فهرست مطالب

نشریه سامانه های غیرخطی در مهندسی برق
سال نهم شماره 2 (پیاپی 16، پاییز و زمستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1402/04/31
  • تعداد عناوین: 6
|
  • بابک دهقانفر، محسن کیا*، لیلا ظفری، حمیدرضا آراسته، فرخنده جباری صفحات 4-26

    دنیای مدرن امروزی به منظور تامین تقاضای رو به رشد انرژی الکتریکی نیازمند کاربرد سیستمهای قدرت دارای قابلیت اطمینان بالاست. به عنوان مثال، پیک مصرف برق در فصل تابستان کاربرد منابع انرژی تجدیدپذیر جهت تامین بار، سیستم های ذخیره ساز انرژی جهت مدیریت سمت تولید، برنامه‎های پاسخگویی بار به منظور مدیریت سمت تقاضا و سایر راهکارهای مقابله با بحران انرژی را ضروری ساخته است. اتصال منابع انرژی تجدیدپذیر مبتنی بر فناوری های الکترونیک قدرت به شبکه سبب بروز مسایلی چون آلودگی کیفیت توان و خطای عملکرد دستگاه های حفاظتی می شود که باید در برنامه ریزی و بهره برداری از سیستم در نظر گرفته شود. با در نظر گرفتن چالش های یاد شده و نیاز به یک روش بهینه برای بهبود کارآیی سیستم های توزیع، صنعت برق را به سوی استفاده از فناوری های جدید سوق داده است. منابع تولید پراکنده یکی از عناصر مهم و جدانشدنی سیستم های توزیع مدرن هستند که از این میان استفاده از منابع بادی و فتوولتاییک روز به روز با افزایش تقاضای انرژی الکتریکی در پی عواملی چون افزایش جمعیت، مصارف غیرمجاز نظیر دستگاه های غیرمجاز استخراج رمزارز، افزایش تاسیسات تهویه مطبوع برقی، گسترش می یابد. با این حال، محدودیت های موجود در مقدار نفوذ منابع تولید پراکنده یکی از اصلی ترین چالش ها در توسعه استفاده از این منابع است. به طور کلی، این مقاله به دنبال روشی جهت بهبود ظرفیت میزبانی شبکه توزیع از منابع تولید پراکنده با استفاده از بازآرایی و جبران سازی توان راکتیو است. به طور خلاصه، مدلسازی بازآرایی شبکه توزیع و منابع جبرانساز توان راکتیو، افزایش ظرفیت میزبانی شبکه توزیع و مدلسازی عدم قطعیت های موجود در مسیله اصلی ترین اهدافی است که در این مقاله انجام شده است. لازم به ذکر است، تابع هدف مساله پیشنهادی افزایش ظرفیت میزبانی شبکه توزیع با کمینه سازی هزینه های انرژی دریافتی از شبکه بالادست، انرژی منابع تولید پراکنده، تولید توان منابع جبران سازی توان راکتیو و نیز هزینه قابلیت اطمینان شبکه توزیع است. علاوه بر این، قیود فنی شبکه نیز به عنوان محدودیت های موجود در نظر گرفته می شود. همچنین، به منظور دستیابی به نقطه بهینه مطلق با زمان اجرای بسیار پایین و درصد خطای بسیار پایین، مدل خطی آمیخته با عدد صحیح مساله نیز توسعه داده می شود. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان دهنده مزایای استفاده از روش پیشنهادی در افزایش ظرفیت میزبانی و درنتیجه توسعه استفاده از منابع تجدیدپذیر است.

    کلیدواژگان: شبکه توزیع، ظرفیت میزبانی، جبران سازی توان راکتیو، منابع تولید پراکنده، بازآرایی شبکه
  • علی ابویی*، سجاد مرادی، وحید ابوطالبی صفحات 27-50

