فایل کنترل نظارتی قوانین فازی با یک الگوریتم بهینه سازی جهت کنترل فازی فعال سازه

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

فهرست مطالب
فصل اول
کلیات تحقیق
1-1-    مقدمه ..........................................................................................................................صفحه2
1-2-    بیان مساله.....................................................................................................................صفحه2
1-3-    شدت زلزله..................................................................................................................صفحه3
1-4-    بررسی اثرات زلزله در سطح شهر.................................................................................صفحه3
1-5-    وضعیت بحرانهای طبیعی در دنیا...................................................................................صفحه3
1-6-    امواج زلزله...................................................................................................................صفحه4
1-7-    اقسام زلزله...................................................................................................................صفحه4
1-8-    مقیاس ریشتر................................................................................................................صفحه5
1-9-    مقیاس شدت یا مرکالی................................................................................................صفحه5
1-10-    سنسور تشخیص زلزله..................................................................................................صفحه8
1-11-    کنترل کننده PID ......................................................................................................صفحه10
1-12-    روش کلی تحقیق.......................................................................................................صفحه11

فصل دوم
مروری بر ادبیات تحقیق و پیشینه تحقیق
2-1- مروری بر ادبیات تحقیق................................................................................................صفحه12
2-2- سیستمهای فازی...........................................................................................................صفحه13
2-3- تاریخچه مختصری از سیستم فازی................................................................................صفحه13
2-4- چرا سیستم فازی...........................................................................................................صفحه15
2-5- مشکلات عمده سیستم فازی TSK.................................................................................صفحه17
2-6- سیستم های فازی کجا و چگونه استفاده می شوند........................................................صفحه17
2-7- ماشین شستشوی فازی..................................................................................................صفحه18
2-8- تثبیت کننده تصویر دیجیتال..........................................................................................صفحه18
2-9- کنترل فازی کوره سیمان...............................................................................................صفحه19
2-10- کنترل فازی قطار زیرزمینی.........................................................................................صفحه20
2-11- زمینه های تحقیق عمده در تئوری فازی......................................................................صفحه20
2-12- مهمترین خصوصیات منطق فازی................................................................................صفحه21
2-13- منطق فازي و مديريت اطلاعات..................................................................................صفحه21
2-14- تضمين امنيت منابع.....................................................................................................صفحه22
2-15- روش‌های کد کردن....................................................................................................صفحه23
2-16- الگوریتم ژنتیک...........................................................................................................صفحه23
2-17-  درباره علم ژنتیک......................................................................................................صفحه24
2-18- تکامل طبیعی .............................................................................................................صفحه24
2-19- رابطه تکامل طبیعی با روش‌های هوش مصنوعی.........................................................صفحه26
2-20-  الگوریتم....................................................................................................................صفحه28
2-21-  الگوریتم‌های جستجوی ناآگاهانه...............................................................................صفحه28
2-21-1- جستجوی لیست.....................................................................................................صفحه28
2-21-2- الگوریتم‌های جستجوی آگاهانه..............................................................................صفحه29
2-22- هیوریستیک.................................................................................................................صفحه31
2-23- انواع الگوریتم‌های هيوریستیک...................................................................................صفحه32
2-24- پیاده سازی  الگوریتم ژنتیک.......................................................................................صفحه33
2-25- مكانيزم الگوريتم ژنتيك..............................................................................................صفحه35
2-26- عملگرهاي الگوريتم ژنتيك.........................................................................................صفحه37
2-26-1- کدگذاری...............................................................................................................صفحه37
2-26-2- ارزیابی...................................................................................................................صفحه38
2-26-3- ترکیب...................................................................................................................صفحه38
2-26-4- جهش.....................................................................................................................صفحه38
2-26-5-  رمزگشايي.............................................................................................................صفحه38
2-26-6- کدینگ باینری........................................................................................................صفحه39
2-26-7- کدینگ جایگشتی...................................................................................................صفحه40
2-26-8- کد گذاری مقدار....................................................................................................صفحه41
2-26-9- کدینگ درخت.......................................................................................................صفحه41
2-27- نمایش رشته‌ها............................................................................................................صفحه42
2-28-  انواع روش‌های تشکیل رشته.....................................................................................صفحه44
2-29-  باز گرداندن رشته‌ها به مجموعه متغيرها.....................................................................صفحه44
2-30- تعداد بيت‌هاي متناظر با هر متغير.................................................................................صفحه45
2-31- جمعيت .....................................................................................................................صفحه46
2-32- ايجادجمعيت اوليه......................................................................................................صفحه46
2-33- اندازه جمعيت.............................................................................................................صفحه47
2-34- محاسبه برازندگي (تابع ارزش) ..................................................................................صفحه47
2-35-  انواع روش‌های انتخاب.............................................................................................صفحه48
2-36- انتخاب چرخ رولت....................................................................................................صفحه49
