فهرست مطالب
نشریه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر ایران
سال بیستم شماره 1 (پیاپی 68، بهار 1401)
- تاریخ انتشار: 1401/04/15
- تعداد عناوین: 7
-
-
صفحات 1-18
یکپارچهسازی منابع تجدیدپذیر به منظور تامین بار محلی باعث به وجود آمدن مفهومی به نام ریزشبکه شده است. با ورود گسترده ریزشبکهها، مدیریت انرژی و بهرهبرداری از سیستم و منابع در شرایط بازار برق از وظایف مهم مدیریت بهرهبرداری ریزشبکه است. در این مقاله مسیله بهرهبرداری ریزشبکه با در نظر گرفتن مسایل اقتصادی، فنی و همچنین با در نظر گرفتن عدم قطعیتهای مربوط به بار مصرفی، سرعت باد و تابش خورشید در شرایط بازار برق مدلسازی شده است. یکی از مباحث مهم در شرایط بازار برق بحث مشارکت واحدها در شرایط قیمت واقعی است. بر این اساس چهارچوبی به منظور بهرهبرداری بهینه و مصرف انرژی بارهای کنترلپذیر در شرایط بهرهبرداری یکپارچه از منابع انرژی توزیعشده دارای عدم قطعیت، از دیدگاه مصرفکننده ارایه میشود. مسیله بهینهسازی مورد نظر به صورت یک مسیله برنامهریزی خطی تصادفی دومرحلهای، با هدف کمینهسازی هزینه بهرهبرداری ریزشبکه و هزینه مورد انتظار پرداختی مصرفکننده و با در نظر گرفتن نیاز مصرفکننده به برخی از بارهای کنترلپذیر خود در بازههای زمانی مورد نظر او و محدودیتهای بارها و نیز محدودیتهای اعمالشده از جانب شرکت برق مدل میشود که با استفاده از الگوریتم بهینهسازی ازدحام سالپ حل میگردد. برای مدلسازی بازار برق خردهفروشی، تعرفههای RTP و IBR مورد استفاده قرار میگیرد تا هم نوسانات قیمت عمدهفروشی بهتر منعکس شود و هم از همزمانی مصرف جلوگیری گردد. در این روش قیمت به جای مشخصبودن در کل دوره برنامهریزی، تنها در تعداد محدودی از ساعات آینده، از جانب خردهفروش به مصرفکننده اعلام میشود. در این شرایط هر گونه زمانبندی بارهای کنترلپذیر نیازمند پیشبینی قیمت است و این در حالی است که پیشبینی قیمت، عدم قطعیتهایی را به همراه خواهد داشت. این عدم قطعیت با تولید سناریوهایی برای متغیر تصادفی قیمت آینده با استفاده از روش مونتکارلو، مدلسازی میشود. روش پیشنهادی با استفاده از نرمافزار MATLAB شبیهسازی و توانایی آن نشان داده شده است.
