فهرست مطالب

سامانه های غیر خطی در مهندسی برق - سال نهم شماره 1 (پیاپی 15، بهار و تابستان 1401)

نشریه سامانه های غیرخطی در مهندسی برق
سال نهم شماره 1 (پیاپی 15، بهار و تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/04/29
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مجتبی حکیمی مقدم*، علی داغستانی صفحات 4-21

    موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک، با توجه به مزایای فراوان نسبت به سایر موتورهای جریان مستقیم، مورد توجه محققین بسیاری قرار گرفته اند این مقاله به حل مساله کنترل مد لغزشی مقاوم-تطبیقی این نوع موتورها در حضور اغتشاشات خارجی و عدم قطعیت های مدل سازی با باند بالای نامعلوم و با هدف همگرایی در زمان محدود پرداخته است. به این منظور، با بازنویسی مدل موتور در حضور عدم قطعیت های مدل سازی و اغتشاشات محدود خارجی، قانون کنترل مد لغزشی ترمینال برای پایدار سازی سیستم و همگرایی سرعت خروجی و جریان موتور به مقادیر مطلوب در زمان محدود، طراحی و با استفاده از قضیه توسعه یافته لیاپانف اثبات پایداری شده است. در این قانون کنترل، باند بالای مجموع عدم قطعیت ها و اغتشاشات خارجی با استفاده از یک قانون تطبیقی به صورت آنلاین تخمین زده می شوند. در نهایت، ضمن محاسبه زمان محدود همگرایی سیستم، ایده ای برای کاهش چترنگ در استفاده از کنترل مد لغزشی ترمینال ارایه شده است.نتایج شبیه سازی های عددی انجام شده، صحت کنترل کننده های طراحی شده را به خوبی نشان می دهد.

    کلیدواژگان: موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک، اغتشاشات خارجی، عدم قطعیت های مدل سازی، کنترل مقاوم-تطبیقی، کنترل مد لغزشی، کنترل زمان محدود
  • صادق کلانتری*، سید محسن رضوی، هادی مرادی، عماد حمیدی صفحات 22-43

    یکسان بودن اندازه گام های مارپیچ در یک لامپ موج رونده با بازدهی سیستم رابطه مستقیم دارد. در این مقاله هدف ساخت دستگاهی است که با بکارگیری پردازش تصویر گام های مارپیچ را به صورت اتوماتیک و با دقت مناسب اندازه گیری نماید. به همین منظور الگوریتم پیشنهادی همراه با نو آوری هایی در زمینه های رفع نویز و تعیین آستانه در جهت اندازه گیری اتوماتیک گام های مارپیچ ارایه گردید و نمونه اولیه دستگاه ساخته شد. این دستگاه قابلیت کار در دو مد اندازه گیری دستی و اتوماتیک را داراست و مشابه داخلی نداشته و از نظر قیمت تمام شده و کاربرد در اندازه گیری گام های مارپیچ نسبت به نمونه خارجی بسیار کم هزینه تر می باشد. این دستگاه در مد اتوماتیک قادر است کلیه گام های مارپیچ را به یکباره اندازه گیری نماید. در صورتی که در دستگاه مشابه خارجی گام ها باید به صورت دستی و جداگانه اندازه گیری گردند. انتخاب نقاط ابتدا و انتهای گام ها در این دستگاه به صورت تطبیقی انجام می شود که سبب افزایش سرعت اندازه گیری و افزایش تکرارپذیری در اندازه گیری گام ها می گردد. در صورتی که در دستگاه نمونه خارجی انتخاب نقاط شروع و پایان گام ها توسط کاربر انجام می شود که خود تکرارپذیری اندازه گیری را کاهش می دهد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که دقت اندازه گیری دستگاه ساخته شده در مقایسه با دستگاه نمونه خارجی قابل قبول می باشد.

