وبلاگ

:
کنترل بهینه شامل مجموعه ای از روش ها و ابزارهای ریاضی است که برای طراحی کنترل کننده های سیستم های دینامیکی مورد استفاده قرار می گیرند و در این روش ها، معیاری برای بهینگی در نظر گرفته می شود، و در طراحی کنترل کننده مورد نظر، این معیار بهینه می شود. غالبا معیار بهینگی در ارتباط با عواملی همچون عملکرد، میزان مصرف انرژی کنترلی، زمان پاسخگویی، و چگونگی حالت نهایی تعریف می شود. به عنوان مثال، طراحی کنترل کننده ای که بتواند در کمترین زمان ممکن حالت یک سیستم دینامیکی را به یک حالت مطلوب برساند، مسأله ای است که می تواند در قالب یک مسأله کنترل بهینه تعریف شود.
تنظیم کننده درجه دوخطی یا LQR، رویکردی است که در طراحی کنترل کننده خطی برای سیستم های خطی، به وفور مورد استفاده قرار می گیرد. کنترل کننده LQR دارای قوام مناسبی است و دارای حداقل حد بهره 6- دسیبل، حداکثر حد بهره نامحدود، و حد فاز 60 درجه است. گزینه های تنظیمی مربوط به کنترل کننده LQR شامل ماتریس های وزنی موجود در تعریف معیار بهینگی است که تعیین این ماتریس ها بسته به سلیقه طراح است. مقادیر این ماتریس ها به طور مستقیم بر روی کنترل کننده بهینه به دست آمده در روش LQR تاثیر دارند. بر روی چگونگی تاثیر مقادیر ماتریس های وزنی بر کیفیت کنترل کننده LQR به دست آمده، بحث های فراوانی انجام شده است که غالبا با نام اختصاصی ساختار ویژه در حوزه کنترل بهینه مطرح شده است.
در کنار الگوریتم ها و روش های کلاسیک که برای حل مسأله وزن دهی بهینه و تعیین ساختار ویژه کنترل کننده LQR ارائه شده اند، الگوریتم های بهینه سازی هوشمند و روش های محاسبات نرم نیز به در حل این مسأله، مورد استفاده قرار گرفته اند. به عنوان مثال، الگوریتم ژنتیک، ترکیب الگوریتم ژنتیک و شبیه سازی تبرید، و الگوریتم مورچه ها برای حل مسأله تخصیص ساختار ویژه مورد استفاده قرار گرفته اند.
فصل اول
کلیات

