وبلاگ

:
در سال های اخیر با پیشرفت سیستم های کامپیوتری، سیستم های هوش مصنوعی نیز متولد شده و رشد کرده است. یکی از سیستم های هوش مصنوعی، شبکه های عصبی مصنوعی هستند. این شبکه ها به علت عواملی چون قطعیت در پاسخ، سادگی در اجرا، قابلیت انعطاف بالا و… جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده اند. با توجه به ساختار و کارکرد شبکه های عصبی مصنوعی و اهمیت تعیین پارامترهای دینامیکی اجزاء سیستم های قدرت از جمله ژنراتورهای سنکرون، بهره گیری از شبکه های عصبی مصنوعی در این حوزه قابل طرح است. از طرف دیگری نتایج ارائه شده از بکارگیری این شبکه ها در حوزه های مشابه، کارکردهای نوید بخشی را نشان می دهد. با توجه به مراتب فوق این پروژه بر آنست تا با طراحی و اجرای طرح شناسایی پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی، قابلیت های این سیستم را در حوزه شناسایی بلادرنگ پارامترهای دینامیکی ژنراتورهای سنکرون نیز بیازماید.
فصل اول: کلیات
سیستم های قدرت متشکلند از مجموعه ای از مراکز تولید (نیروگاه ها) که توسط شبکه های انتقال و توزیع و تجهیزات حفاظتی و کنترل آن به مراکز مصرف متصل می گردند. وظیفه اصلی یک سیستم قدرت تولید و تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز مصرف کنندگان با حفظ شرایط سه گانه:
1- ارزانی قیمت انرژی
2- کیفیت بالا
3- امنیت تامین انرژی

می باشد. مراد از امنیت، پیوستگی و تداوم در تولید و تامین انرژی می باشد. عوامل موثر در امنیت عبارتند از:
1- سرمایه گذاری اولیه (تجهیزات سیستم)
2- روش ها و امکانات نگهداری و تعمیرات سیستم قدرت.
همانگونه که در کلیه وسایل و سیستم های غیر الکتریکی همواره دو ویژگی ارزانی و بالا بودن کیفیت امنیت با یکدیگر متعارض و متقابل می باشند در مقوله انرژی الکتریکی و سیستم های قدرت نیز به همان گونه خواهد بود. امنیت یک سیستم قدرت در حقیقت درجه و میدان توانایی آن سیستم در مواجهه با حوادث و اغتشاشات می باشد. امنیت کلی یک سیستم به دو زیرشاخه:
1- امنیت دینامیکی
2- امنیت استاتیکی
قابل تقسیم است. از توانایی سیستم قدرت برای حفظ و نگهداری خود در دوره وقوع اختلال (که خود از سه دامنه فوق گذرا – گذرا – دینامیک تشکیل شده است) با عنوان امنیت دینامیکی تعبیر می گردد. با توجه به اهمیت بسیار زیاد امنیت سیستم های قدرت، فرایند ارزیابی و بهبود آن همواره مورد توجه مهندسین طراح و بهره بردار بوده، به قسمی که عملیات ارزیابی و بهبود امنیت سیستم های قدرت یکی از وظایف بسیار مهم و اساسی مراکز کنترل و بهره برداری شبکه های قدرت می باشد. شکل کلی فرایند ارزیابی و بهبود سیستم های قدرت در شکل 1-1 بیان شده است. با توجه به اهمیت امنیت در سیستم های قدرت و همچنین تغییرات مستمری که در حین عملیات بهره برداری 24 ساعته در شبکه اتفاق می افتد ضرورت دارد که دائما از طرف بهره بردار، عملیات بهره برداری به شکل های مختلف بر روی سیستم های قدرت اعمال گردد، اما به توجه به ویژگی بالا بودن امنیت نباید این عملیات به گونه ای باشد که سبب بروز اغتشاش در رفتار سیستم و در نتیجه نقض غرض گردد. از طرفی سیستم قدرت هر کشور منحصر بفرد بوده به قسمی که نمونه دومی نمی توان برای آن ایجاد نمود. بنابراین با توجه به ویژگی منحصر بفرد بودن سیستم های قدرت و ضرورت اجتناب از عملیات بهره برداری بررسی نشده، برای ارزیابی اولیه از نتایج عملیات بهره برداری و یا طراحی ضرورتا می باید از یک نمونه مشابه سیستم قدرت استفاده نمود تا بتوان ابتدا نتایج مانورهای طراحی یا بهره برداری را بر آن آزمایش و در صورت اطمینان از بی خطر بودن، نتایج آن مانورها را بر شبکه واقعی اعمال نمود.