    در این مقاله، سه نوع کنترل کننده ی غیرخطی زمان-متناهی برای هدایت سوزن جراحی رباتیک در داخل بافت پروستات با وجود نامعینی‎ پارامتری، عدم‎‎قطعیت مدل‏سازی و اغتشاش پیشنهاد می‎شوند. گشتاور تولیدی توسط هر کدام از این کنترل‎کننده‎ها به ساختار حلقه‎بسته‎ی سوزن جراحی رباتیک اعمال شده و باعث می‎گردد متغیرجابجایی مکانی سیستم حلقه‎بسته بعد از گذشت مدت زمان متناهی قابل تنظیمی دقیقا به مسیر مورد نظر درون بافت همگرا شود. برای طراحی کنترل‏ کننده‏ های مذکور از تعمیم روش کنترل مد لغزشی پایاندار (به عنوان راهکار اساسی کنترلی غیرخطی-مقاوم) و تلفیق آن با مفاهیم کنترل تطبیقی (به منظور طراحی قوانین به‎روزرسانی و تخمین پارامترهای ثابت نامعلوم) استفاده می شود. شایان ذکر است که تفاوت اساسی میان سه ساختار کنترلی پیشنهادی در تعریف خمینه‏ های لغزشی غیرخطی است. با به‎ کارگیری تیوری پایداری لیاپانوف و استفاده از چندین لم‎ کاربردی به صورت ریاضیاتی اثبات می‎گردد که هر سه راهکارکنترلی معرفی شده ضمن برآورده ساختن هدف هدایت سوزن، پایداری زمان-متناهی کلی را برای سیستم حلقه بسته ی سوزن-بافت تضمین می‏ دهند. قوانین به روزرسانی که در هر سه راهکار کنترلی وجود دارند، مقادیر ثابت‏ های فیزیکی نامعلوم سیستم حلقه‎بسته را به صورت لحظه‎ای و پیوسته تخمین می‏ زنند. در فرآیند تحلیل پایداری، به عنوان نتیجه ‏ی جنبی نشان داده می‏ شود که پاسخ‏ های زمانی مرتبط با این تخمین ها بعد از گذشت مدت زمان متناهی دقیقا به مقادیر ثابتی می‎رسند. در انتها، با استفاده از نرم‎افزار MATLAB هر سه نوع کنترل کننده پیشنهادی، بر روی سیستم سوزن-بافت مرتبه‏ ی دوم مورد شبیه سازی عددی قرار می گیرند تا عملکرد مناسب آن ها آشکار گردد.

    کلیدواژگان: پایداری زمان-متناهی کلی، سیستم دینامیکی سوزن-بافت، کنترل مد لغزشی پایاندار، سوزن جراحی رباتیک، کنترل کننده ی غیرخطی مقاوم-تطبیقی
  • مرضیه کاکاوند، علی معرفیان پور*، مهدی سیاهی صفحات 51-84

    کنترل هواپیمای بدون سرنشین به علت وزن سبک و تزویج قوی بین حرکت طولی و حرکت جانبی یک مساله دشوار به حساب می آید. با توجه به این مساله، در این مقاله یک سیستم فرود خودکار برای یک هواپیمای بدون سرنشین بال-ثابت در معرض اغتشاش باد و عدم قطعیت پارامتری با استفاده از الگوریتم برگشت به عقب و مود لغزشی بر مبنای رویتگر اغتشاش طراحی شده است. دو کنترل کننده بر مبنای الگوریتم برگشت به عقب و مود لغزشی برای پایدارسازی زاویه های وضعیتی طراحی شده است. کنترل کننده مربوط به سرعت طولی از تکنیک مود لغزشی بهره می برد تا سرعت کل نسبت به زمین را در تمام فازهای فرود در مقدار ثابت مطلوب حفظ کند. برای تخمین اغتشاش حاصل از باد و عدم قطعیت پارامتری، یک رویتگر اغتشاش غیرخطی در ساختار کنترل کننده مود لغزشی در نظر گرفته شده است. سیستم فرود خودکار مقاوم جدید، در محیط نرم افزاری پیاده سازی و عملکرد آن توسط چندین شبیه سازی عددی بررسی شد؛ انحراف جانبی نسبت به باند فرود حذف می شود در حالیکه هواپیمای بدون سرنشین، زاویه شیب مسیر را در تمام فازهای فرود در مقدار مطلوب حفظ می کند. بنابراین، نتایج شبیه سازی های عددی اثبات می کند که ساختار کنترلی جدید با توجه به شرایط اولیه مختلف، انواع مختلف اغتشاش باد (قیچی باد و تندباد گسسته) و عدم قطعیت پارامتری پایدار و مقاوم است.