1-1- هدف و اهمیت مسأله

در طراحی بسیاری از سیستم ها و حل بسیاری از مسایل نیاز داریم که از بین مجموعه وسیعی از جواب های ممکن یک جواب را به عنوان پاسخ بهینه انتخاب نماییم. اما به علت وسعت زیاد مجموعه جواب ها عملاً نمی توان تمام پاسخ ها را آزمود و باید این آزمایش را به صورت تصادفی انجام داد. از طرف دیگر این روند تصادفی باید به گونه ای انجام شود که به سمت بهترین جواب همگرا گردد. تئوری کنترل بهینه کوادرتیک خطی به این علت که به راحتی قابل پیاده سازی در مسائل مهندسی است و مبنای سایر تئوری های کنترلی می باشد، دارای اهمیت ویژه است. با این وجود در مورد خاصی که تابع هزینه یک تابع کوادرتیک خطی است، پاسخ بهینه به پاسخ رگولاتور کوادرتیک خطی همگرا می شود. روش LQR به طور گسترده در زمینه های مانند کنترل موتورهای القایی، کنترل میلنگ خودرو و غیره کاربرد دارد. سیستم مورد بررسی در این پروژه، نوعی از آونگ وارون می باشد.
آونگ وارون به طور وسیع به عنوان یک برنامه کنترلی جهت ارزیابی تئوری های کنترل مورد استفاده قرار می گیرد و یکی از سیستم های کلاسیک در دینامیک و کنترل است که به واسطه خواصی از قبیل غیرخطی بودن و ناپایداری ذاتی به عنوان یکی از مشکل ترین مسایل در مهندسی کنترل شناخته شده و به صورت وسیعی به عنوان یک محک برای تست الگوریتم های کنترل متفاوت مانند کنترل کننده های کلاسیک PID، شبکه های عصبی، کنترل کننده های فازی و… به کار می رود. از این سیستم شکل های مختلفی وجود دارد که از بین آنها می توان به ارابه، آونگ و آونگ های چرخشی افقط و عمودی اشاره کرد. هریک از اشکال مختلف آونگ وارون می تواند به صورت آونگ تکی و یا چندگانه وجود داشته باشد. این سیستم به عنوان یکی از سیستم های پایه آزمایشگاه های کنترل شناخته می شود.
در این پروژه به طراحی کنترلر LQR برای سیستم مورد نظر می پردازیم و با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات ماتریس های وزنی مناسب به منظور طراحی کنترلر LQR مطلوب انتخاب می نماییم. و آن را با دیگر روش های بهینه سازی معمول مقایسه می نماییم. مسئله اساسی اینست که بهترین ماتریس های وزنی را چنان تعیین کنیم که وضعیت مطلوب سیستم کنترلی را در کمترین زمان ممکن برآورده سازند. در این پروژه استفاده از روش الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات برای تعیین ماتریس های وزنی پیشنهاد می شود و نشان خواهیم داد که نتایج به دست آمده نیازهای سیستم کنترلی و مشخصات مطلوب سیستم را برآورده می سازند و برتری های روش مذکور را بر الگوریتم های بهینه سازی دیگر بررسی خواهیم کرد.

:
بروز خطا در یك فرایند یكی از مهمترین مسائلی است كه مهندسین كنترل با آن دست به گریبانند. برخی از نقص ها و عیوب بوجود آمده نه تنها از طریق كم كردن راندمان پروسه باعث زیان واحد صنعتی می شود بلكه می تواند در مواردی منجر به بروز فجایع بزرگ شود. به همین دلیل شناسایی زود هنگام این عیوب و سعی بر كنترل واحد صنعتی حتی در حضور آنها به منظور جلوگیری از قطعی كار فرایند یكی از مسائل مهم و به روز در زمینهی كنترل صنعتی به شمار می رود.
توربین بخار از واحدهای صنعتی مهم با عملكرد رفتاری پیچیده، غیرخطی و متغییر با زمان بوده كه نقش بسیار كلیدی را در نیروگاههای حرارتی ایفا میكند . بروز عیب رفتاری موجب ایجاد اشكال در عملكرد عادی توربین بخار شده و چنانچه به موقع تشخیص و نسبت به رفع آن اقدامی صورت نگیرد منجر به توقف عملكرد و در نهایت ایجاد سوانح و حوادث تجهیزاتی و حتی جانی میشود. در این راستا شبكه هایی طراحی می شوند كه بتوانند بستری را فراهم نمایند كه الگوریتم های تشخیص خطا
بیشترین نرخ تشخیص درست را توسط آنها بدست آورند. روشهای ارائه شده نه تنها باید قابلیت تشخیص وقوع عیب در سیستم را دارا باشند بلكه باید بتوانند نوع خطا و مشخصات آنرا شناسایی نمایند.