در طول بیست سال گذشته پیشرفت میکروتکنولوژی قادر ساخته که سنسورهای کوچک و محرک های آن به صورت یکپارچه در یک بسته بندی ایجاد شوند. این فناوری باعث ایجاد سیستم های میکروالکترونیک و مکانیک MEMS شده است. در این گزارش دو مورد احساس و کنترل سیستم های MEMS مورد توجه قرار می گیرد. در این گزارش مدارات الکترونیکی برای سنسورهای خازنی کم نویز و سیستم های کنترل با فیدبک قوی ارائه شده است.
فصل اول
1-1- انگیزش

فناوری MEMS توانایی تولید سیستم های یکپارچه روی یک قطعه با قیمت پایین و عملکرد بهتر را ارائه می دهد. با این حال تکنولوژی MEMS دارای ضعف هایی مانند زیاد بودن پارامترهای نامعین و رفتارهای غیرخطی می باشد. همچنین سیستم های MEMS، نسبت سیگنال

 به نویز و محدوده دینامیکی پایین دارند زیرا ساختمان های ریز به تغییرات نویزی و آشفتگی خیلی حساس می باشند.

کاربرد عمده فناوری MEMS در اندازه گیری کمیاب وابسته به اینرسی است. مطالعه نشان می دهد که میکرو شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها محدوده وسیعی از کاربرد در صنایع، اتوماسیون تجاری و نظامی را دارند و بیش از 20 درصد کل بازار بورس را با بیش از یک میلیون دلار به خود اختصاص داده اند. در شکل (1-1) فن آوری انواع شتاب سنج ها مورد مقایسه قرار گرفته است.
در میان حسگرهای MEMS نوع خازنی نسبت به دیگر حسگرها، دارای اهمیت زیادی هست. و از بین مکانیزم های مختلف، برای حسگرهای خازنی دو تا جایگزین وجود دارد. سنسورهای مقاومت پیزو که به خاطر نویز حرارتی عملکرد ضعیفی دارند و بنابراین بیشتر در تولیدات (low-end) استفاده می شوند. و دیگری حسگر جریان تونل که نویز پایین تر از Mg/rtHz را می دهد.
با این حال چون قطعات تونل نیازمند شکاف خیلی کوچک بین نوک و الکترود (10A0>) و ولتاژ بالا (10V<) است پس برای ساخت و یکپارچه سازی پیچیده و گران قیمت خواهد بود. حسگرهای خازنی مزایای ضریب حرارتی پایین، توان مصرفی پایین، نویز پایین، قیمت پایین و سازگاری با تکنولوژی VLSI را دارند. بنابراین در سال های اخیر حسگر خازنی توجه بیشتری را به خود جلب کرده و به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته است.