    کلیدواژگان: اندازه گیری گام های مارپیچ، دستگاه اندازه گیری گام مارپیچ، پردازش تصویر، پردازش سیگنال
  • سینا شامخی*، محمد فولادوند، علی احمد علی پور صفحات 44-69

    امروزه محرومیت از خواب به عنوان یک مسیله فراگیر بر سلامت جسمی و روحی انسان تاثیرگذار است. در این پژوهش، با استفاده از سیگنال های الکتروانسفالوگرام ثبت شده از 30 شرکت کننده در دو حالت خواب کامل و محروم از خواب و با چشم باز و چشم بسته، به مطالعه اثرات محرومیت از خواب برعملکرد مغز و همچنین تشخیص آن پرداخته شده است. از داده های ثبت شده ویژگی های خطی نظیر توان سیگنال و ویژگی های غیرخطی نظیر آنتروپی های شنون، رنی، جای گشت و نمونه استخراج شده است. از روش های رتبه بندی ویلکاکسون و الگوریتم PCA جهت انتخاب ویژگی های برتر به همراه طبقه بندهای دوکلاسه KNN، SVM و درخت تصمیم استفاده گردیده است. به منظور بررسی اثرات محرومیت از خواب، به کمک الگوریتم sLORETA نگاشت نقشه مغز در ویژگی ها محاسبه و ترسیم شده است. براساس نتایج این تحقیق، بهترین عملکرد مربوط به طبقه بند درخت تصمیم با 100 ویژگی برتر و صحت و دقتی به ترتیب برابر با 99.0 و 99.8 درصد است. همچنین با مقایسه نقش ویژگی های خطی و غیرخطی، مشخص گردید در مسیله این تحقیق ویژگی های غیرخطی نقشی بسیار موثر در طبقه بندی ایفا می کنند. نگاشت ویژگی ها در نواحی مختلف مغز نشان دهنده بروز تغییرات محسوس در میزان توجه، تمرکز، تصمیم سازی و فعالیت های بینایی و حرکتی افراد پس از محرومیت از خواب است.

    کلیدواژگان: محرومیت از خواب، الکتروانسفالوگرام، آنتروپی، sLORETA، تحلیل، طبقه بندی، غیرخطی
  • رامین نیرومندفام*، امیر نیرومندفام صفحات 70-90

    امروزه ارایه دهندگان سرویس انرژی الکتریکی ناگزیر هستند در کنار شاخص‎های اقتصادی، شاخص های اجتماعی و دیدگاه مصرف کنندگان را نیز مدنظر قرار دهند. در این مقاله با مطالعه تابع رضایت مصرف کنندگان به عنوان شاخص اجتماعی، مدل بار نوینی مبتنی بر دیدگاه غیرخطی مصرف کنندگان توسعه داده شده است. ضریب رفتار فردی پارامتر اصلی تابع رضایت و درنتیجه مدل بار پیشنهادی می باشد که برای محاسبه این نیاز به فعالیت های میدانی و آماری است. به عنوان راه کار جایگزین، در این مقاله از کشش تقاضا که یک پارامتر شناخته شده در صنعت برق است برای محاسبه ضریب رفتار استفاده شده است. همچنین برنامه ی پاسخگویی تشویق-محور نوینی مبتنی بر مدل بار پیشنهادی توسعه داده می شود. در برنامه پاسخگویی طراحی شده، نرخ تشویقی برای مشارکت مصرف کنندگان به صورت بهینه بر اساس دیدگاه فردی آن ها مشخص شود. نتایج عددی می دهند که برای مطالعه تابع مصرف انرژی الکتریکی نیاز است تا علاوه بر افزایش قیمت برق، نرخ تورم و افزایش درآمد مصرف کنندگان نیز موردبررسی قرار گیرند. همچنین نشان داده شد که برای شبکه مورد مطالعه، اجرای برنامه ی پاسخگویی بار بر روی مصرف کنندگان خانگی کمترین هزینه را دارد. حال آنکه برای دست یابی به بیشترین رفاه، مناسب تر است این برنامه ها بر روی مصارف عمومی انجام شود.

    کلیدواژگان: رفتار غیرخطی، مدل بار غیرخطی، کشش تقاضا، پاسخگویی بار
  • مجید حسین پور*، تورج ثابت فر صفحات 91-117