کلیدواژگان: الگوریتم سالپ، انرژی های تجدیدپذیر، بازار برق، بهره برداری بهینه، ریزشبکه، ذخیره سازی انرژی -
صفحات 19-34
این مقاله به ارایه یک روش کارا مبتنی بر امپدانس مجازی تطبیقی و یک بستر مخابراتی توزیعشده با ساختار کنترلی سلسلهمراتبی در ریزشبکههای متناوب مقاومتی جزیرهای به منظور تقسیم صحیح توان و کاهش جریانهای گردشی میپردازد. در روشهای موجود، مقاومت مجازی تطبیقی میتواند مقادیر منفی را احراز نموده و فرض غالببودن خاصیت مقاومتی خط تغذیه را که کنترلر دروپ بر مبنای آن طراحی شده، نقض و عملکرد دروپ را مختل نماید. همچنین مقاومت مجازی منفی با کاهش میرایی کل سیستم، میتواند حاشیه پایداری را کاهش داده و اثرات نامطلوبی بر عملکرد سیستم حلقه بسته، بالاخص در حالتهای گذرا داشته باشد. در روش پیشنهادی با اجرای هوشمندانه یک بستر مخابراتی توزیعشده جدید بین اینورترهای ریزشبکه، مشکل منفیشدن مقاومت مجازی رفع گردیده است. مزایای سیستم کنترلی پیشنهادی عبارت هستند از حذف جریان گردشی، تقسیم صحیح توان بین منابع تولید پراکنده متناسب با ظرفیت نامی آنها، جلوگیری از انحراف فرکانس و دامنه ولتاژ باس نقطه اتصال مشترک از مقدار نامی، عدم نیاز به اندازهگیری و یا تخمین امپدانس خطوط تغذیه واصل بین اینورتر و باس نقطه اتصال مشترک، تضمین غالببودن خاصیت سلفی یا مقاومتی امپدانس کل خط تغذیه در شرایط کاری مختلف، جلوگیری از ایجاد وابستگی بین توانهای اکتیو و راکتیو و در نتیجه تضمین عملکرد مطلوب کنترلر دروپ در نقاط کاری مختلف، بهبود پایداری و پاسخ حالت گذرا و در نهایت استفاده از یک بستر مخابراتی توزیعشده ساده و یکطرفه با پهنای باند پایین به جای بسترهای مخابراتی پیچیده، متمرکز و دوطرفه. نتایج حاصل از شبیهسازی در محیط سیمولینک نرمافزار متلب نشان میدهد که روش کنترل پیشنهادی معایب کنترل دروپ و امپدانس مجازی تطبیقی مرسوم را به طرز مطلوبی رفع نموده است.
کلیدواژگان: امپدانس مجازی، تقسیم توان، جریان گردشی، کنترل دروپ، کنترل سلسله مراتبی -
صفحات 35-50
به کارگیری تکنیکهای محاسبات نرم در علوم مهندسی حجم زیادی از پژوهشها را شامل شده است. از جمله این مسایل میتوان به طراحی و بهینهسازی سیستمهای ناوبری جهت استفاده در سیستمهای حملونقل زمینی، دریایی و هوایی اشاره کرد. از این رو در این پژوهش سعی در بهرهگیری از رویکردهای جدید بهینهسازی هوشمند فراابتکاری مبتنی بر هوش مصنوعی در جهت طراحی سامانههای ناوبری تلفیقی میباشد. برای این منظور از نسخه جدید الگوریتم بهینهسازی سیستم صفحات شیبدار به همراه چند نسخه دیگر آن در کنار دو روش مرسوم الگوریتم زیستی و بهینهسازی ازدحام ذرات استفاده شده است. ملاحظات بر روی یک مساله INS/GNSS با ماژولهای اندازهگیری اینرسی IMU MEMS انجام شدند. ماتریسهای کواریانس نویز فرایند و اندازهگیری به عنوان متغیرهای طراحی و مجموع میانگین مربعات خطا به عنوان تابع هدف در قالب یک مساله کمینهسازی تکهدفه در نظر گرفته شدهاند. خروجیها بر حسب شاخصهای آماری و عملکردی نظیر زمان اجرا، برازندگی، همگراییها، دقت سرعتهای زاویهای، طول و عرض جغرافیایی، بلندی، Roll، Pitch، Yaw و مسیریابی به همراه رتبهبندی الگوریتمها ارایه شدند. برایند کلی نتایج حکایت از عملکرد موفق و برتری نسبی روش های IPO و IIPO نسبت به رقبا و همچنین کارکرد قابل رقابت الگوریتم های پیشنهادی در قیاس با حجم ملاحظات و محاسبات مساله مفروض دارد.
