Development and tuning of automatic control methods for nonlinear systems using computational intelligence techniques with emphasis on the control of unmanned aerial vehicles
Authors: Καπνόπουλος Αριστοτέλης 
Published: December 2023

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η δημιουργία και η βέλτιστη βαθμονόμηση τεχνικών αυτόματου ελέγχου για μη γραμμικά συστήματα, με έμφαση στον έλεγχο μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων, χρησιμοποιώντας μεθόδους υπολογιστικής νοημοσύνης. Οι κύριες μέθοδοι υπολογιστικής νοημοσύνης που χρησιμοποιήθηκαν είναι τα νευρωνικά δίκτυα ακτινικής βάσης (Radial Basis Function Neural Networks, RBF NNs), γνωστά για την απλότητα και τη γρήγορη εκπαίδευσή τους, και η συνεργατική βελτιστοποίηση σμήνους σωματιδίων (Cooperative Particle Swarm Optimization, CPSO), αναγνωρισμένη για τα βελτιωμένα αποτελέσματα βελτιστοποίησης μέσω της συνεργασίας μεταξύ πολλαπλών σμηνών. Ένα σημαντικό ζήτημα που αντιμετωπίστηκε σε αυτή τη διατριβή είναι το πρόβλημα του ελέγχου μη γραμμικών συστημάτων με τη χρήση μη γραμμικών μεθοδολογιών ελέγχου. Οι κύριες μεθοδολογίες ελέγχου που χρησιμοποιούνται είναι η μέθοδος backstepping και η μέθοδος ελέγχου με τη χρήση μοντέλων πρόβλεψης (Model Predictive Control, MPC). Ο έλεγχος backstepping χρησιμοποιείται για την παραγωγή ευσταθών εύρωστων ελεγκτών για τη περίπτωση συστημάτων αυστηρής ανατροφοδότησης, ενώ η μέθοδος MPC περιλαμβάνει το σχηματισμό και την επίλυση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντας την ακριβή πρόβλεψη της μελλοντικής συμπεριφοράς του συστήματος, αλλά και τον έλεγχο σε πολύπλοκα δυναμικά συστήματα με περιορισμούς και διαταραχές. Τα κύρια μη γραμμικά συστήματα που διερευνώνται στην παρούσα διατριβή είναι τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs), και ιδιαίτερα τα τετρακόπτερα εναέρια οχήματα (Quadrotor Unmanned Aerial Vehicles, QUAVs). Ο έλεγχος ενός τετρακόπτερου για το πρόβλημα της παρακολούθησης πηγαίας τροχιάς, αποτελεί σημαντική πρόκληση λόγω της εγγενώς μη γραμμικής και υποδιεγειρόμενης φύσης του οχήματος. Στην παρούσα διατριβή το πρόβλημα της παρακολούθησης πηγαίας τροχιάς αντιμετωπίστηκε με την ανάπτυξη ενός νέου μη γραμμικού ελεγκτή backstepping, ο οποίος ενσωματώνει νευρωνικά δίκτυα RBF. Οι ελεγκτές backstepping που έχουν τις ρίζες τους σε εξισώσεις πρώτων αρχών, αντιμετωπίζουν τη σημαντική πρόκληση του αποτελεσματικού χειρισμού εγγενών μη γραμμικοτήτων, αλλά είναι ευάλωτοι σε μη μοντελοποιημένες δυναμικές και αβεβαιότητες όταν εφαρμόζονται σε πρακτικές εφαρμογές. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος, στην παρούσα διατριβή προτείνεται η διαμόρφωση ενός νέου ελεγκτή backstepping με ενσωματωμένα νευρωνικά δίκτυα RBF για τον χειρισμό αβεβαιοτήτων κατά την διάρκεια της παρακολούθησης πηγαίας τροχιάς του τετρακόπτερου. Με αυτόν τον τρόπο, παρέχεται μια προσέγγιση βασισμένη σε δεδομένα για τον υπολογισμό των μη-μοντελοποιημένων αβεβαιοτήτων, με σκοπό τον επιτυχή έλεγχο του τετρακόπτερου.