    کلیدواژگان: هواپیمای بدون سرنشین، فرود خودکار، کنترل برگشت به عقب، کنترل مود لغزشی، رویتگر اغتشاش
  • فرهاد امیری، محمدحسن مرادی* صفحات 85-115

    در ریزشبکه جزیره ای به علت اینکه از مبدلهای الکترونیک-قدرت برای مبادله توان استفاده می شود و این مبدل ها، اینرسی بسیار پایینی دارند، در نتیجه پایداری فرکانسی ریزشبکه را به خطر می اندازد. کنترل اینرسی مجازی به منظور بهبود پایداری فرکانسی در ریزشبکه جزیره ای به کار برده شده است. معمولا از تکنیک کنترل مشتق برای پیاده سازی کنترل اینرسی مجازی در ریزشبکه استفاده شده است. عواملی مانند اغتشاش و عدم قطعیت پارامترهای ریزشبکه جزیره ای، عملکرد کنترل اینرسی مجازی را به خطر می اندازد و ممکن است سبب ناپایداری فرکانسی سیستم شود. بنابراین ساختار کنترل اینرسی مجازی نیازمند یک کنترل کننده تکمیلی است که بتواند اثر اغتشاش وارد بر ریزشبکه را تا حد امکان تضعیف کند و در برابر عدم قطعیت پارامترهای ریزشبکه مقاوم باشد. در این مقاله، یک روش کنترلی مقاوم در ساختار کنترل اینرسی مجازی به کاربرده شده است که از فیدبک خروجی سیستم استفاده می کند. روش پیشنهادی بر مبنای نامساوی ماتریس خطی بیان شده و بر پایه معیار لیاپانوف اثبات شده است. از جمله مزایای روش پیشنهادی می توان به تضعیف اغتشاش، مقاوم در برابر عدم قطعیت پارامترهای ریزشبکه و افزایش درجات آزادی برای کنترل سیستم در این روش اشاره کرد. نتایج روش پیشنهادی برای بهبود عملکرد کنترل اینرسی مجازی، در چند سناریو مختلف با در نظر گرفتن عدم قطعیت پارامترهای ریزشبکه دو ناحیه ای و نیز اغتشاشهای وارد بر ریزشبکه با چندین روش مقایسه شده است و موثر بودن روش پیشنهادی از لحاظ بهبود پایداری فرکانسی نشان داده شده است.

    کلیدواژگان: کنترل مقاوم جدید، نامساوی ماتریس خطی، کنترل اینرسی مجازی، عدم قطعیت پارامترها
  • اسماعیل بهمنی، محسن احمدنیا*، حسین شریف زاده صفحات 116-133

    استخراج توان بیشینه بویژه با شرایط سایه جزیی یکی از مهم ترین مسایل در استفاده از یک سیستم فتوولتاییک است. تحت شرایط سایه جزیی، مشخصه توان-ولتاژ آرایه های فتوولتاییک دارای چندین نقطه بیشینه محلی است. یک روش ردیابی بیشینه توان در سیستم های فتوولتاییک بایستی امکان ردیابی سریع و دقیق نقطه بیشینه سراسری در حین شرایط سایه جزیی را فراهم آورد تا تلفات توان و نوسانات حالت ماندگار را کمینه کند. در این پژوهش یک الگوریتم ردیابی نقطه بیشینه توان برای یک سیستم فتوولتاییک تحت شرایط سایه جزیی با استفاده از تکنیک بهینه سازی گرگ خاکستری ارایه شده است. الگوریتم گرگ خاکستری یک روش بهینه سازی جدید است که محدودیت هایی از قبیل ردیابی ضعیف، نوسانات حالت دایمی و حالت گذرای نامطلوب در تکنیک های آشفتن و مشاهده و بهینه سازی ازدحام ذرات را برطرف می کند. الگوریتم پیشنهادی بر مبنای الگوریتم بهینه سازی گرگ خاکستری روی یک سیستم فتوولتاییک در محیط نرم افزار متلب پیاده سازی شد تا کارایی آن اثبات شود. عملکرد طرح پیشنهادی با دو تکنیک ردیابی نقطه بیشینه توان بر مبنای الگوریتم بهینه سازی جستجوی فاخته و الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج شبیه سازی نشان داد که عملکرد تکنیک ردیابی نقطه بیشینه توان پیشنهادی نسبت به طرح های مورد مقایسه از نظر سرعت و پایداری حالت ماندگار پاسخ برتری دارد بطوریکه مقادیر بیشینه فراجهش، زمان نشست و نوسانات ماندگار را به ترتیب تا 40.91%، 66.67% و 59.1% کاهش می دهد.