کلیدواژگان: بهینه سازی هوشمند، الگوریتم های فراابتکاری، محاسبات نرم، ناوبری تلفیقی INS، GNSS، بهینه سازی سیستم صفحات شیب دار -
صفحات 51-61
در این مقاله، دو نوع کنترل پیشبین با نامهای کنترل پیشبین با مجموعه کنترلی محدود مبتنی بر مدل (FCS-MPC) و کنترل پیشبین بینوسان مبتنی بر مدل (Dead-Beat MPC)، به منظور کنترل جریان ماشین سنکرون مغناطیس دایم در حالت بازیابی انرژی برای کاربرد خودروهای الکتریکی اعمال و مقایسه شده است. استراتژی FCS-MPC بردار ولتاژ بهینه را انتخاب و پالسهای کنترلی را مستقیما بدون استفاده از هیچ گونه مدولاتوری به اینورتر اعمال میکند و استراتژی Dead-Beat MPC با مدولاسیون پهنای پالس فضای برداری پیادهسازی شده است. عملکرد و نتایج هر دو نوع استراتژی با استفاده از نرمافزار سیمولینک متلب استخراج و با یکدیگر مقایسه گردیده است. مقایسه به طور عمده در دو حالت ماندگار و حالت گذرا انجام شده است. هر دو نوع استراتژی بر روی یک ماشین سنکرون مغناطیس دایم با پارامترهای یکسان و با حالت کاری مشابه اعمال شده است. نتایج نشان میدهد که نوسان جریان در حالت ماندگار در استراتژی DB-MPC کاهش بیشتری داشته و پاسخ حالت گذرا در استراتژی FCS-MPC سریعتر است.
کلیدواژگان: ماشین سنکرون مغناطیس دایم، کنترل پیشبین با مجموعه کنترلی محدود مبتنی بر مدل، کنترل پیشبین بینوسان مبتنی بر مدل، مدولاسیون پهنای پالس فضای برداری، خودروی الکتریکی -
صفحات 62-70
در این مقاله مساله هلدادن جسم به عنوان یکی از مسایل استاندارد همکاری رباتها در نظر گرفته شده است. در این مساله، هر ربات به صورت غیر متمرکز نیروی کنترلی خود را برای هدایت جسم تولید مینماید. روشهای ارایهشده برای کنترل غیر متمرکز جسم بر روی یک مسیر متغیر با زمان نیازمند اطلاعاتی در خصوص موقعیت رباتهای هلدهنده نسبت به جسم میباشند. عدم وجود شناخت هر ربات از نحوه قرارگیری رباتها نسبت به جسم را میتوان به کمک تبادل اطلاعات از طریق شبکه ارتباطی مابین رباتها و طرح یک مساله اجماع بر روی ممانهای موقعیتی برای توافق در خصوص مقادیر ممان برطرف نمود. اثر ارتباطات بین رباتها بر روی فرایند رسیدن به اجماع و اثر تاخیر در اجماع بر کنترل حرکت جسم، موضوع مورد مطالعه در این مقاله است. در این مقاله، قانون کنترلی مناسب برای دستیابی به اجماع در شرایط عدم وجود ارتباط دوبهدو مابین همه رباتها، وجود تاخیر و احتمال از دست رفتن دادهها در شبکه ارتباطی ارایه شده است. حداکثر تاخیر مجاز شبکه برای ممانعت از ناپایداری کنترل حرکت جسم نیز مشخص شده است. نتایج شبیهسازی، قابلیت روش پیشنهادی برای کنترل سرعت جسم بر روی مسیر مطلوب را مشخص کرده و اثر محدودیتهای شبکه را بر روی کارایی کنترلکننده نشان میدهد.