:
سیستم های ارتباطی فرا – پهن باند (UWB)، نوید گستره پهنای باند بسیار بالا، کاهش ضعیف شدن محو تدریجی از مسیرهای چندگانه (reduced fading from multipath) و انرژی مورد نیاز پایین هستند. مفهوم اصلی ای که در ورای سیستم های رادیوئی UWB قرار دارد این است که آنها پالس های با بازده زمانی کوتاه را انتقال می دهند، و خلاف طرح های ارتباطی سابق، که موج های سینوسی می فرستند. نقش آنتن های UWB در همه این ها این است که قادر باشند این پالس ها را با دقت و کیفیت ممکن انتقال دهند.
در این سمینار فرایند توصیف برد آنتن حوزه زمانی خود را شروع می کنیم که براساس یک اسیلوسکوپ ضربانی سریع و یک اسیلوسکوپ نمونه گیری دیجیتال است به نظر می رسد برد آنتن دامنه زمانی چند مزیت نسبت به متناظرهای دامنه فرکانس خود دارند. اول این دستگاه ارزانتر است، یعنی یک اسیلوسکوپ نمونه گیری و ضربان دهنده سریع ارزان تر از یک تحلیل گر شبکه برداری (VNA) هستند. دوم ساخت سیستم ما برای استفاده موقتی ساده است، بنابراین حالت حقیقی تخصیص یافته لازم نیست.
سرانجام سیستم ما می تواند در گستره دمایی وسیعی عمل کند این تا اندازه ای با VNA نوعی مغایرت دارد، که برای اجتناب از دست رفتن کالیبراسیون باید در یک گستره دمایی بسیار محدود باقی بماند. توصیف برد یک آنتن کاری پر چالش است. چون ممکن است انتظار برود که عملکرد برد به تعداد زیادی از متغیرهای بستگی داشته باشد. اول، انتظار داریم که عملکرد به ویژگی های زمین در برخی خارج از ساختمان بستگی داشته باشد. دوم، انتظار داریم که عملکرد به گستره فرکانس آنتن های مورد بررسی بستگی داشته باشد. سرانجام، عملکرد به دسته آنتن مورد اندازه گیری بستگی دارد. آنتن ها به شدت رزنانسی که تا زمان های دیر صدا می دهند به اندازه گیری هایی با پنجره های زمانی طولانی نیاز دارند. در چنین زمان های دیری، خارج کردن اثرات جهش تصویر پایه از دروازه زمانی غیرممکن می شود. علاوه بر این، پنجره های زمانی طولانی نسبت به پنجره های زمان کوتاه شامل نویز سیستم بیشتری می باشند. از سوی دیگر، آنتن های بسیار پهن باند (UWB) با زنگ زدن کم یا بدون زنگ زدن، کاملا خوب در دروازه زمانی خارج کردن اثرات جهش تصویر پایه را امکانپذیر می سازند. به این دلیل، برد ما به طور خاصی برای اندازه گیری آنتن های UWB مناسب است. همانگونه که خواهیم دید، این برد برای گستره وسیعی از آنتن های متداول تر نیز به خوبی عمل می کند. برای سازمان های دخیل در ارائه طرح آنتن، سیستم های سنجش آنتن

 دامنه و فرکانس هزینه اولیه خیلی زیادی را تحمیل می کنند که مانع مهمی برای ورود به این حوزه است. سیستم های اندازه گیری آنتن معمولا از یک تحلیلگر شبکه برداری دامنه فرکانس (VNA) و اتاقک anechoic یا برد بزرگ خارج از ساختمان استفاده می کنند. هزینه کل چنین سیستم هایی بیش از 300/000$ است. وقتی آنتن های بسیار پهن باند (UWB) باید توصیف شوند هزینه اندازه گیری دامنه و فرکانس حتی بیشتر است. چون داده ها باید در فرکانس های زیادی گرفته شوند، که مستلزم زمان بیشتری است. برای پرداختن به این موضوعات زمان و هزینه در حال حاضر تکنولوژی موجود است که سنجش مستقیم ویژگی های آنتن ها در دامنه زمانی را امکانپذیر می سازد. چنین بردهای آنتن دامنه زمانی یک چهارم هزینه یک برد دامنه فرکانس متداول را خواهند داشت. علاوه بر این، آنها اندازه گیری های پرمعنایی را به دو دهه پهنای باند، در دامنه فرکانس یا دامنه زمانی، فراهم خواهند ساخت. آنها به صورت لازم بسته بندی شده و به کار گرفته خواهند شد. این نمونه داری سخت افزار و نرم افزار مورد نیاز برای حصول به کنترل کامپیوتری بر تمام عملکردهای اصلی است. نرم افزار، پوشش کاملا اتوماتیک جهت گیری های آنتن (آزیموت و ارتفاع) را برای هر پروتکل تست تعیین شده توسط کاربرد فراهم می کند. در هر جهت، نرم افزار به یک اسیلوسکوپ نمونه گیری دیجیتال (DSO) فرمان می دهد یک اندازه گیری را کسب کرده و داده های شکل موج حاصل را برای نمایش، ذخیره و پردازش به کامپیوتر کنترل کننده انتقال بدهد. پردازش آنلاین داده های boresight کسب شده، از جمله تعیین و نمایش بهره موثر آنتن، می تواند به صورت تقریبا بلادرنگ انجام شود. اجرای کنونی قابل مقیاس بندی برای فراهم ساختن توصیف اتوماتیک آنتن ها برای تمام جهت گیری هاست.

