وبلاگ

روش های شناسایی که بر مبنای تحقق بنا شده و به آن روش هندسی یا زیرفضا نیز می گویند، جزو روش هایی است که سیستم های خطی چندمتغییره را به شکل مدل فضای حالت با دقت مناسب و به طور سریع شناسایی می کند. مسئله شناسایی سیستم های MIMO یکی از مسائل مهم است که روش های شناسایی SISO جوابگوی آن نمی باشد یکی از دلایل اینست که به دست آوردن و پیش بینی یک ساختار پارامتریک برای این سیستم ها بسیار دشوار است. در اواسط دهه 1960 دو مقاله مهم یکی برای تخمین مدل ARMAX توسط AStrom و Bohlin و دیگری توسط Ho و Kalman برای حل مسئله تحقق فضای حالت ارائه گردید که آغازی برای طرح مسئله شناسایی سیستم ها و فرایندهایی بود که در صنعت با آن مواجهیم. می توان گفت روش های زیرفضا براساس ایده تئوری تحقق سیستم های قطعی و تصادفی تکیه دارد و توسط محققینی همچون Ho و Kalman (1966 و Van Overschee و De Moor (1996 – 1994 و Verhagen (1994 و Verhaegen و Dewilde (1992 و Viberg (1995 و Akaike (1975 – 1974 و Faurre (1976 و Picci (1976 و Lindquist و Picci (1979 – 1991 و بسیاری دیگر پایه گذاری شده و توسعه یافته است. این روش ها علاوه بر سیستم های خطی، سیستم های غیرخطی را نیز شناسایی می نمایند. در چند دهه اخیر تلاش هایی برای ارائه روش هایی جهت شناسایی سیستم های غیرخطی با استفاده از الگوریتم زیرفضا انجام گرفته از جمله شناسایی مدل Wiener و Hammerstein، شناسایی مدل Hammerstein با استفاده از LS-SVM و شناسایی سیستم های دوسویه. در این پروژه الگوریتم جدیدی جهت شناسایی on-line سیستم های غیرخطی با مدل Hammerstein ارائه خواهد

 شد. مدل های Hammerstein از اتصال متوالی یک بلوک خطی و یک بلوک غیرخطی تشکیل می شود. برای شناسایی بلوک خطی از الگوریتم شناسایی زیرفضا با استفاده از آنالیز مولفه اصلی یا SIMPCA (Qin ,Wang و جهت شناسایی بلوک غیرخطی از روش نگاشت غیرخطی که یکسری توابع پایه شعاعی را جهت این نگاشت به کار می برد استفاده خواهیم کرد. به این دلیل از توابع پایه شعاعی استفاده می شود که نوشتن برنامه شبیه سازی با این تابع ساده تر است و همچنین امکان اعمال چند ورودی به طور همزمان برای آن وجود دارد. سپس با اعمال روش هایی سعی در اصلاح نگاشت یا بهینه سازی پارامترهای توابع پایه می نماییم. این روش ها شامل الگوریتم پالایش انتخابی، الگوریتم بهینه سازی شبه – نیوتن با کد BFGS و الگوریتم ژنتیک می باشد. هر سه روش بررسی و اجرا خواهند شد و مناسبترین آنها جهت شناسایی on-line به کار گرفته می شود. این پایان نامه در 6 فصل تنظیم شده است، فصل اول شامل شناسایی مقدماتی با مقوله شناسایی و اهداف پروژه می باشد، در فصل دوم وارد مبحث شناسایی زیرفضا شده و با ایده اصلی آن آشنا می شویم در فصل سوم چند روش مهم شناسایی زیرفضا تجزیه و تحلیل می شود و در فصل چهارم روشهای شناسایی مدل غیرخطی و به صورت off-line ارائه می شود. فصل پنجم نیز شامل شناسایی on-line مدل غیرخطی Hammerstein با استفاده از روش SIMPCA می باشد و در انتها نتیجه گیری و پیشنهادات لازم ارائه می گردد.