کلیدواژگان: همکاری ربات ها، کنترل شبکه محور، هل دادن جسم، اجماع، تاخیر -
صفحات 71-79
چرخ عکسالعملی، یکی از حساسترین ادوات مربوط به رانشگرهای فضایی است که به راحتی دستخوش اغتشاشات میشود. حفظ وضعیت ماهواره و توانایی در کنترل آن به دلیل پرهزینه بودن پروژههای طراحی و ساخت، یکی از مهمترین مسایل مطرحشده این روزها میباشد. برای بهبود این روند، شناسایی و مدلکردن اغتشاشات و تحلیل تاثیرات آن بر پارامترهای سیستم جهت شناسایی و نقطهیابی نقص، از اهمیت بسیاری برخوردار هستند. در نتیجه شناسایی و تخمین دقیق اغتشاشات واردشده بر چرخهای عکسالعملی و بررسی تاثیر این ورودیهای نامعین بر متغیرهای حالت سیستم، امری ضرروی برای آشکارشدن وضعیت داخلی فضاپیما و شناسایی نقص آن است. به همین سبب در این مقاله از یک رویتگر جدید جهت تخمین بردار ورودی نامعین اغتشاش و بردار حالت سیستم استفاده شده است. در این راستا با در نظر گرفتن دینامیک میکرواغتشاش متغیر با زمان آنبالانس چرخ، ماتریسهای طراحی رویتگر پیشنهادی در هر لحظه از زمان را با انجام یک سری محاسبات نامساویهای ماتریسی (LMI) به دست میآوریم که همگرایی و پایداری خطای تخمین این روش بر اساس قضیه لیاپانوف اثبات گردیده است. سپس نتایج طی یک سری شبیهسازی در نرمافزار Matlab با مشخصه تخمین ورودی بردار نامعین و بردار حالت مدل میکرواغتشاش، در بخش چهار ارایه میشوند.
کلیدواژگان: چرخ عکس العملی، رویتگر، نامساوی های ماتریسی، ورودی نامعین -
صفحات 80-88
حسگرهای زیستی دارای کاربردهای متنوعی خصوصا در بخش تشخیص پزشکی هستند. در این مقاله از ترانزیستور نانولوله بدون پیوند به عنوان حسگر زیستی بدون برچسب برای تشخیص مولکول استفاده گردیده است. اساس عملکرد این حسگر بر مبنای مدولاسیون دیالکتریک عایق گیت است. در این ترانزیستور، گیت وظیفه کنترل جریان درین را بر عهده دارد و در صورت تغییر خازن گیت، جریان درین تغییر میکند. یک نانوحفره در عایق گیت ایجاد گردیده که محل قرارگیری مولکول است. از آنجا که مولکولهای زیستی مختلف دارای ثابت دیالکتریک متفاوتی هستند، انباشتگی مولکولهای مختلف در نانوحفره موجب تغییر ثابت دیالکتریک نانوحفره گردیده و این امر در نهایت موجب تغییر خازن گیت و تغییر جریان افزاره میگردد. تغییرات ولتاژ آستانه و تغییرات جریان درین به عنوان دو معیار برای شناسایی مولکول و تعیین حساسیت حسگر معرفی شدهاند. این حسگر به دلیل دارابودن دو گیت داخلی و خارجی دارای توان مصرفی پایینی است و دارای فرایند ساخت ساده در دمای پایین میباشد. از مزایای ساختار مطرحشده در این حسگر میتوان به حساسیت بالا و تفکیکپذیری بالا خصوصا در مولکولهایی با ثابت دیالکتریک پایین اشاره نمود. اثر متغیرهای مهم ساختاری و فیزیکی بر عملکرد این حسگر به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. تابع کار فلز گیت و آلایش کانال دو معیار بسیار مهم در حساسیت حسگر هستند که لازم است مقادیر بهینهای برای آنها تعیین گردد. به دلیل توان مصرفی پایین و حساسیت بالا، این حسگر میتواند گزینه مناسبی برای کاربرد در ابعاد نانو باشد.
کلیدواژگان: تابع کار گیت، ترانزیستور اثر میدان بدون پیوند، ثابت دی الکتریک مولکول، حسگر زیستی، ساختار نانولوله، ولتاژ آستانه
-
Pages 1-18
Integrating renewable resources to provide local load has created a concept called microgrid. With the widespread introduction of microgrids, energy management and system utilization and resources in the electricity market are important tasks of microgrid management. In this paper, the problem of microgrid utilization is modeled taking into account economic, technical and uncertainties related to power consumption, wind speed and solar radiation in electricity market conditions. One of the most important issues in the electricity market is the discussion of the participation of units in real price conditions. In this paper, a framework for the exploitation of electricity and the consumption of controllable loads through integrated utilization of distributed energy sources of uncertainty is presented from a consumer perspective. The optimization problem is a two-step stochastic linear programming that minimized the cost of microgrid operation and expected cost of consumers considering the consumer’s requirement for controllable loads in the desire time interval and distribution company constraints that solved by using Salp swarm optimization algorithm. RBT and IBR tariffs are employed for modeling retail power market for better reflection of wholesale price volatility and avoid of the concurrent use of consumers. In this method price announced to the consumers by retailers only is limited specific later hours instead of the entire operation period. In this condition any timing of controllable loads need to price forecasting, while this forecasting have some uncertainties. These uncertainties are modeled using Monte Carlo method for stochastic price variable scenario generation. MATLAB software is employed for simulation and verification of the proposed method.