فصل اول: کلیات

1-1) هدف
شناسایی و تشخیص خطا در سیستمهای صنعتی یكی از مهمترین مسائلی است كه مورد توجه طراحان مهندسی قرار دارد و دراین راستا سیستمهایی را طراحی میكنند كه در صورت رخداد هرگونه اشكال در سیستم سریعاً این مشكل مونیتور شده و پس ازمشخص شدن منشاء آن نسبت به برطرف نمودن آن اقدامات لازم صورت پذیرد.
هدف اصلی ما در این پروژه بررسی عملكرد توربین بخار زمانیكه یك عیب در سیستم رخ داده باشد و طراحی یك سیستم تشخیص خطا میباشد. این عیب میتواند بر روی اندازه گیری سنسورهای فشار، دما و غیره كه ورودیهای سیستم هستند و یا بر روی درصد باز – بسته بودن شیرهای كنترلی كه خروجی سیستم هستند اتفاق بیفتد. همچنین تجهیزات اصلی توربین نیز میتوانند دچار مشكل شوند مانند گرفتگی در Extraction های توربین، خرابی درتجهیزات رطوبت گیر و غیره. در این راستا پس از مدلسازی توربین بخار و طراحی كنترلر پیش بین مناسب، یك ساختار ANFIS برای تشخیص 12 نوع عیبی كه احتمال وقوع آن در توربین زیاد است پیشنهاد میكنیم.
2-1) پیشینه تحقیق
مدلسازی توربین بخار توسط جناب آقای دكتر علی چایبخش انجام شده بود. همچنین برای تشخیص خطا در سیستمهای صنعتی در مقالات مختلف ، از روشهای عصبی مانند پرسپترون چند لایه (MLP) و SOM استفاده شده است. البته بیشتر در این مقالات بر روی كلاس بندی خطاهای رخ داده در سیستمها بحث شده است.
3-1) روش کار و تحقیق
در ابتدا مدل شبیه سازی شده توربین بخار را در نظر میگیریم و خروجی این سیستم كه همان توان مكانیكی میباشد را بدست میآوریم. در مرحله بعد یك كنترل پیش بین (GPC) برای این سیستم طراحی و رفتار حلقه بسته این سیستم را مشاهده میكنیم. در ابتدا Set Point سیستم را تغییر میدهیم و خروجی سیستم را مشاهده میكنیم. سپس سه نوع اغتشاش به این سیستم اعمال میكنیم و خروجی سیستم را (در یك نقطه كار مشخص) مشاهده میكنیم. در انتها، یك سیستم تشخیص خطا را به كمك ساختار ANFIS طراحی میكنیم و نتایج حاصل از شناسایی و تشخیص خطا را در توربین بخار مشاهده می کنیم.

تئوری مالی از مدت ها بیش هدف نهایی شرکت ها را حداکثر کردن ارزش

سهام بیان داشته است . این مسئله از زمانی که سهامداران مالک شرکت

و موسسه شده و سرمایه گذاران منطقی بازده بلند مدت مناسبی از سرمایه

گذاری خود طلب نمودند به صورت یک امر طبیعی و بدیهی در آمد .

در گذشته این هدف نهایی اغلب بدرستی فهمیده نشده و مورد توجه قرار نمی

گرفت و به طور سنتی معیار های اندازه گیری نظیر بازده سرمایه گذاری و سود

هر سهم با وجود اینکه از لحاظ تئوری با ارزش سهامدار بدرستی همبستگی

ندارند اما به عنوان مهمترین معیار های اندازه گیری عملکرد و حتی پایه و مبنایی

برای پاداش در اکثر شرکت ها مورد استفاده قرار می گرفت . یکی از متداول ترین

معیار های مبتنی بر ارزش که در سال های اخیر به شدت مورد توجه واقع شده

است ارزش افزوده EVA می باشد . در تحقیق حاضر توانایی EVA  را در ارائه

اطلاعات مناسب در خصوص بازده سهام بررسی و آن را با یکی از معیار های

قدیمی تر مقایسه کردیم . با توجه به نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل آماری اطلاعات

جمع آوری شده ما دریافتیم که از دو معیار فوق الذکر فقط سود عملیاتی OI دارای

بار اطلاعاتی در زمینه توضیح تغییرات بازده سهام می باشد و EVA  در این زمینه

دارای بار اطلاعاتی نمی باشد . به هر حال تحقیق حاضر این ادعا که EVA  بهترین

معیار ارزیابی است و تایید نمی کند . لازم به ذکر اگر چه براساس نتایج این تحقیق

معیار تعیین کننده در بازار سهام ایران OI است اما این مساله به معنی ضعف EVA 

نیست بلکه ایراد به بازار سهام وارد است زیرا که به دلایل و همچنین توجه بیشتر

بازار به معیارهایی که عملکرد واقعی را نشان نمی دهند باعث شده است که این

نتایج حاصل شود . سرمایه گذاران سهامداران ارزش افزوده اقتصادی EVA  سود

عملیاتی OI . 