2-37- انتخاب حالت پایدار...................................................................................................صفحه50
2-38- انتخاب نخبه گرایی.....................................................................................................صفحه51
2-39- انتخاب رقابتی............................................................................................................صفحه51
2-40- انتخاب قطع سر..........................................................................................................صفحه51
2-41- انتخاب جایگزینی نسلی اصلاح شده..........................................................................صفحه52
2-42- انتخاب مسابقه تصادفی...............................................................................................صفحه52
2-43- انواع روش‌های ترکیب...............................................................................................صفحه52
2-44- جابه‌جایی دودوئی......................................................................................................صفحه53
2-45- جابه‌جایي حقيقي........................................................................................................صفحه55
2-46-  ترکیب تک‌نقطه‌ای.....................................................................................................صفحه55
2-47- ترکیب دو نقطه‌ای .....................................................................................................صفحه55
2-48- ترکیب n نقطه‌ای........................................................................................................صفحه56
2-49- ترکیب یکنواخت........................................................................................................صفحه56
2-50- ترتیب ........................................................................................................................صفحه57
2-51- چرخه.........................................................................................................................صفحه58
2-52- بخش_نگاشته.............................................................................................................صفحه59
2-53- احتمال تركيب............................................................................................................صفحه60
2-54- تحليل مكانيزم جابجایي..............................................................................................صفحه60
2-55- جهش.........................................................................................................................صفحه61
2-56-  جهش باينري.............................................................................................................صفحه62
2-57- جهش حقيقي..............................................................................................................صفحه63
2-57-1- وارونه سازی بیت...................................................................................................صفحه63
2-57-2-  وارون سازی.........................................................................................................صفحه64
2-57-3- تغییر مقدار.............................................................................................................صفحه64
2-58- محک اختتام اجرای الگوریتم ژنتیک...........................................................................صفحه65
2-59- انواع الگوریتم‌های ژنتیکی..........................................................................................صفحه65
2-59-1- الگوریتم ژنتیکی سری............................................................................................صفحه66
2-59-2- الگوریتم ژنتیکی موازی..........................................................................................صفحه67
2-60- نقاط قوّت الگوریتم‌های ژنتیک...................................................................................صفحه67
2-61- محدودیت‌ها ..............................................................................................................صفحه69
2-62- استراتژی برخورد با محدودیت‌ها ...............................................................................صفحه70
2-62-1-  استراتژی رَدّی.......................................................................................................صفحه70
2-62-2-  استراتژی اصلاحی................................................................................................صفحه70
2-62-3- استراتژی جریمه‌ای ...............................................................................................صفحه70
2-63- بهبود الگوریتم ژنتیک.................................................................................................صفحه71
2-64- مدل دینامیکی سازه.....................................................................................................صفحه72
2-65- معادلات دیفرانسیل پیوسته سیستم...............................................................................صفحه72
2-66- نمونه برداری زلزله و سیگنال حاصل از سنسور..........................................................صفحه73
2-67- نمونه برداری سیگنال زلزله.........................................................................................صفحه74
2-68- نرخ نمونه برداری.......................................................................................................صفحه75
2-69- تبدیل C2DT و معادلات گسسته سیستم.....................................................................صفحه76
2-70- مدل زلزله...................................................................................................................صفحه76
2-71- مدلسازی زلزله...........................................................................................................صفحه77
2-72- مدل رفتار سازه بدون کنترل در مقابل زلزله................................................................صفحه78
2-73- جمع بندی فصل ........................................................................................................صفحه82
فصل سوم
روش اجرای تحقیق
3-1- کنترل سازه ..................................................................................................................صفحه83
3-2- کنترل حلقه باز ............................................................................................................صفحه83
3-3- حلقه بسته.....................................................................................................................صفحه84
3-4- مقايسة سيستمهاي کنترل حلقه بسته و حلقه باز.............................................................صفحه84
3-5- کنترل سنتی...................................................................................................................صفحه85
3-6- انواع روش هاي كنترل ................................................................................................صفحه85
3-7- تبديل لاپلاس...............................................................................................................صفحه86
3-8- تابع تبديل سيستم.........................................................................................................صفحه88
3-9-  حساسيت سيستم هاي كنترل نسبت به تغييرات پارامترها..............................................صفحه90
3-9-1- اغتشاش و نويز در سيستم كنترل حلقه بسته .............................................................صفحه90
3-10- خطاي حالت دائمي....................................................................................................صفحه91
3-11- معايب سيستم حلقه بسته.............................................................................................صفحه92
3-12- مشخصه هاي عملكرد سيستم كنترل............................................................................صفحه92
3-13- جبران سازي...............................................................................................................صفحه94
3-14- مثال هايي از كنترل در سيستم هاي بيولوژيكي............................................................صفحه95
3-15- جمع بندی فصل.........................................................................................................صفحه99