Keywords: Optimal operation, microgrid, renewable energies, energy storage, Salp swarm algorithm, power market, demand response -
Pages 19-34
This paper presents an efficient method based on the adaptive virtual impedance and distributed communication link with a hierarchical control system in the resistive AC islanding micrigrids for accurate power sharing and circulating current reduction. In existing methods, the adaptive virtual resistance can take negative values and violate the assumption of feeders’ resistive dominance based on which the droop controller is designed, and as a result, deteriorate its performance. Besides, the negative virtual resistance, with a reduction in the system overall damping, can reduce the stability margin and lead to side effects on the closed-loop system performance, especially during transients. In the proposed method, the problems associated with the negative virtual resistance are removed via the intelligent implementation of a new distributed communication link among microgrid inverters. The advantages of the proposed method include: circulating current elimination, accurate power sharing among distributed generators proportional to their rated capacities, prevention of voltage and frequency deviations from their reference values in point of power coupling (PCC) bus, guarantee of the resistive or inductive dominance of the feeder impedance in various operating points, decoupling between active and reactive powers, and as a result, guarantee of a desirable performance for droop controller in different operating points, performance and stability improvement, and finally using a simple, one-sided and a low bandwidth communication link instead of the complex, two-sided, and centralized communication system. Simulation results in MATLAB/SIMULINK environment demonstrate that the proposed control strategy has obviated effectively the shortcomings of the conventional droop and adaptive virtual impedance controllers.
Keywords: Virtual impedance, power sharing, circulating current, droop controller, hierarchical control -
Pages 35-50
Soft computing techniques in engineering sciences have covered a large amount of research. Among them is the design and optimization of navigation systems for use in land, sea, and air transportation systems. Therefore, in this paper, an attempt is made to take advantage of novel approaches of intelligent metaheuristic optimization for designing integrated navigation systems. For this purpose, the inclined planes system optimization algorithm with several modified and new versions have been used along with two well-known methods of genetic algorithm and particle swarm optimization. Considerations are made on an INS/GNSS problem with IMU MEMS inertia measurement modules. Process and measurement noise covariance matrices are considered as design variables and the sum of mean-squares-error as an objective function in the form of a single-objective minimization problem. Outputs are presented in terms of statistical and performance indicators such as runtime, fitness, convergences, angular-velocity accuracy, latitude, longitude, altitude, roll, pitch, yaw, and routing along with the ranking of algorithms. The overall assessment indicated the correctness of the performance and the relative superiority of the IPO and IIPO over the competitors and competitive performance of the assumed algorithms in comparison with the volume of considerations and calculations of the base problem.
Keywords: Intelligent optimization, metaheuristic algorithms, soft computing, integrated INS, GNSS navigation, inclined planes system optimization -
Pages 51-61
In this paper, two schemes of model predictive control (MPC) method, named finite control set model predictive control (FCS-MPC) and dead-beat model predictive control (DB-MPC) as a continuous control set model predictive control (CCS-MPC) are applied and compared to control the current of a permanent magnet synchronous machine in energy recovery mode for the use of electric vehicles. The FCS-MPC strategy selects the optimal voltage vector and applies the control pulses directly to the inverter without using any modulators. In other side, DB-MPC is implemented through space vector pulse width modulation (SVPWM). The performance and results of both types of control strategies are extracted and compared using MATLAB Simulink software. The comparisons are made mainly in steady state and transient modes. Both control strategies are applied to a permanent magnet synchronous machine with the same parameters and with the same operating mode. The results show that the current steady state fluctuation is further reduced in the DB-MPC strategy and the transient state response is faster in the FCS-MPC strategy.
