کنترل‌کننده‌های پیش‌بین (Predictive Controllers) – علیرضا محمودی فرد

طبق گزارش فرا اقتصاد بین الملل، کنترل‌گرهای پیش‌بین جزو پیشرفته‌ترین انواعِ کنترل‌کننده‌ها هستند. مسلما طراحی این‌دست از کنترل‌کننده‌ها، به‌سادگی امکان‌پذیر نیست و نیاز به دانش بالا، مواد اولیه مناسب، فناوری سطح بالا و طراحان بسیار قوی دارد.

مقدمه

کنترل‌کننده‌های پیش‌بین، به‌عنوان خروجی عملی یکی از تکنیک‌های مدرن کنترل، در سال‌های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این نوع کنترل‌کننده‌ها، به‌دلیل قابلیت‌های منحصر به فردی که در پیش‌بینی رفتار آینده سیستم دارند، در انواع متنوعی از کاربردها از جمله فرآیندهای صنعتی و سیستم‌های دینامیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تعریف کنترل‌کننده پیش‌بین

کنترل‌کننده پیش‌بین، سیستم کنترلی است که با استفاده از یک مدل ریاضی از سیستم، خروجی‌های آینده را پیش‌بینی کرده و بر اساس این پیش‌بینی‌ها، ورودی‌های کنترلی را به‌نحوی تولید می‌کند که خروجی مدنظر حاصل شود. این نوع کنترل‌گر به‌گونه‌ای طراحی شده است که با در نظر گرفتن آینده، عملکرد بهینه‌تری را نسبت به کنترل‌کننده‌های متداول ارائه می‌دهد.

اصول عملکرد

عملکرد کنترل‌کننده‌های پیش‌بین معمولاً شامل مراحل زیر است:

مدل‌سازی سیستم: تشکیل یک مدل ریاضی دقیق از دینامیک سیستم، که می‌تواند از نوع خطی یا غیرخطی باشد، که در موارد واقعی طبیعتا در غالب موارد با مدل‌های غیرخطی مواجهیم.

پیش‌بینی خروجی: با استفاده از مدل داده شده و ورودی‌های کنترلی موجود، خروجی‌های آینده سیستم پیش‌بینی می‌شوند.

بهینه‌سازی: تعیین ورودی‌های بهینه برای حداقل کردن یک تابع هزینه (یا حداکثرسازی یک تابع سود) که معمولاً شامل خطاهای پیش‌بینی شده و همچنین محدودیت‌های سیستم است.

اجرا: اعمال ورودی‌های بهینه به سیستم در زمان واقعی و تکرار این مراحل برای هر گام زمانی.

ویژگی‌های کلیدی

برخی از ویژگی‌های کلیدی کنترل‌کننده‌های پیش‌بین عبارتند از:

قابلیت مدیریت عدم قطعیت: کنترل‌کننده‌های پیش‌بین می‌توانند با عدم قطعیت‌ها و تغییرات دینامیک سیستم بهتر عمل کنند.

کنترل چند متغیره: این نوع کنترل‌کننده‌ها می‌توانند به‌طور همزمان چندین متغیر فرآیند را مدیریت کنند؛ در این نوع کنترل‌گرها غالبا با سیستم‌ها چند ورودی – چند خروجی مواجه هستیم..

انطباق با محدودیت‌ها: توانایی اعمال محدودیت‌های ورودی و خروجی به‌طور مؤثر در فرآیند کنترل.

انواع کنترل‌کننده‌های پیش‌بین

کنترل پیش‌بین مدل مرجع (Model Predictive Control – MPC) یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین نوع کنترل‌کننده‌های پیش‌بین که بر اساس مدل دینامیکی سیستم عمل می‌کند.

کنترل پیش‌بین بهینه (Optimal Predictive Control): متمرکز بر یافتن سیاست‌های کنترلی بهینه با توجه به یک تابع هزینه خاص.

کنترل‌کننده‌های پیش‌بین غیرخطی (Non linear Predictive Controller): برای سیستم‌هایی که دینامیک آن‌ها غیرخطی است، از مدل‌های خاصی برای پیش‌بینی و کنترل استفاده می‌شود.

کاربردها

کنترل‌کننده‌های پیش‌بین در بسیاری از صنایع و زمینه‌ها کاربرد دارند، از جمله:

صنایع فرآوری: در کنترل فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمی.

رباتیک: برای کنترل حرکات ربات‌ها و سیستم‌های اتوماسیون.

سیستم‌های انرژی: در مدیریت و کنترل شبکه‌های برق و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر.

خودروسازی: در سیستم‌های کنترل دینامیکی خودرو از جمله کنترل تعادل و سیستم‌های ترمز.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

پیچیدگی محاسباتی: طراحی و پیاده‌سازی یک کنترل‌کننده پیش‌بین، به محاسبات پیچیده و زیادی نیاز دارد.

حساسیت به مدل: دقت عملکرد کنترل‌کننده، به دقت مدل ریاضی استفاده شده بستگی دارد؛ هر چقدر مدل سیستم، دقیق‌تر حاصل شده باشد، کنتر‌ل‌کننده نیز عملکرد دقیق‌تری خواهد داشت.

نگهداری و به‌روزرسانی مدل: نیاز به نگهداری و به‌روزرسانی مداوم مدل‌های سیستم بر اساس شرایط جدید.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

کنترل‌کننده‌های پیش‌بین به‌عنوان یک راهکار موثر برای بهبود عملکرد سیستم‌های دینامیکی در شرایط مختلف به شمار می‌روند. با پیشرفت در زمینه‌های یادگیری ماشین و هوش مصنوعی، انتظار می‌رود که این تکنیک‌ها به‌سمت بهبود عملکرد و کاهش پیچیدگی‌های محاسباتی حرکت کنند. پژوهش‌های آینده باید بر روی افزایش کارایی و انطباق‌پذیری این سیستم‌ها در کاربردهای عملی متمرکز شوند.

علیرضا محمودی فرد – کارشناس ارشد برق کنترل و مدرس کنترل خطی در دانشگاه