می گیرد نمونه بررسی شده شامل اطلاعات ماهانه 50 شرکت فعال بورس

اوراق بهادار تهران می باشد که برای سال های 1370 تا 1374 جمع آوری شده

است .

در آزمون های گرانجر به کار برده شده از دو سری بازده حسابداری و بازده بازاری

سهام استفاده شده است . این آزمون عینا برای اولین بار توسط اوهلین در انگلستان

در سال 1991 به کار برده شد و سپس در سال 1995توسط گروهی به نام های دیوید

آلن ، پال کانگ پورلین و گری مک دونالد به کار برده شده است . در هر صورت این تحقیق

حمله ای است علیه تورش احتمالی با استفاده از قیمت های سهام و سعی درمحاسبه

سری های بازده بازاری سهام به وسیله اطلاعاتی که در گزارشات سه ماهه آورده شده

است . علت ان این است که معمولا یک تاخیر سه ماهه بین زمان انتشار اطلاعات و پراکنده

شدن واقعی آن وجود دارد . ما در این تحقیق می خواهیم تاخیر های ماهانه را مورد بررسی

قرار دهیم که در این جهت سری های بازده بازاری سهام در برابر تمام تغییرات سرمایه ای

تعدیل می شوند .

قبل از انجام آزمون گرانجر کوشش ما براین است همگرایی داده ها را به وسیله انجام آزمون

گرانجر نیست . ما از آن به عنوان یک راهنما کلی یاد می کنیم و معتقدیم در صورتیکه متغیر

ها از درجات متفاوتی همگرا باشند انتظار عدم وجود ارتباط بین متغیر ها وجود خواهد داشت .

آزمون علیت گرانجر مستلزم انجام رگرسیون هایی است که از یک شکل محدود شروع و به

اشکال نامحدود ادامه می بابد . بهر حال وقتی احتمالات بدست آمده از دو آزمون رگرسیون

موضوع آزمون Mann- whitney u  قرار گیرند ما نمی توانیم دو فرضیه پوچی که آزمون ها به

آن منتهی نشده اند را رد کنیم.

مسئله پایداری ولتاژ یكی از اساسی ترین مسائل سیستم قدرت است و كشورهای مختلفی با این مشكل در شبكه های خود مواجه هستند. پایداری ولتاژ سیستم قدرت یكی از مهمترین مسائلی است كه در طراحی و بهره برداری نگرانی ایجاد می كند. این نگرانی می تواند با افت ولتاژ سیستم مشخص گردد. این افت ولتاژ در ابتدای كار بتدریج بوده اما در نهایت سریع می شود. موارد زیر می توانند بعنوان فاكتورهای شركت كننده در این مسئله در نظر گرفته شوند:
1- در تنگنا گذاشتن سیستم یا فشار وارد كردن به آن بعنوان مثال بهره برداری از سیستم تحت شرایط ماكزیمم باردهی توان
راكتیو.
2- ناكافی بودن منابع تولید قدرت راكتیو.
3- مشخصات و نوع رفتار بارها در ولتاژهای پائین و مغایر بودن این رفتار با رفتار مدلهای سنتی بارها كه در سیستم های قدرت
مورد استفاده قرار گرفته اند.
4- پاسخ ترانسفورمرهای تپ – چنجردار به كاهش اندازة ولتاژ در باس های بار.
5- عملكرد ناخواسته و غیرقابل پیش بینی رله ها كه در شرایط كاهش اندازه ولتاژ رخ خواهد داد.