این سمینار را با تشریح سخت افزار موجود در برد آنتن دامنه زمانی و سپس اندازه گیری دو آنتن تابشی پالسی تحقیقاتی Farr را شرح می دهیم. با دامنه فرکانس 206Ghz تا 250MHZ، این بخش اندازه گیری های یک آنتن موجبر دماغه ای لبه دار را به دنبال دارد که بین 1 و 18Ghz عمل می کند.
پس یک آرایه دو قطبی متناوب EMCO3147log را اندازه گیری می کنیم که بین 200Mhz و 5Ghz عمل می کند. پس چند آرایه دو قطبی متناوب log مدار چاپی را اندازه گیری می کنیم که بین 1 و 12GHz عمل می کند پس به منظور تعیین عملکرد برد در فرکانس های کمتر چند آنتن دو قطبی خورده و یا گی رزونانسی را توصیف می کنیم. سرانجام یک دماغه باند – 640X مدل Narda را توصیف می کنیم.

کنترل سیستم های خطی به طور وسیع بررسی شده و مجموعه ای از ابزارها، برای تحلیل، فرابینی، بهینه سازی و کنترل آنها، به خوبی مشخص شده است. به این منظور، فرایند کنترل مهندسی با متمرکز کردن بر سیستم خطی، حل دامنه وسیعی از مسائل کنترلی را ارائه می دهد. متاسفانه، حقیقت این است که فرایندهای محدودی خطی هستند، و از اینرو تاثیر استفاده از استراتژی کنترل خطی باید تحقیق شده باشد. استراتژی کنترل غیرخطی پیشرفت عظیمی داشته و پذیرش بیشتری شده. هرچند پیاده سازی آنها توسط درجه مهمی از سفسطه ریاضی یا نیاز محاسباتی ممانعت شده است. از اینرو تقریب های خطی محلی سیستم غیرخطی، اغلب برای گسترش دادن قانون کنترل به کار می رود. به منظور آزمایش تاثیر این نگرش، یک شاخص از اندازه گیری تاثیر فرایند غیرخطی در عملکرد کنترل خطی ارائه می شود.
با توجه به مطالب بیان شده، پیدا کردن روش هایی که بتوان به واسطه آن، از صحت عملکرد کنترل کننده خطی، اطمینان حاصل کرد، حایز اهمیت است. همچنین افزایش صحت عملکرد کنترل کننده های خطی برای سیستم های غیرخطی جزء روش های جذاب تحقیق می باشد.
در این پژوهش قصد داریم براساس کارهای جدید انجام شده در مورد کنترل کننده های LQR روشی ارائه دهیم که در آن پارامترهای آزاد این کنترل کننده به قسمی طراحی می شوند که اثر نامطلوب غیرخطی بودن سیستم بروی فرایند کنترل کاهش یابد.
در فصل اول، هدف از پژوهش و پیشینه تحقیق، همراه با روش کار و تحقیق بیان شده است. در فصل دوم، روش LQR و کاربرد آن در سیستم های غیرخطی معرفی شده است، در فصل سوم، روش LQR با استفاده از معیار PSM برای یک سیستم حقیقی (CSTR) شبیه سازی شده و معیار جدیدی به نام Dr(Relative Distance معرفی می شود، در فصل چهارم نتایج شبیه سازی ارائه شده و در فصل پنجم نتایج و پیشنهادات برای ادامه کار بررسی می شود.
فصل اول: کلیات
موضوع کنترل غیرخطی تحلیل و طراحی سیستم های کنترل غیرخطی را بررسی می کند. به طور مثال، سیستم های کنترل غیرخطی ای که حداقل یک مولفه غیرخطی دارند. در تحلیل فرض می شود که سیستم حلقه بسته غیرخطی طراحی شده است، و مایلیم مشخصات رفتاری این سیستم را تعیین کنیم. در طراحی فرض بر این است که یک سیستم غیرخطی را بایستی کنترل کنیم که برخی از مشخصات رفتار سیستم حلقه بسته آن را داده اند و از ما می خواهند که کنترل کننده ایی بسازیم که سیستم حلقه بسته مطلوب را داشته باشد. در عمل، البته موضوع های طراحی و تحلیل بهم وابسته اند، زیرا در طراحی سیستم کنترل غیرخطی معمولا ضروری است که از فرایند تکراری تحلیل و طراحی استفاده کنیم.

