרובות מבנה פשוט - הם עשויים להיות פשוט כמו בקר פרופורציונלי (PD) עם רווחים מכוונן כראוי.זה מקטין overhead ו מקל על יישום בזמן אמת על חומרה מוטבעת.
• (FLT:0) רגישות למערכת מקושרת גדולה:FreaLT:1 (שימוש בפסק דין העובר, ניתן לפסול מערכת גדולה למערכות תת-מערכות פסיביות ולעיצוב בקרים מקומיים ששומרים על הפסיביות הכללית. גישה מודולרית זו מפחיתה מורכבות עיצוב ומאפשרת שילוב Plug-and-play.

אתגרים ומגבלות

למרות היתרונות הרבים שלה, שליטה על פניות מבוססת מעבר היא לא תרופת פלאגאלית.יש לשקול כמה אתגרים ומגבלות בעת בחירת PBC על טכניקות בקרה אחרות.

תנאי פאסיביות ומודל Accuracy

רוב שיטות עיצוב PBC דורשות לפחות מודל סביר של הדינמיקה של המערכת, במיוחד כדי לזהות תפקוד אחסון ולעצב את האנרגיה כראוי.עבור מערכות שאינן בטוחות או מודל גרוע, בניית תפקוד אחסון חוקי עשוי להיות קשה. יתר על כן, ההנחה של העובר אינו תמיד מרוצה בפועל - מערכות מסוימות, במיוחד אלה עם מעשים לא מגובשים או לחות (למשל, עקב חיכוך פעיל), יש לפצות על התנהגות מוגבלת או חיכוך פעיל.

תוצאות המסחר-offs

PBC נוטה להעדיף יציבות וביטחון על ביצועים מתקדמים במהירות.הזרקת ההלחמה הנדרשת כדי להשיג יציבות אסימפטוטית יכולה להאט את התגובה של המערכת.ביישומים שבהם שליטה אגרסיבית, גבוהה פסוויאלית נדרשת (למשל, מעקב מדויק בכלי מכונה), בקר מבוסס על פסיביות עשוי להיות שמרני מדי.

בעיות יישום

בעוד שחוקים רבים של PBC הם מבנים פשוטים דמויי PD, IDA-PBC לעתים קרובות מוביל חוקי בקרה לא ליניאריים הדורשים פתרון PDE באופן סמלי.עבור מערכות ממדיות או מורכבות, פתרונות סגורים עשויים שלא להתקיים, ניתוק ניכוי תשואות מספריות או למידה קפדנית.זה יכול להגדיל את יישום ונטל חישובי.בנוסף, להבטיח מעבר בנוכחות של אלגוריתמים דיגיטליים, יישום שגיאות ניתוח מדויק או דורש לעתים קרובות אפקטים נוספים.

השוואה עם שיטות בקרה אחרות

כדי לספק נקודת מבט מאוזנת, זה עוזר להשוות את PBC עם גישות שליטה נפוצות אחרות.

Method	Key Idea	Stability Guarantee	Robustness	Complexity
PID Control	Proportional-Integral-Derivative feedback	Only for linear systems; tuning-dependent	Moderate (with anti-windup)	Low
Robust Control (H∞)	Minimax optimization over uncertainty	Strong, formal (small-gain)	High (worst-case)	High
Adaptive Control	Online parameter estimation	Lyapunov-based	High (to parametric change)	Medium-High
Sliding Mode Control	Discontinuous switching	Finite-time convergence	Very high (to matched disturbances)	Medium (chattering issues)
Model Predictive Control	Receding horizon optimization	Stability via terminal constraints	Moderate (model-dependent)	High (online optimization)
Passivity-Based Control	Energy shaping + damping injection	Rigorous (passivity theorem)	High (energy-based)	Low-Medium

PBC עומד על האינטואיציה הפיזית שלו ויציבות החיבור ההדדית החזקה שלו.זה מתאים במיוחד עבור mechatronic, חשמל-אלקטרוניקה ומערכות אלקטרו-מכניות שבהן קיימת פרשנות אנרגיה ברורה.עבור מערכות ללא פרשנות אנרגיה ברורה, כגון רשתות תגובה כימיות טהורות או מערכות ביולוגיות, שיטות אחרות עשויות להיות רלוונטיות יותר.

כיוונים עתידיים

תחום השליטה המבוססת על פסיביות ממשיך להתפתח, עם מספר כיוונים מחקריים מבטיחים.