فصل چهارم
تجزیه و تحلیل داده ها
4-1- هدف فصل.................................................................................................................صفحه100
4-2- كنترل‌كننده غيرخطي LQR.........................................................................................صفحه100
4-3- پیاده سازی LQR.......................................................................................................صفحه101
4-4- نتايج شبيه‌سازي LQR................................................................................................صفحه101
4-5- کنترل فازی.................................................................................................................صفحه103
4-6- پاسخ حلقه بسته با استفاده از کنترلر فازی...................................................................صفحه105
4-7- کنترل نظارتی ............................................................................................................صفحه106
4-8- چارت الگوريتم به همراه شبه كد آن...........................................................................صفحه106
4-9- تابع هدف...................................................................................................................صفحه108
4-10- کنترل نظارتی سازه با الگوریتم ژنتیک......................................................................صفحه109
4-11- پاسخ ها...................................................................................................................صفحه111
4-12- ضریب نظارت..........................................................................................................صفحه112
4-13- بررسی زمان اجرای فازی در مقابل LQR ................................................................صفحه112
4-14- جکهای کنترلی.........................................................................................................صفحه112
4-15- جمع بندی فصل.......................................................................................................صفحه114

فصل پنجم
نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1- نتایج عملی ................................................................................................................صفحه115
5-2- بیشینه جابحایی و شتاب.............................................................................................صفحه118
5-3- نتایج عددی................................................................................................................صفحه119
5-4- نتیجه گیری.................................................................................................................صفحه120
5-5- پیشنهادات..................................................................................................................صفحه120
مراجع ..................................................................................................................................صفحه121

فهرست جدول ها
جدول 1-1)  آمار زلزله های بزرگ در جهان  ........................................................................صفحه 4
جدول 1-2) مقایسه ی اندازه و شدت زلزله در دو مقیاس ریشتر و مرکالی  ...........................صفحه 6
جدول 1-3) مهم ترین زلزله های نیم قرن اخیر در ایران  .......................................................صفحه 7
جدول 2-1) نمونه کروموزوم الگوریتم ژنتیکی  ...................................................................صفحه 43
جدول2-2) مشخصات سازه  ...............................................................................................صفحه 77
جدول 5-1) نتایج پارامترهای سیستم برای همه طبقات  .....................................................صفحه 119