2-1 چرا کنترل غیرخطی؟
کنترل غیرخطی موضوعی جا افتاده با روش های متنوع و توانا و تاریخی طولانی در کاربردهای موفق صنعتی است. بنابراین، طبیعی است تعجب کنیم چرا این همه محقق و طراح در زمینه های مختلف چون کنترل هواپیما و فضاپیما، روباتیک، کنترل فرایند و مهندسی زیست پزشکی به تازگی علاقه جدی نسبت به توسعه و کاربرد روش های کنترل غیرخطی نشان داده اند. دلایل متعددی را برای چنین علاقمندی می توان ارائه داد.
1-2-1- اصلاح سیستم های کنترل موجود
روش های کنترل خطی بر پایه فرض اصلی عملکرد در محدوده کوچک برای مدل خطی بنا نهاده شده است. هنگامی که محدوده عملکرد مورد نیاز وسیع است، کنترل کننده خطی محتملا عملکرد ضعیفی و یا ناپایدار دارد، زیرا اثرات غیرخطی قادر است به طور مستقیم اثرات غیرخطی در دامنه وسیع را پاسخگو باشد. این نکته به سادگی در مسائل کنترل حرکت ربات نمایش داده می شود. زمانی که کنترل کننده خطی برای حرکت ربات به کار گرفته می شود، نیروهای غیرخطی وابسته به حرکت بازوهای ربات را نادیده می گیرد. بنابراین دقت کنترل کننده به شدت با افزایش سرعت حرکت کم می شود، زیرا بسیاری از نیروهای دینامیکی نظیر نیروهای کوریولیس و مرکزگرا، با مجذور سرعت تغییر می یابند. در نتیجه برای حصول دقت لازم از قبل تعیین شده در عملکردهای ربات نظیر برداشتن و گذاردن، جوشکاری قوسی و برش لیزری، لازم است سرعت ربات و در نتیجه میزان تولید را پایین نگه داریم.
2-2-1- تحلیل غیرخطی های سخت
فرض دیگر کنترل خطی آن است که مدل سیستم واقعا قابل خطی سازی باشد. در حالی که در سیستم های کنترل عوامل غیرخطی بسیاری وجود دارد که طبیعت ناپیوسته آنها اجازه تقریب خطی را به ما نمی دهد. این موارد به اصطلاح “عوامل غیرخطی سخت” مشتمل بر اصطکاک کولومبی، اشباع، ناحیه مرده، لقی و پسماند، غالبا در مهندسی کنترل یافت می شوند. اثرات این ها را نمی توان با روش های خطی به دست آورد و باید تکنیک های تحلیل غیرخطی به کار برده شود تا بر آن مبنا بتوان عملکرد سیستم را در حضور این عوامل غیرخطی ذاتی پیش بینی نمود. از قبیل ناپایداری و یا چرخه های حدی کاذب که آثار این ها هم پیش بینی و هم به طور مناسب جبران می شوند.