היברידית ודגימה נתונים PBC

כמו מערכות בקרה יותר ויותר מסתמכות על רשתות תקשורת דיגיטליות ויישומים מוקרן, מפתחים בקרים מבוססי פסיביות שפועלים בנתונים מדגימים או הגדרות היברידיות הם קריטיים. החוקרים מרחיבים מושגים פסיביים במערכות אימפולסיביות ו היברידיות, ומאפשרים ליציבות קפדנית מבטיחות כאשר הן דינמיקות בזמן מתמשך ואירועים דיסקרטיים נמצאים.

למידה מבוססת פאסיביות

שילוב של פסיביות עם למידת מכונה הוא מגמה הולכת וגוברת.לדוגמה, ניתן להשתמש ברשתות עצביות או תהליכים גאוסיים כדי להשוות את תפקוד האחסון של המערכת או ללמוד בקר מבוסס דרך נתונים.האתגר הוא להבטיח כי הבקר המלומד משמר ערבויות מעבר.יש גישות להוסיף מחוספסת דרך אימון (למשל, באמצעות שיטת Langian) או לאמת את המעבר באמצעות כרזות מורכבות.

מערכות רשת ו- Multi-Agent

עם עליית האינטרנט של הדברים (IoT) וחילולים של מזל"טים, יש צורך חזק בשליטה בקנה מידה, מבוזרת. Passivity מספק מסגרת טבעית לשליטה מבוזרת כי הקשר של מערכות פסיביות הוא שוב פסיבי.העבודה העתידית להתמקד בעיצוב של בקרים מבוססי פסיביות מקומית עבור כל סוכן אשר יחד להשיג מטרות גלובליות - כגון שליטה, קונצנזוס, או שיתוף - ללא צורך בהגדרות מרכזיות של תקשורת הוא הוסיף.

מערכות אנושיות-in-the-Loop

ביישומים כמו תקשורת משוב אפוקליפטי, המפעיל האנושי יכול להיות מודל כמו מערכת ביומכנית פסיבית (עם רוחב פס מסוים) בקרים מבוססי פסיביות עבור הרובוט והממשק הגלקטי יכול אז להבטיח אינטראקציה יציבה גם כאשר עיכובים תקשורת קיימים.מחקר עתידי נועד להרחיב את העקרונות האלה לתרחישים מורכבים יותר של שיתוף פעולה אנושי-מכונה exosletons לשיקום ולהפעלה אוטונומית.

מסקנה

שליטה מבוססת פסיביות מציעה גישה שיטתית ואמינה להבטיח יציבות מערכת ובטיחות.על ידי התמקדות בתכונות אנרגיה, היא מספקת מסגרת חזקה המתאימה עבור מערכות מורכבות מודרניות, עוזר מהנדסים לתכנן פתרונות בקרה בטוחים ואמינה יותר.הבסיס שלה בעקרונות פיזיים בסיסיים נותן לו יתרון ייחודי על שיטות מתמטיות או אופטימיזציה בלבד: המעצב יכול להבין באופן אינטואיטיבי מדוע המערכת נשארת יציבה ובטוחה בעודו - במיוחד לגבי מודלים וביצועים - על ידי שיטות בקרה היברידיות, ולמידה, הן, הן שיטות בקרה היברידיות, הן יכולות להמשיך לפתח שיטות בקרה רציניות, והן שיטות בקרה היברידיות, והן על בסיס אינטואיטיבית, הן שיטות בקרה, והן על בסיס שיטות בקרה, אשר עומדות, הן שיטות בקרה היברידית, אשר עומדות, עם שיטות בקרה היברידית, עם שיטות בקרה היברידית, החלודה, והן על ידי שיטות בקרה, עם מערכת ניהולית, עם שיטות בקרה היברידית, החלודה, עם שיטות בקרה היברידית, עם שיטות בקרה היברידית, אשר עומדות, עם שיטות בקרה היברידית, עם שיטות בקרה היברידית, עם שיטות בקרה היברידית, עם שיטות בקרה היברידית, עם שיטות בקרה רציניות, עם שיטות בקרה היברידית, עם שיטות בקרה ניהולית, החלות, אשר עומדות, החלודה ניהולית, אך ורק ניהולית,

(ב) ראו את הטקסטים המלאים של ה-FLT:0van der Schaft (L2-Gain and Passivity Techniques in Non ליניארי Control)igmFLT:1, IDA-PBC על ידי FLT:2 Ortega et al. (IEEE Trans. Automatic Control,FLT 3: and a Practical application inLTF:4grid-Ricated-Autor (Autos: 5Autos: 5Autos, 2013)