    پیل سوختی PEMFC به دلیل راندمان بالا، آلایندگی کم و چگالی توان بالا در سیستم های تولید پراکنده مورد توجه محققان قرار گرفته است. در این مقاله سیستم بهساز توان پیل سوختی PEMFC متصل به شبکه با فیلتر LCL در شبکه هارمونیکی مورد ارزیابی قرار گرفته است. فیلترهای LCL با وجود توانایی بیشتر در میراسازی هارمونیک ها، می توانند باعث تشدید و ناپایداری سیستم شوند. در این تحقیق جهت اتصال اینورتر پیل سوختی به شبکه از ترانسفورماتور استفاده شده و از اندوکتانس نشتی آن به عنوان سلف سمت شبکه استفاده شده است. همچنین جهت میرایی مطلوب تشدید و تضعیف ریپل جریان ناشی از هارمونیک های ولتاژ شبکه از کنترل جامع فیدبک ولتاژ خازن استفاده شده است. کنترل جامع فیدبک ولتاژ خازن شامل مولفه های تناسبی، مشتقی و مشتق مرتبه دوم است. در طرح کنترلی پیشنهادی مولفه مشتق ولتاژ خازن با فیدبک جریان خازن به دلیل  بهره حلقه یکسان و قرینه، با همدیگر مقابله می کنند. لذا هر دوی آنها می توانند حذف شوند. بنابراین، از سنسور جریان خازن صرفه جویی شده است. در عوض تشدید فیلتر LCL توسط مولفه تناسبی و مشتق مرتبه دوم ولتاژ خازن میرا می شود. همچنین جهت اطمینان از پایداری سیستم یک فیلتر پایین گذر به مشتق مرتبه دوم در محدوده فرکانس قابل کنترل اضافه می شود. نتایج شبیه سازی سیستم بهساز توان پیل سوختی در شرایط مختلف بیانگر میرایی مناسب تشدید اینورتر متصل به شبکه، تزریق جریان با کیفیت مناسب به شبکه آلوده و هارمونیکی، پایداری و پاسخ دینامیکی مناسب سیستم پیشنهادی را تایید می کنند.

    کلیدواژگان: اینورتر پیل سوختی متصل به شبکه فیلتر با LCL، تضعیف هارمونیک جریان، پایداری سیستم، کنترل جامع فیدبک ولتاژ خازن
  • علی ابوئی* صفحات 118-146

    در این مقاله، مسیله‏ ی ردیابی زمان-متناهی مسیر برای وسیله‏ ی دریایی خودکار تحریک کامل در حضور نامعینی پارامتری، عدم ‏قطعیت مدل‎سازی و نیروهای اغتشاشی محیطی مورد مطالعه قرار گرفته و به منظور حل آن، ساختار کنترلی تلفیقی جدیدی (از نوع غیرخطی مقاوم-تطبیقی زمان-متناهی) پیشنهاد می‏ شود. در ابتدا، مدل جامعی برای توصیف رفتار سینماتیکی و دینامیکی وسیله‏ ی دریایی خودکار تحریک کامل ارایه می‏ گردد. در این مدل، اولا تمامی ثابت های فیزیکی نامعلوم در نظر گرفته شده و ثانیا عدم‎قطعیت‏‏ های مدل‏سازی و نیروهای ناشناخته‏ ی وارده از دریا به صورت یک عبارت برداری جمعی (با فرض کرانداری درایه ‎ها) لحاظ گردیده است. برای مواجهه با نامعینی پارامتری، بخش ‏هایی از مدل غیرخطی وسیله‏ ی دریایی که شامل ثابت‏ های فیزیکی نامعلوم هستند، به فرم جامع رگرسوری خطی در پارامتر تبدیل می‏ شوند. در ادامه، با تعمیم روش کنترل مد لغزشی پایاندار، تعریف چندین نوع خمینه‏ های لغزشی غیرخطی ابتکاری و تلفیق آن با قوانین به ‎روزرسانی، یک ساختار کنترلی غیرخطی مقاوم-تطبیقی طراحی می‏ گردد تا وسیله‏ ی دریایی در حضور عوامل نامطلوب فوق‏‏ الذکر، بعد از سپری شدن مدت زمان متناهی (زمان همگرایی مطلق) قابل تنظیمی دقیقا به مسیر موردنظر برسد. قوانین به ‏روزرسانی موجود در ساختار کنترلی، تخمین‏ های پیوسته و لحظه‎ای را برای ثابت های فیزیکی نامعلوم وسیله دریایی فراهم کرده که همگی بعد از گذشت زمان همگرایی مطلق دقیقا به مقادیر ثابتی می‏ رسند و لزوما با مقادیر اسمی ثابت‏ های نامعلوم یکسان نیستند. سپس با استفاده از تحلیل‏ های ریاضی (مبتنی بر قضیه‏ ی پایداری لیاپانوف) اثبات می‏ گردد که ساختار کنترلی ترکیبی پیشنهادی قادر است ضمن برآورده ساختن هدف ردیابی مسیر، پایداری زمان-متناهی کلی سیستم حلقه‏ بسته‏ ی وسیله‏ ی دریایی را تضمین کند. علاوه بر این، تحلیل پایداری زمان-متناهی سیستم حلقه‎ بسته‎ نشان می‎دهد که ماکزیمم زمان همگرایی مطلق برای رسیدن دقیق وسیله‏ ی دریایی به مسیر موردنظر، از مجموع دو زمان متناهی کوچک‏تر (به نام‎های زمان رسیدن و زمان نشست) تشکیل شده و هر کدام از این دو زمان را می‎ توان با استفاده از نامساوی ‎های جداگانه‎ای مشخص کرد. در انتها با استفاده از نرم ‎افزار MATLAB، سیستم حلقه ‏بسته‎ی کشتی Cybership II مورد شبیه‏ سازی عددی قرار می‏ گیرد تا نشان داده شود که راهکار کنترلی غیرخطی مقاوم-تطبیقی پیشنهادی می تواند هدف ردیابی زمان متناهی مسیر دلخواه را با کارایی مناسب برآورده سازد.