انتقال اطلاعات در مخابرات دیجیتال به دو صورت تک حاملی و چند حاملی انجام می شود. در حالت مدولاسیون تک حاملی اطلاعات به طور سریال بر روی یک حامل فرکانسی قرار می گیرد در صورتی که در چند حاملی اطلاعات از طریق چند حامل فرکانسی ارسال می گردد. استفاده از مدولاسیون چند حاملی از دهه 1950 آغاز گردید و از همان زمان ایده استفاده از حامل ها به صورت همپوش مطرح شد و در دهه 1970 در آمریکا به این موضوع بسیار توجه گردید. امروزه این تکنولوژی در زمینه های مختلف نظیر ADSL و VDSL و… به کار رفته و از سوی ETSI برای پخش رادیویی (DAB) و پخش تلویزیونی (DVB) استاندارد گردیده است. این تکنولوژی برای شبکه های محلی بی سیم و به طور مشخص HiperLAN/2 و IEEE 802-11 مطرح گردیده و اخیرا به عنوان یک کاندید برای نسل چهارم تلفن های همراه پیشنهاد شده است.

در مدولاسیون چند حاملی برای اینکه راندمان پهنای باند افزایش یابد از حامل های متعامد استفاده می شود به طوری که در طول باند فرکانسی با یکدیگر همپوشانی دارند. مدولاسیون چند حاملی با حامل های متعامد OFDM نامیده می شود. در OFDM رشته اطلاعات اصلی با طول Ts که ناشی از مدولاسیون دیجیتال نظیر QAM می باشد که به N کانال موازی ارسال شده و با حامل فرکانسی آن کانال مدوله می شود. باند فرکانسی بین دو کانال مجاور برابر با 1/T است که در آن T طول سمبول OFDM است و N برابر طول سمبول های اصلی می

 باشد. در ابتدا تصور بر آن بود که برای ایجاد سمبول OFDM به بانکی از اسیلاتورها در سمت فرستنده نیاز است تا حامل های فرکانسی هر کانال ایجاد شود و سپس در گیرنده نیز با استفاده از آشکارساز همبستگی اطلاعات اولیه بازیابی می شود. در این صورت پیچیدگی زیادی در سخت افزار فرستنده و گیرنده ایجاد می شود. بعدا مشخص شد که حاصل جمع سمبول های مدوله شده از طریق حامل های فرکانسی هر کانال در واقع IDFT، N تایی رشته اطلاعات اولیه می باشد. در این صورت با بکار بردن IFFT در سمت فرستنده پیچیدگی سیستم تا مرتبه NlogN/2 کاهش می یابد و در گیرنده نیز با کمک FFT اطلاعات اولیه به راحتی بازیابی می گردد. نمایش طیف فرکانسی هر کانال یک تابع Sinc(0 است به صورتی که قله هر تابع در محل گذر از صفر توابع Sinc(0 دیگر کانال ها قرار دارد که باعث می شود در حوزه فرکانس تداخلی میان کانال ها به وجود نیاید و بدین ترتیب راندمان باند فرکانسی N برابر افزایش یافته است. وقتی گستردگی تاخیر در مقایسه با طول سمبول OFDM به اندازه کافی کوچک باشد اثرات ISI ناچیز می شود. بنابراین راه حل ساده برای مقابله با اعوجاج های ناشی از تاخیر چند مسیری افزایش، افزایش طول سمبول OFDM است به طوری که از حداکثر تاخیر ناشی از مسیرهای مختلف طولانی تر باشد. بهترین راه حل برای افزایش طول سمبول OFDM استفاده از زمان پیشوند چرخشی (CP) که در آن v نمونه از اطلاعات سمبول OFDM در ابتدای سمبول قرار می گیرد. اگر طول اضافه شده به اندازه کافی بزرگ باشد اثرات ISI و ICI کنترل می شود.