فهرست شکل ها
شکل 1-1) ساختمان سنسور تشخیص زلزله ...........................................................................صفحه 8
شکل 1-2) نمونه ای از یک لرزه نگاشت با بیشینه دامنه 23 میلیمتر ........................................صفحه 9
شکل 1-3) شمایی از یک نگاشت سه مولفه  .......................................................................صفحه 10
شکل 2-1) نقاط بهینۀ محلی و بهینۀ کلی  ............................................................................صفحه 27
شکل 2-2) کدینگ درختی  .................................................................................................صفحه 42
شکل 2-3) چرخ رولت  ......................................................................................................صفحه 50
شکل 2-4) جابجایی چند نقطه با اندازه 3 به 5     ...............................................................صفحه 53
شکل 2-5) ترکیب تک ‌نقطه‌ای   ..........................................................................................صفحه 55
شکل 2-6) ترکیب دو نقطه‌ای با اندازه 3 از 7      ...............................................................صفحه 56
شکل 2-7) ترکیب یکنواخت  ..............................................................................................صفحه 57
شکل  2-8)شبیه سازی جهش به کمک نمودار  ....................................................................صفحه 61
شکل  2-9)جهش باینری  ....................................................................................................صفحه 63
شکل 2-10) جهش: وارونه سازی بیت  ...............................................................................صفحه 63
شکل 2-11)جهش: تغییر ترتیب قرارگیری  ..........................................................................صفحه 64
شکل 2-12) جهش: وارون سازی  .......................................................................................صفحه 64
شکل 2-13) جهش: تغییر مقدار  ..........................................................................................صفحه 65
شکل 2-14) کنترل حلقه باز سیستم  ....................................................................................صفحه 73
شکل 2-15)  یک سیگنال پیوسته به همراه سیگنال‏های گسسته و رقمی متناظر .....................صفحه 74
شکل 2-16)نمونه برداری های یکسان از دو سیگنال متفاوت  ..............................................صفحه 75
شکل 2-17) مدل‌سازی نیروی زلزله منجیل  .........................................................................صفحه 78
شکل 2-18) جابجایی در مقاله مرجع 7 ...............................................................................صفحه 78
شکل 2-19) جابجایی در مقاله هارلی و همکاران در مرجع 9 ..............................................صفحه 79
شکل 2-20) جابجایی در مقاله مرجع 9 ...............................................................................صفحه 79
شکل 2-21) جابجایی در مقاله مرجع 16 .............................................................................صفحه 80
شکل 2-22) جابجایی در مقاله مرجع 17 بدون کنترل ..........................................................صفحه 80
شکل 2-23) جابجایی در مقاله مرجع 17 با کنترل ................................................................صفحه 78
شکل 2-24) پاسخ طبقه اول بدون کنترل بعد از اعمال نیروی زلزله  ....................................صفحه 81
شکل 2-25) پاسخ طبقه هشتم بدون کنترل بعد از اعمال نیروی زلزله  .................................صفحه 82
شكل 3-1) سيستم مكانيك جرم- فنر- دمپر  ........................................................................صفحه 85
شكل 3-2) رفتار زماني خروجي سيستم  ..............................................................................صفحه 88
شكل 3-3) سيستم حلقه باز و حلقه بسته  ............................................................................صفحه 89
شكل 3-4) بررسي اثر اغتشاش  ..........................................................................................صفحه 91
شكل3-5) سيستم حلقه بستة نمونه  .....................................................................................صفحه 93
شكل 3-6) پاسخ سیستم  .....................................................................................................صفحه 94
شكل3-7)  جبران كنندة متوالي  ...........................................................................................صفحه 95
شكل 3-8)  شماتيك كنترل فشار خون رگها در شرايط نرمال  .............................................صفحه 96
شكل3-9) شماتيك كلي كنترل حركات انسان  ....................................................................صفحه 97
شكل 3-10)  روند كنترل در پمپ انسولين  .........................................................................صفحه 98
شکل4-1) نتیجه شبیه سازی روش LQR.............................................................................صفحه 102
شکل4-2) مقايسه كنترل‌كننده‌هاي مختلف براي خطا...........................................................صفحه 103
شکل 4-3) نمودار حلقه بسته کنترل فازی  ........................................................................صفحه 103
شکل 4-4) فازی سازی جابجایی  .....................................................................................صفحه 104
شکل 4-5) فازی سازی شتاب  ..........................................................................................صفحه 104
شکل 4-6) فازی سازی نیروی زلزله  .................................................................................صفحه 105
شکل 4-7) پاسخ طبقه اول با کنترل فازی  .........................................................................صفحه 105
شکل 4-8) پاسخ طبقه هشتم با کنترل فازی  ......................................................................صفحه 106
شکل 4-9) حلقه بسته کنترل نظارتی  ................................................................................صفحه 109
شکل 4-10) فلوچارت کار الگوریتم ژنتیک  .....................................................................صفحه 110
شکل 4-11) پاسخ طبقه اول با کنترل نظارتی  ...................................................................صفحه 111
شکل 4-12)  پاسخ بام با کنترل نظارتی  ............................................................................صفحه 111
شکل 4-13)  فاکتور نظارت  .............................................................................................صفحه 112
شکل 4-14)  مقایسه زمان اجرای برنامه در سه روش.........................................................صفحه 112
شکل 4-15)  اتصال جکهای هیدرولیکی به سازه ...............................................................صفحه 113
شکل 4-16)  محل قرارگیری سنسورها در طبقات .............................................................صفحه 114