Εκτός από την ανάπτυξη αποτελεσματικών στρατηγικών ελέγχου παρακολούθησης της τροχιάς ενός τετρακόπτερου, είναι εξίσου σημαντική και η κατάλληλη βαθμονόμηση των παραμέτρων ελέγχου αυτών των μεθόδων. Η δυσκολία στην βαθμονόμηση αυξάνεται όταν χρησιμοποιούνται περισσότεροι από ένας ελεγκτές για τη ρύθμιση του συστήματος, κάτι που δημιουργεί μεγάλο αριθμό παραμέτρων προς βαθμονόμηση. Για τον σκοπό αυτό, σε αυτή τη διατριβή προτείνεται ένα νέο πλαίσιο συνεργατικής βελτιστοποίησης CPSO κατάλληλο για τη βέλτιστη βαθμονόμηση των παραμέτρων ενός τετρακόπτερου συστήματος για το πρόβλημα παρακολούθησης πηγαίας τροχιάς. Το διαμορφωμένο πλαίσιο ελέγχου περιλαμβάνει δύο υποσυστήματα: έναν ελεγκτή MPC για την παρακολούθηση της θέσης και ένα σχήμα PID για τη σταθεροποίηση της στάσης του τετρακόπτερου. Ανταλλάσσοντας πληροφορίες, τα δύο σμήνη συνεργάζονται μεταξύ τους για την αποτελεσματική εξερεύνηση του χώρου αναζήτησης με σκοπό την εύρεση παραμέτρων βαθμονόμησης οι οποίες καλυτερεύουν την ικανότητα παρακολούθησης της επιθυμητής πηγαίας τροχιάς. Συγχρόνως με την ανάπτυξη ενός αλγορίθμου για τη βέλτιστη βαθμονόμηση των παραμέτρων ελέγχου ενός τετρακόπτερου, με στόχο την αντιμετώπιση και την επίλυση προβλημάτων υψηλής διαστατικότητας που δεν είναι κυρτά, δημιουργήθηκαν δύο ακόμη νέοι συνεργατικοί αλγόριθμοι σμήνους σωματιδίων. Ειδικότερα, αναπτύχθηκαν δύο νέα πλαίσια CPSO για την αντιμετώπιση των προβλημάτων που σχετίζονται με τη διαχείριση της άεργους ροής ισχύος (Optimal Reactive Power Flow, ORPF) σε έξυπνα κατανεμημένα δίκτυα (Distributed Networks, DNs) και τη αναγνώριση των κρίσιμων παραμέτρων σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων (Wastewater Treatment Plants, WWTPs). Συγκεκριμένα, διαμορφώθηκε ένα νέο συνεργατικό πλαίσιο βελτιστοποίησης και ελέγχου CPSO για την αντιμετώπιση του προβλήματος διαχείρισης ισχύος σε έξυπνα δίκτυα με υψηλό αριθμό φωτοβολταϊκών (Photovoltaic, PV) συσκευών. Επιπλέον, με σκοπό την αναγνώριση των παραμέτρων λειτουργίας σε μοντέλα εγκαταστάσεων επεξεργασίας λυμάτων διαμορφώθηκε νέο πλαίσιο CPSO το οποίο χρησιμοποιήθηκε για την επίλυση ενός μη γραμμικού προβλήματος βελτιστοποίησης. Ένα άλλο κρίσιμο πρόβλημα που αντιμετωπίστηκε σε αυτή τη διατριβή σχετίζεται με τη μοντελοποίηση και τον έλεγχο μη γραμμικών χρονικά μεταβαλλόμενων συστημάτων. Σε αυτό το πρόβλημα, η δυσκολία δεν αφορά απλώς τη χρήση γραμμικών ή μη γραμμικών μοντέλων, αλλά αναφέρεται στο γεγονός ότι το μοντέλο που χρησιμοποιείται πρέπει να είναι προσαρμοστικό, ώστε να είναι σε θέση να παρακολουθεί τις αλλαγές στη δυναμική του συστήματος. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται ένα νέο μη γραμμικό πλαίσιο ελέγχου στο οποίο ενσωματώνονται προσαρμοστικά μοντέλα νευρωνικών δικτύων. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο μη γραμμικού προσαρμοστικού ελέγχου, για την εξασφάλιση καλής απόδοσης ελέγχου σε διάφορες περιοχές λειτουργίας. Ο νόμος ελέγχου του συστήματος κλειστού βρόχου αποδεικνύεται ασυμπτωτικά ευσταθής με τη χρήση της θεωρίας ευστάθειας Lyapunov. Στο πλαίσιο αυτό διεξάγονται δύο αναλύσεις υποθέσεων, που αφορούν ένα μη γραμμικό αυτοπαλινδρομούμενο εξωγενές σύστημα (Nonlinear Autoregressive Exogenous, NARX) και έναν χημικό αντιδραστήρα συνεχούς ροής με ανάδευση (Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR).Οι στρατηγικές που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή αξιολογούνται σε μια σειρά αναλύσεων υποθέσεων συμπεριλαμβανομένων προσομοιωμένων σεναρίων. Η αποτελεσματικότητα αυτών των προτεινόμενων μεθόδων παρουσιάζεται μέσω συγκρίσεων με άλλες προσεγγίσεις που αναφέρονται στη βιβλιογραφία.