:
در این فصل در ابتدا توضیح مختصری راجع به خواص مدارات در حالت کلی بیان می کنیم. سپس اثرات غیرخطی بودن مدار مانند هارمونیک ها، فشردگی بهره، مدولاسیون متقابل و اینتر مدولاسیون مرتبه 2 و 3 را بررسی می کنیم. سپس توضیحاتی راجع به فرآیندهای تصادفی و به خصوص نویز ارائه می دهیم.
1-1- ویژگی های مهم مدار:
در این بخش به توضیح خواص و ویژگی های مدارات می پردازیم:
1-1-1 خاصیت خطی بودن:
اگر شرط زیر برقرار باشد یعنی مدار خطی است:
xr(t)->y1(t
x2(t)->y2(t
ax1(t)+Bx2(t)->ay1(t)+By2(t

در سیستم خطی ما می توانیم از قانون جمع آثار استفاده کنیم به عبارت دیگر خروجی به صورت ترکیب خطی از پاسخ سیستم به تک تک ورودی ها می باشد.
سیستم غیرخطی سیستمی است که شرط بالا را نداشته باشد یا به عبارت دیگر شرایط اولیه غیر صفر یا آفست محدود داشته باشد.
2-1-1- خاصیت تغییرپذیری با زمان:
اگر رابطه زیر برقرار باشد سیستم تغییر ناپذیر با زمان است در غیر این صورت متغیر با زمان است:
x(t)->y(t
x(t-z)->y(t-z
نکته: اگر مدار هر دو خاصیت بالا را داشته باشد LTI گفته می شود.
3-1-1- بدون حافظه بودن:
اگر خروجی سیستم در هر زمان به ورودی در همان زمان وابسته باشد سیستم را بدون حافظه گویند در غیر این صورت سیستم را با حافظه می نامند.
اگرچه خاصیت غیرخطی و متغیر با زمان بودن مفاهیم بدیهی هستند ولی باید در استفاده از این مفاهیم دقت کرد زیرا گاهی باهم اشتباه می شوند. برای تفهیم بهتر در اینجا یک مثال را بررسی می کنیم. شکل 2.1a را در نظر بگیرید. این شکل مدار ساده یک سوئیچ می باشد. vin1 کنترل کننده سوئیچ می باشد به این صورت که اگر مثبت بود سوئیچ وصل و اگر منفی بود سوئیچ قطع می باشد. اگر این مدار مانند شکل 2.1b در نظر گرفته شود (یعنی Vin1 به خروجی) سیستم غیرخطی متغیر با زمان می باشد زیرا از یک طرف به قطبیت Vin1 بستگی دارد پس غیرخطی است و از طرف دیگر چون خروجی به Vin2 نیز وابسته است، پس متغیر با زمان می باشد. حال اگر مدار را مطابق شکل 2.1C (یعنی Vin2 به خروجی) در نظر بگیریم، سیستم خطی متغیر با زمان است.
نکته بسیار مهمی که در پایان به آن اشاره می کنیم این است که سیستم خطی نیز می تواند مولفه های فرکانسی ایجاد کند که در ورودی نیست و این پدیده می تواند در اثر متغیر با زمان بودن ایجاد شود.