    کلیدواژگان: وسیله ی دریایی خودکار، پایداری زمان-متناهی کلی، کنترل مد لغزشی پایاندار، ساختار کنترلی تلفیقی، کنترل کننده ی غیرخطی مقاوم-تطبیقی
|
  • Mojtaba Hakimi-Moghaddam*, Ali Daghestani Pages 4-21

    Brushless direct current motors have been considered by many researchers due to their many advantages over other direct current motors. The upper band is unknown and aims to converge in a limited time. For this purpose, by rewriting the motor model in the presence of modeling uncertainties and limited external perturbations, the terminal slip mode control law is designed to stabilize the system and converge the output speed and motor flow to the desired values ​​in a finite time, using the development theorem. In this control law, the high bandwidth of total uncertainties and external disturbances is estimated online using an adaptive law. Finally, while calculating the system convergence finite time, an idea to reduce the umbrella in using the terminal slip mode control is presented. The results of the numerical simulations performed show the accuracy of the designed controllers.

    Keywords: Brushless DC Motors, External Disterbances, Modeling Uncertanties, Robust-Adaptive Control, Sliding Mode Control, Limited Time Control
  • Sadegh Kalantari*, Seyed Mohsen Razavi, Hadi Moradi, Emad Hamidi Pages 22-43

    The same size of the helix steps in a traveling wave tube has a direct relationship with the efficiency of the system. In this article, the goal is to build a device that measures helix steps automatically and with proper accuracy by using image processing. For this purpose, the proposed algorithm was presented along with innovations in the fields of noise removal and threshold determination for the automatic measurement of helix steps, and the prototype of the device was made. This device has the ability to work in two modes of manual and automatic measurement, and it has no domestic equivalent, and it is much cheaper in terms of cost and use in measuring helix steps than the sample made abroad. In automatic mode, this device is able to measure all helix steps at once. In the case of a similar sample made abroad the steps must be measured manually and separately. The selection of the beginning and end points of steps in this device is done adaptively, which increases the speed of measurement and increases the repeatability in measuring steps. In the sample made abroad, the selection of the start and end points of the steps is done by the user, which reduces the repeatability of the measurement. The obtained results show that the measurement accuracy of the manufactured device is acceptable compared to the sample made abroad.

    Keywords: Helix steps measurement, Helix steps measuring device, Image Processing, Signal Processing
  • Sina Shamekhi*, Mohammad Fouladvand, Ali Ahmad Alipour Pages 44-69

    Nowadays, sleep deprivation is a pervasive problem that affects human physical and mental health. In this research, the effects of sleep deprivation on brain function and its diagnosis have been studied using electroencephalogram (EEG) signals recorded from 30 subjects after complete sleep and one day of sleep deprivation with open and closed eyes. Linear features like signal power and nonlinear features consisting of Shannon, Renyi, sample, and permutation entropies were extracted from signals. We used the PCA algorithm and Wilcoxon feature ranking method to extract the superior features and employed SVM, KNN, and a Decision tree to detect sleep-deprived cases. Brain maps of extracted features were plotted using the sLORETA algorithm to investigate the effects of sleep deprivation. Based on the results, the decision tree classifier with 100 superior selected features of Wilcoxon achieved the best performance with accuracy and precision of 99.0% and 99.8%, respectively. Also, comparing the results of linear and nonlinear features reveals the impressive role of the nonlinear features in the classification problem of this work. The maps of the features revealed noticeable changes in the level of attention, concentration, decision-making, and visual and movement activities.