مسئله پایداری ولتاژ بیشتر یك پدیده دینامیكی است و شبیه سازی در حالت گذرا برای پایداری گذرا نیز ممكن است كه بكار رود. در هر حال، بعضی از شبیه سازی ها نمی توانند اطلاعات حساسیت یا درجه پایداری را به آسانی فراهم آورند. و این روشهای شبیه سازی با صرف زیاد وقت در شبیه سازی های كامپیوتری و بكارگیری كوشش و روشهای مهندسی در آنالیز نتایج را بیان می دارند. این مسئله به بازنگری و بازرسی شرایط سیستم در یك مقیاس وسیع و همچنین در نظر گرفتن تعداد زیادی رخداد تصادفی احتیاج دارد. بنابراین در بسیاری از

 كاربردها روش های آنالیز استاتیكی بسیار سودمندتر هستند. و می توانند بینش بیشتری را در مورد ولتاژ و توان راكتیو بار فرآهم آورند.

بنابراین، داشتن یك روش آنالیز، كه بتواند مسئله فروپاشی ولتاژ در سیستم قدرت را پیش بینی كند امری ضروی می باشد. در نتیجه، توجه قابل ملاحظه ای توسط محققان سیستم قدرت برروی این مسئله شده و روشهای مختلفی در مقالات برای آنالیز این مسئله پیشنهاد شده است.
مسئله قدرت راكتیو و كنترل ولتاژ از مسائل مشهور این بحث هستند و توسط بسیاری از محققان مورد توجه قرار گرفته اند. می دانیم كه برای حفظ یك پروفیل ولتاژ مورد قبول برای یك سیستم بایستی منابع كافی توان راكتیو در محلهای مناسبی استفاده شوند. با این همه داشتن یك پروفیل ولتاژ مناسب لزوماً پایداری ولتاژ را تضمین نخواهد كرد. بعبارت دیگر اگرچه ولتاژ پائین اكثر اوقات از ناپایداری ولتاژ نشأت می گیرد لزوماً باعث آن نخواهد شد.
همانطور كه بیان شد روشهای آنالیز مختلفی در مقالات و نشریات برای آنالیز پایداری ولتاژ ارائه شده است كه میتوان از آنالیز مدال و روش پخش بار تداومی نام برد. اساس روش آنالیز مدال بر محاسبه مقادیر ویژه كوچكتر ماتریس ژاكوبین كاهش یافته و همچنین بردارهای ویژه چپ و راست متناظر با این مقدار ویژه می نیمم پایه گذاری شده است. مقادیر ویژه نشأت گرفته یا وابسته به یك مد ولتاژ یا توان راكتیو متغیر هستند. پایداری سیستم بوسیلة چك كردن مقادیر ویژه قابل ارزیابی است. اگر تمام مقادیر ویژه مثبت باشند آنگاه سیستم قدرت بعنوان یك سیستم پایدار در نظر گرفته خواهد شد. بعبارت دیگر حتی اكر یكی از مقادیر ویژة سیستم منفی باشند آنگاه سیستم قدرت ناپایدار بوده و ولتاژ دچار فروپاشی خواهد شد. و مقدار ویژه صفر نشان دهندة آن است كه سیستم در حاشیه ناپایداری قرار گرفته است. وضعیت فروپاشی ولتاژ برای یك سیستم پایدار با ارزیابی مقادیر ویژه مینیمم قابل پیشگوئی است. اندازه هر كدام از مقادیر ویژة مینیمم معیاری جهت اندازة نزدیك شدن به فروپاشی ولتاژ می باشد.
با استفاده از فاكتور مشاركت باس های ضعیف یا ناحیه ضعیف سیستم از جهت نزدیكی به فروپاشی مشخص خواهند شد. این قسمت از سیستم در واقع بیشترین نقش را در فروپاشی ولتاژ اعمال خواهد كرد. و همانگونه كه بروز اتفاقات ناگهانی می تواند باعث ناپایداری و از دست دادن سیستم گردد این وضعیت (باسهای ضعیف) نیز اگر جبران نشوند باعث از دست دادن سیستم خواهند شد.