جهت ساخت سوئیچ فابریک های بزرگ ATM، از مجموعه روش های Clos و Crossbar، با استفاده مکرر از قطعات با بافرهای خروجی و تسهیم حافظه که به صورت m*m ساخته شده اند، استفاده می شود. به طور کلی، سوئیچ های ATM با ویژگی چند پخشی، دارای دو نوع فابریک اساسی هستند:
Crossbar , Clos. از مزیت های سوئیچ فابریک Crossbar، ابتدا می توان به ساختار ساده آن اشاره کرد که برای پیاده سازی بسیار آسان می باشد. دوم، ویژگی ذاتی چند پخش آنها می باشد. و سوم، اینکه این سوئیچ، به طور ذاتی دارای خاصیت عدم انسداد می باشد. (به عبارتی می توان گفت، که همواره بین هر پورت ورودی و خروجی یک مسیر قابل دسترس وجود دارد.)
سوئیچ های Clos، از دسته شبکه های تحت عنوان MINs می باشند، که فقط دارای چندین طبقه هستند.
شبکه های MINs، اتصال میان پورت های ورودی و خروجی را از طریق تعدادی طبقات دارای سوئیچ، برقرار می کنند. هدف از MINs، جلوگیری از پیچیدگی سخت افزاری شبکه های Crossbar (یک سوئیچ “N*N Crossbar” دارای N2 نقطه تقاطع می باشد). و نیز ایجاد توانایی عدم انسداد در هر زمان می باشد. دسته معروف MINs، شبکه های Clos هستند که اساس کار ما در این پایان نامه است.
باید گفت که در سوئیچ Clos، مکانیزم سریعی برای دستیابی به نطم دوباره اتصالات، مطابق با سلول های ورودی هر قطعه زمانی مورد نیاز است، تا بتوان از مسدودشدگی داخلی جلوگیری کرد.
این مسأله، وقتی که اندازه سوئیچ بزرگ باشد، ایجاد مشکل می کند. در عمل، ممانعت از مسدودشدگی داخلی، ساده نمی باشد. در واقع وقتی که رقابت سلول ها، روی پیوندهای داخلی روی دهد، کارایی سیستم کاهش می یابد.
این مسأله می تواند با افزایش تعداد پیوندهای داخلی بین واحدهای سوئیچ، بهبود یابد. به طوری که مسیرهای بیشتری برای مسیریابی سلول های اطلاعاتی وجود خواهد داشت.
افزایش پهنای باند پیوندهای داخلی نیز مفید است، که به جای داشتن یک سلول برای هر پیوند داخلی در قطعه زمانی، هم اکنون بیشتر از یک سلول از واحد ورودی به واحد طبقه سوم مسیریابی می شود. از آنجا که بین هر زوج واحد ورودی و خروجی در شبکه Clos، به تعداد طبقات میانی، مسیر فیزیکی وجود دارد، لذا مدیریت تخصیص واحد میانی (واحدهای طبقه میانی) می تواند باعث توزیع یکنواخت ترافیک

 ورودی شود. با ارائه روش هایی که در آنها، تخصیص زمانی و نیز تخصیص مکانی صورت می گیرد، می توان پارامترهای کارایی را بهبود بخشید.

در این پایان نامه، هدف اصلی ما، طراحی یک الگوریتم جدید به منظور مسیریابی سلول های مکالمات درخواستی از سوئیچ، در طبقات سوئیچ می باشد به طوری که بتوان پارامترهای کارایی را بهبود بخشید. اصول کار در این پایان نامه به ترتیب زیر می باشد:
در فصل اول، هدف از کار و پیشینه ای از تحقیق و نیز روش کار و تحقیق به طور مختصر ارائه می گردد.
در فصل دوم، پایه ای از ATM و اساس سوئیچینگ در ATM مورد بحث و بررسی قرار می گیرد، در این فصل، مزایا و معایب مهم انواع سوئیچ های ATM مورد مطالعه قرار می گیرد.
مرجع اصلی این فصل، مرجع [1] می باشد.
در فصل سوم، سوئیچ های شبکه ای Clos که سوئیچ پیشنهادی در پایان نامه می باشد، مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. مفاهیم این فصل، در درک مباحث بعدی، کمک زیادی می کند. مرجع [4]، یکی از مقالات IEEE، در زمینه سوئیچ Clos می باشد که از مراجع مهم اطلاعاتی این فصل بوده است. در فصل چهارم، اصول عملی کلی در زمینه سوئیچ های Clos، در قالب عنوان پایان نامه، که قبلا مورد تحقیق واقع شد، بررسی می گردد. مقالات IEEE زیادی در زمینه ATM و سوئیچ های Clos ارائه گردیده است. در این فصل، هدف، بررسی مقالات و تحقیقات قبلی می باشد که قبلا در راستای عنوان پایان نامه انجام شد. با مطالعه این مقالات، انواع روش های ساخت سوئیچ فابریک های بزرگ ATM و نیز روش هایی در زمینه مسیریابی بهینه مورد بررسی قرار می گیرد. از مراجع مطالعاتی این فصل، مقالات مربوط به مراجع  [3]، [5]، [6] می باشند.
فصل پنجم، روش کار در پایان نامه را شرح می دهد که شامل ارائه یک الگوریتم جدید و شبیه سازی آن در محیط نرم افزار Matlab می باشد. شرح کامل الگوریتم و نتایج بدست آمده در این فصل آورده شده است.
فصل ششم نیز شامل نتیجه گیری، پیشنهادات و پیوست ها می باشند. ضمنا در این فصل فهرست کلی منابع و مأخذ نیز، آورده شده است.