    کلیدواژگان: بهینه سازی گرگ خاکستری، ردیابی نقطه توان بیشینه، شرایط سایه جزیی، فتوولتاییک
  • محمد علیزاده* صفحات 134-155

    با هدف کاهش هزینه تولید انرژی الکتریکی و نیز کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در کشتی​های دارای سیستم رانش الکتریکی، از منابع تولید انرژی تجدیدپذیر خورشیدی و سیستم های ذخیره ساز انرژی در کنار واحدهای حرارتی استفاده می شود. لذا در این مقاله، یک مدل خطی و تصادفی آمیخته با عدد صحیح به منظور مدیریت بهینه انرژی الکتریکی یک کشتی دارای سیستم رانش الکتریکی، ذخیره ساز انرژی، ژنراتورهای حرارتی و منابع تجدیدپذیر خورشیدی و با هدف حداقل کردن هزینه تولید انرژی الکتریکی و تعیین سرعت بهینه حرکت کشتی پیشنهاد شده است. در این مقاله از روش شبیه سازی مونت کارلو برای مدل سازی عدم قطعیت در پیش بینی توان تولیدی منابع تجدیدپذیر خورشیدی و بار الکتریکی کشتی استفاده شده است. مدل پیشنهادی در نرم افزار بهینه سازی GAMS، پیاده سازی و تحلیل شده است. نتایج شبیه سازی نشان از کارآمدی مدل پیشنهادی و کاهش هزینه تولید انرژی الکتریکی در صورت حرکت کشتی با سرعت بهینه و استفاده از منابع ذخیره ساز انرژی به مقدار 7/7 درصد دارد.

    کلیدواژگان: رانش الکتریکی، مدیریت انرژی، سرعت حرکت بهینه، برنامه مشارکت واحدهای حرارتی
|
  • Babak Dehghanfar, Mohsen Kia*, Leila Zafari, Hamidreza Arasteh, Farkhondeh Jabbari Pages 4-26

    Currently, renewable energy is rapidly developing across the world in response to technical, economic, and environmental developments, as well as political and social initiatives. Moreover, the excessive penetration of distributed generation (DG) systems into electrical networks may lead to various problems and operational limit violations, such as over and under voltages, excessive line losses, overloading of transformers and feeders, protection failure and high harmonic distortion levels exceeding the limits of international standards. These problems occur when the system exceeds its Hosting Capacity (HC) limit. The HC is a transactive approach that provides a way for the distribution network to be integrated with different types of energy systems. Distributed Generation (DG) sources are one of the important componeents of novel distribution systems, among which renewable and clean energy sources have received more attention due to the important role of these sources in reducing greenhouse pollutants. The use of renewable sources such as wind and photovoltaic sources is expanding day by day with the increasing demand for electric energy supply. However, the limitations in the amount of the penetration of DG resources are one of the main challenges in the development of the use of these resources. This paper is looking for a method to improve the HC of the distribution network from DG sources by using reactive power compensation and the reconfiguration of distribution systems. The results of the simulation show the advantages of using the proposed method in increasing the HC and as a result the development of the use of renewable resources.

    Keywords: Distribution network, hosting capacity, reactive power compensation, distributed generation sources, network reconfiguration
  • Ali Abooee*, Sajad Moradi, Vahid Abootalebi Pages 27-50

    In this paper, three different finite-time nonlinear controllers are proposed to steer a robotic surgical needle in prostate tissue subject to parametric and modeling uncertainties. The torque generated by each type of these controllers is injected to the surgical needle’s closed-loop structure and, in consequence, the system’s state variable precisely converges to the desired path in prostate tissue within an adjustable finite time. The mentioned controllers are constructed based on the developed terminal sliding mode control method (as the main approach of robust-nonlinear control) incorporated with the adaptive control technique (for designing adaptation laws and estimation of unknown physical constants). It is worth noting that the basic difference between these controllers is in the definition of their nonlinear sliding manifolds. By utilizing the Lyapunov stability theory and several applicable lemmas, it is mathematically proven that all types of the introduced control approaches are able to accomplish the finite-time steering objective and guarantee the global finite-time stability for the needle-tissue dynamical system. Adaptation laws (existing in the proposed nonlinear controllers) continuously estimate the unknown physical constants and it is demonstrated that time responses of these estimations exactly reach the constants values over the finite time. Finally, by using MATLAB software, three types of the proposed controllers are separately simulated onto a second-order needle-tissue system to illustrate their proper performance.