    Keywords: Sleep deprivation, electroencephalogram, sLORETA, Analysis, classification, nonlinear
  • Ramin Niromandfam*, Amir Niromandfam Pages 70-90

    Today, electricity service providers have to consider economic index as well as social indicators and consumer perspectives. In this paper, by studying the consumer satisfaction function, a new load model based on nonlinear consumer perspective has been developed. The main variable in the proposed model is the coefficient of individual consumer behavior, which requires field and statistical activities to estimate. As an alternative solution in this paper, the relationship between demand elasticity and individual behavior coefficients has been mathematically developed to estimate these coefficients through demand elasticity information. Also, a new demand response program based on individual behavior and satisfaction function has been developed to determine the incentive rate for consumer participation in an optimal way based on their individual perspective. In the numerical results section, the data of Iran's electricity network has been selected for study. Numerical results showed that in order to study the annual consumption change, in addition to increasing prices, inflation rates and increasing consumer incomes also need to be examined. It was also shown that for the Iranian electricity grid, the demand response program implementation for the household consumers has the lowest cost. However, in order to achieve maximum welfare, it is more appropriate these programs have been applied to the public customers.

    Keywords: Non-linear behavior, non-linear load model, elasticity, demand response
  • Majid Hosseinpour*, Tooraj Sabetfar Pages 91-117

    Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) have been considered by researchers due to their high efficiency, low pollution, and high-power density in distributed generation systems. In this paper, the connected PEMFC fuel cell power recovery system with an LCL filter is evaluated in the harmonic Grid. LCL filters, despite their greater ability to attenuate harmonics, can lead to system resonance and instability. In this research, a transformer has been used to connect the fuel cell inverter to the Grid and its leakage inductance has been used as the inductor on the network side. Besides, for optimal resonance damping, and attenuation of current ripple caused by grids voltage harmonics, capacitor voltage through feedback control has been used. Complete control of capacitor voltage feedback includes proportional, derivative, and second-order components. In the proposed control scheme, the capacitor voltage derivative component opposes the capacitor current feedback due to identical and symmetrical loop gain. Therefore, both of them can be deleted. Thus, the capacitor current sensor is saved. Instead, the LCL filter resonance is damped by a proportional component and a second-order derivative of the capacitor voltage. A low-pass filter is also added to the second-order derivative in the controllable frequency range to ensure system stability. The simulation results of the PEMFC power recovery system in different conditions confirm the proper attenuation of the grid-connected inverter, the injection of current of suitable quality into the contaminated and harmonic grid, the stability, and the appropriate dynamic response of the proposed system.

    Keywords: PEMFC inverter connected to the filter network with LCL, harmonic current attenuation, system stability, capacitor voltage through feedback control
  • Ali Abooee* Pages 118-146

    In this paper, the finite-time path tracking problem for a typical fully-actuated unmanned marine vehicle subject to unknown physical constants, modelling uncertainties, and environmental disturbance forces (generated by sea waves) is studied and discussed. To deal and handle the mentioned tracking problem, a novel hybrid control structure (based on the finite-time adaptive-robust approach) is proposed. First, a comprehensive model is extracted and introduced to describe kinematic and dynamic behaviors of the unmanned marine vehicle. In this model, all physical constants of the unmanned marine vehicle are assumed to be unknown. Also, modelling uncertainties and unknown environmental disturbance forces are considered as a lumped vector term added to the right side of the comprehensive model. To overcome with parametric uncertainties, all terms of the left side of the comprehensive model, which include unknown physical constants, are converted to the parametric linear regression form. Second, by developing the terminal sliding mode control method, defining several types of innovative nonlinear sliding manifolds, and designing adaptation laws, a novel adaptive-robust nonlinear control structure is proposed to exactly steer the unmanned marine vehicle (in the existence of aforementioned unwanted factors) to the desired trajectory within an adjustable finite time. Time responses related to the estimation of unknown physical constants will precisely converge to the fixed values after the finite time which are not identical to the nominal values of physical constants. Third, by utilizing mathematical analysis (based on the Lyapunov stability theorem), it is proven that the proposed hybrid control approach is able to both accomplish the path tracking objective and guarantee the global finite-time stability for the closed-loop unmanned marine vehicle. Moreover, the stability analysis demonstrates that the convergence finite time is the summation of two smaller finite time (called reaching and settling times) and these times could be determined by two novel separate inequalities. Finally, by using MATLAB software, the introduced adaptive-robust nonlinear control approach is simulated onto the Cybership II and simulation results demonstrate that the finite-time path tracking aim is appropriately fulfilled and satisfied.

    Keywords: Unmanned marine vehicle, Global finite-time stability, Terminal sliding mode control, hybrid control structure, Adaptive-robust nonlinear controller