:
مهمترین بخش های سیستم کنترلی را حلقه های کنترلی تشکیل می دهند. نقش حلقه های کنترلی در صنایع فرآیندی تنظیم متغیر خروجی پروسه (process variable) به مقدار خروجی مطلوب (set point) در حضور اغتشاشات و نوسانات می باشد. مقدار خروجی مطلوب مقداری است که فرآیند بیشترین بازده را در آن نقاط خواهد داشت. در فصل اول کلیات پروژه ارائه شده است. فصل دوم به ارزیابی عملکرد حلقه های کنترلی اختصاص یافته است در این فصل ابتدا مشکلات حلقه ها مطرح شده و سپس معیارهای ارزیابی عملکرد حلقه ها مورد بررسی قرار گرفته است. فصل سوم حلقه های واحد نمونه در محیط HYSYS شبیه سازی شده و سپس با استفاده از واسط بین نرم افزار HYSYS و MATLAB حلقه های واحد نمونه صنعتی در شرایط مختلف مورد ارزیابی قرار می گیرند. فصل چهارم به نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات اختصاص یافته است.
فصل اول: کلیات
1-1- هدف
این پروژه سعی نموده است جهت آماده سازی نرم افزاری جامع که ارزیابی و مونیتورینگ عملکرد حلقه های کنترلی را انجام دهد مقدمات زیر را فراهم آورد:
1- مطالعه و جمع آوری روش های تشخیص حلقه های معیوب و مشکل دار
2- مطالعه و بررسی روش های آشکارسازی ریشه مشکلات به وجود آمده در حلقه ها
3- شبیه سازی ارزیابی عملکرد حلقه های کنترلی بر روی واحد نمونه صنعتی
2-1- پیشینه تحقیق

ارزیابی عملکرد حلقه های کنترلی در صنعت در چند سال اخیر مورد توجه فراوانی قرار گرفته است تعداد مقالات ارائه شده در کنفرانس های بین المللی در این زمینه گواه این مطلب می باشد. علاوه بر تحقیقات آکادمیک در دانشگاه ها، شرکت های مختلفی اعم از سازندگان

 سیستم های پیشرفته نظیر DCS و دیگر شرکت ها اقدام به ارائه نرم افزارهای تخصصی جهت این امر نموده اند. بر مبنای اطلاعات موجود فعالیت های ثبت شده قابل توجه ای در کشور وجود ندارد در حالی که این موضوع به عنوان یکی از محورهای مهم تحقیقاتی در مجامع علمی و کاربردی در گستره بین المللی مطرح می باشد. به دلیل اهمیت کاربردی این موضع نتایج حاصل عمدتا به صورت نرم افزارهای تخصصی به شیوه تجاری مطرح شده است.