Keywords: Permanent magnet synchronous machine, finite control set Model predictive control (FCS-MPC), dead-beat model predictive control (DB-MPC), space vector pulse width modulation (SVPWM), electric vehicle -
Pages 62-70
The problem of pushing objects by a group of cooperative robots has many applications on land and sea level and due to its importance, it has become a standard problem for evaluating various theories of robot cooperation. In this case, each robot produces distributed control force to push the object in the desired direction. The proposed methods for distributed control of an object on a time-varying path require information about the position of the robots relative to the object. The problem of the lack of sufficient knowledge of each robot of how the robots are positioned relative to the body can be solved by proposing a consensus issue on positional moments. In this case, the robots must reach a consensus on these moments by exchanging information through the communication network between them. The effect of communication network between robots on the process of reaching consensus and the effect of delay in consensus on the results of control of object on the desired path is the subject of this article. In this paper, the appropriate control law for achieving consensus in the absence of full connection between all bots, delay and the probability of data loss in the communication network is presented. The maximum allowable network delay is also specified to prevent the instability of object motion control. The simulation results show the capability of the proposed method for controlling the velocity of the object on the desired variable path and show the effect of network constraints on the performance of the controller.
Keywords: Robots cooperation, Networked Control, box pushing, consensus, delay -
Pages 71-79
The reaction wheel is one of the most sensitive devices used in spacecraft, which is easily disturbed. Nowadays, maintaining the status of the satellite and the ability to control it, is one of the most important issues due to the costly design and construction of such projects. To improve this process, identifying and modeling perturbations and analyzing their effects on system parameters to spot the defects, are very important. As a result, accurate identification and estimation of perturbations on reaction wheels through studying the effect of input uncertainty on the system state variables is necessary to reveal the internal condition of the spacecraft and identify its defects. For this reason, in this paper, a new observer is designed to estimate the uncertain perturbation and the system state vector. In this regard, by considering the dynamics of variable micro-turbulence with wheel imbalance time, we obtain the proposed observer’s design matrices at any time by performing a series of linear matrix inequality (LMI) calculations that converge and stabilize the estimation error based on Lyapuanv theorem. Then, the results are presented in a series of simulations in MATLAB software included the characteristic of estimated uncertain inputs and state vector of micro-turbulence model, in section four.
Keywords: Reaction wheel, observer, LMI, uncertain inputs -
Pages 80-88
Biosensors have various applications especially in medical diagnosis. In this paper, nanotube junctionless transistor is employed for label-free detection of biomolecules. The proposed device works based on dielectric modulated principle. In this transistor, the gate voltage is responsible for controlling the drain current and in case of gate capacitance variation, the drain current can be modulated. A nanogap is embedded in the gate insulator region for immobilization of biomolecules. Since each individual biomolecule has its specific dielectric constant, the accumulation of different biomolecule in the nanogap changes the dielectric constant of the nanogap, which eventually leads to the variation of gate capacitance and the drain current. Threshold voltage variation and drain current modulation are considered as two measures for detecting biomolecules and determining the biosensor’s sensitivity. The proposed device has two internal and external gates with low static power consumption as well as simpler low temperature fabrication process. One of the main advantages of the proposed device is its high selectivity and sensitivity, especially for biomolecules with low dielectric constant. Impact of critical physical and structural design parameters on the operation of the biosensor are thoroughly investigated. Gate workfunction and channel doping density are two critical parameters that affect the sensitivity of the biosensor and as a consequence, optimum values should be determined for them. Due to the low power consumption and high sensitivity, this sensor can be considered as a potential candidate for applications in nanoscale regime.
Keywords: Gate workfunction, junctionless field effect transistor, dielectric constant of molecule, biosensor, nanotube structures, threshold voltage