    Keywords: Global finite-time stability, Needle-tissue dynamical system, Terminal sliding mode control, Robotic surgical needle, Adaptive-robust nonlinear controller
  • Marzieh Kakavand, Ali Moarefianpour*, Mahdi Siahi Pages 51-84

    The control of unmanned aerial vehicles is a challenging problem due to their lightweight and intense coupling between longitudinal and lateral motion. Considering this issue, in this article, an automatic landing system for a fixed-wing unmanned aircraft exposed to wind disturbances and parametric uncertainties is designed using the backstepping algorithm and the disturbance observer-based sliding mode control. Two controllers are designed based on the backstepping algorithm and sliding mode control to stabilize the attitude angles. The longitudinal speed controller uses the sliding mode technique to maintain the total speed relative to the ground at a constant desired value in all landing phases. A nonlinear disturbance-observer is considered in the sliding mode controller structure to estimate wind disturbance and parametric uncertainty. The new robust automatic landing system is software implemented, and its performance is investigated by several numerical simulations; Lateral deviation relative to the runway is eliminated while the unmanned aerial vehicle maintains its desired trajectory slope angle in all phases of the landing at the desired value. Therefore, the results of numerical simulations prove that the new control structure is stable and robust against different initial conditions, different types of wind disturbances (wind shear and discrete gust), and parametric uncertainty.

    Keywords: Unmanned Aerial Vehicles, Automatic Landing, Backstepping Control, Sliding Mode control, Disturbance observer
  • Farhad Amiri, MohammadHassan Moradi* Pages 85-115

    In an islanded microgrid, power electronic converters are used to exchange power, and these converters have very low inertia, thus compromising the frequency stability of the microgrid. Virtual inertia control is used to improve the frequency stability of an islanded microgrid. The derivative control technique is usually used to implement virtual inertia control in the microgrid. Factors such as disturbance and uncertainty of parameters of the islanded microgrid compromise the performance of virtual inertia control and may cause system frequency instability. Therefore, the virtual inertia control structure, a complementary controller is needed that can weaken the effect of disturbance on the microgrid as much as possible and be resistant to the uncertainty of parameters of the microgrid. In this paper, a robust control method is used in a virtual inertia control structure that uses system output feedback. The proposed method is expressed based on linear matrix inequality and is proved based on the Lyapunov criterion. Among the advantages of the proposed method is the attenuation of disturbance, resistance to the uncertainty of parameters of the microgrid, and increasing the degree of freedom to control the system in this method. The results of the proposed method to improve the performance of virtual inertia control in several different scenarios by considering the uncertainty of parameters of the two-zone microgrid and disturbances on the microgrid are compared with several methods and the effectiveness of the proposed method in terms of improving frequency stability is shown.

    Keywords: Robust output feedback, linear matrix inequality, virtual inertia control, uncertainty parameters
  • Esmaeil Bahmani, Mohsen Ahmadnia*, Hossein Sharifzadeh Pages 116-133

    Extracting maximum power, especially with partial shading conditions, is one of the most critical issues in using a photovoltaic system. Under partial shading conditions, the power-voltage characteristic of photovoltaic arrays has several local maximum points. A maximum power point tracking method for photovoltaic systems should enable fast and accurate tracking of the global maximum during partial shading conditions to minimize power losses and steady-state fluctuations. This research presents an algorithm for tracking the maximum power point in a photovoltaic system under partial shading conditions using the gray wolf optimization technique. The gray wolf algorithm is a new optimization method that overcomes limitations such as poor tracking, steady-state fluctuations, and undesirable transients in perturb and observe and particle swarm optimization techniques. The proposed algorithm based on the gray wolf optimization algorithm is implemented on a photovoltaic system in MATLAB software to prove its efficiency. The performance of the proposed design is compared with two maximum power point tracking techniques based on cuckoo search and particle swarm optimization. The simulation results show that the performance of the proposed maximum power point tracking technique is superior to the compared designs in terms of speed and steady-state stability of the response, so that it reduces the values of maximum overshoot, settling time, and sustained fluctuations up to 40.91%, 66.67% and 59.1% respectively.

    Keywords: Grey wolf optimization (GWO), maximum power point tracking (MPPT), partial shading conditions (PSC), photovoltaic (PV)
  • Mohammad ALIZADEH* Pages 134-155

    In order to reduce the cost of electric power generation and also reduce greenhouse gas emissions in ships with electric propulsion system, renewable energy resources and energy storage systems are used along with thermal units. Therefore, in this paper, a stochastic mixed integer linear model has been suggested for optimal management of electrical energy of a ship with electric propulsion system, energy storage, heat generators and renewable solar resources with the aim of minimizing the cost of electricity production and determining the optimal ship speed. In this paper, the Monte Carlo simulation method is used to model the uncertainty in predicting the solar power and the ship's electric load. The proposed model is implemented and analyzed in GAMS optimization software. The simulation results show the efficiency of the proposed model and the introduced energy management strategy.

    Keywords: Electric propulsion, Energy Management, Optimal Speed, Thermal Units unit commitment