فعالیت های انجام شده در این پروژه در چهار فاز کاری صورت گرفته است فاز اول شامل گردآوری منابع می باشد در یک نگاه کلی منابع شامل موارد زیر می باشند:
1- مقالات ارائه شده در کنفرانس های بین المللی
2- کتب انتشار یافته
3- سایت های تولیدکنندگان محصولات صنعتی از جمله سیستم های کنترلی توزیع یافته DCS
4- تجربه افراد شاغل در صنعت نفت و گاز از جمله تجربه 5 ساله اینجانب در پالایشگاه گاز
در فاز دوم ابتدا با استفاده از تجربه افراد شاغل در صنعت، مشکلات موجود در صنایع فرآیندی که به حلقه های کنترل ارتباط داشته مورد شناسایی قرار گرفته سپس با مطالعه منابع موجود روش های شناسایی این مشکلات و راهکارهای رفع آنها جمع آوری گردید. شبیه سازی واحد نمونه صنعتی در محیط HYSYS و کدنویسی معیارها ارزیابی عملکرد حلقه های کنترلی در محیط Matlab به طور موازی در فاز سوم اجرا شده است. نرم افزار HYSYS یک نرم افزار قوی و شناخته شده جهت شبیه سازی فرآیندهای صنعتی در حالت استاتیک و دینامیک می باشد نرم افزار Matlab دارای یک محیط قوی و مناسب جهت محاسبات پیچیده می باشد.
در فاز چهارم، با استفاده از واسط بین نرم افزار HYSYS و Matlab ارزیابی عملکرد حلقه های کنترلی واحد نمونه صنعتی و همچنین مدیریت آلارم ها اجرا گردید. برقراری واسط بین دو نرم افزار Matlab و HYSYS یکی از بخش های مهم و حیاتی در اجرای این پروژه بوده است چرا که بدون برقراری واسط بین این دو نرم افزار به صورت روی خط (online) ارزیابی عملکرد حلقه های کنترلی واحد نمونه صنعتی عملا امکان پذیر نبود.

:
برای دستیابی به كنترل مطلوب تطبیقی و برخط سیستم ها استفاده از روش شناسایی مناسب الزامی است. عدم وجود مدل دقیق ریاضی برای فرایندهای صنعتی و وجود ترم های غیرخطی در اكثر سیستم های فیزیكی، فاز شناسائی را در پروتكل های كنترلی حائز اهمیت فراوان ساخته است. لذا در این پایان نامه شناسائی فازی سیستمهای غیرخطی چندمتغیره براساس مدل فازی Takagi-sugeno در فاز شناسائی سیستم بررسی شده و به كارگرفته می شود.

در حالت برخط تمام داده ها را در ابتدای پروسه آموزش در اختیار نداریم، بنابراین آموزش مدل فازی TS باید با اولین نمونه داده شروع

 شود. در این شرایط ساختار مدل در ابتدا در دست نیست و به صورت تدریجی در خلال پروسه شناسایی تكامل می یابد. آموزش پیوسته و برخط مدل TS، برپایه روش دسته بندی بازگشتی غیر تكرارشونده بنا شده است، كه قسمت مقدم را تخمین می زند و الگوریتم حداقل مربعات بازگشتی پارامترهای زیر مدل های خطی تالی را محاسبه می كند. در این روش، ساختار مدل در ابتدا شناخته شده نیست و در طی پروسه شناسایی تكامل می یابد. (قابل ذكر است كه این تكامل بسیار آهسته تر از تكامل پارامترهای مدل صورت می گیرد. در مدل eTS پتانسیل داده جدید برای به هنگام كردن پایگاه قوانین، استفاده می شود. در این الگوریتم داده های پرت هیچگونه شانسی برای اینكه به عنوان مركز قانون انتخاب شوند، ندارند. دلیل این مسئله روش خاص تعریف مراكز قانون است. این مسئله بسیار مهم است كه آموزش بدون هیچ گونه دانش اولیه از سیستم و فقط با استفاده از اولین داده آغازمی شود. این ویژگی جالب توجه كاربرد این شیوه را در بسیاری از سیستم های تطبیقی سودمند می سازد.

به دلیل مزایای زیاد كنترل كننده پیش بین نسبت به سایر روش های كنترل كلاسیك و همینطور بدیع بودن اعمال این كنترل كننده بصورت تطبیقی و برخط به همراه این روش شناسایی هوشمند غیرخطی، در صنعت و مخصوصا برای سیستم های چند متغیره، كنترل پیش بین تطبیقی بصورت برخط در مرحله كنترل استفاده گردیده است.