شکل 5-1) نیروی کنترلی بدون نظارت ژنتیک  ..................................................................صفحه 117
شکل 5-2) نیروی کنترلی با نظارت ژنتیک  .......................................................................صفحه 117
شکل 5-3) پاسخ طبقه اول با کنترل نظارتی  ......................................................................صفحه 118
شکل 5-4)  فاکتور نظارت  ...............................................................................................صفحه 118
شکل 5-5)بیشینه جابجایی طبقات  ....................................................................................صفحه 119
شکل 5-6)بیشینه شتاب طبقات  .........................................................................................صفحه 119
 

 
چکیده
امروزه با توجه به افزایش ساخت ساختمان‌های بلند مرتبه، از دغدغه‌های بزرگ مهندسین امنیت آن‌ها در برابر حوادث طبیعی نظیر هم فرکانسی با باد یا زلزله می‌باشد. یکی از بهترین روش‌های حفظ امنیت سازه، استفاده از کنترل فعال است که از مجموعه فازی با یک پایگاه قوانین خبره برای کنترل استفاده می‌کند. برای حل مشکل وابستگی مجموعه فازی، به هوش خبره، ایده‌ی نظارت یک الگوریتم بهینه‌سازی در این پایان نامه مطرح شده است. به عبارت دیگر ما روی یک کنترل نظارتی برای مجموعه‌های فازی کنترلر کار کردیم که با استفاده از الگوریتم ژنتیک کار نظارت را انجام خواهد داد و نشان دادیم بهترین حالت در کنترل فعال سازه‌ها اولا استفاده از روش‌های هوش مصنوعی به جهت کاهش حجم محاسبات است که می‌تواند کنترلر را به شکل خوب توسط پردازنده های ارزان قیمت قابل استفاده نماید و ثانیا استفاده از کنترل نظارتی توسط الگوریتم‌های بهینه‌سازی مانند الگوریتم ژنتیک که روی کنترلر اصلی فازی نصب می‌شود می‌تواند به شکل قابل توجهی در کنترل فعال سازه‌ها، پاسخ سیستم را بهبود بخشد و سازه را مقابل زلزله دچار تخریب کمتری نماید.
کلید واژه ها: کنترل فازی، ژنتیک، کنترل فعال سازه

فصل اول
کلیات تحقیق

1-1-    مقدمه 
امروزه با توجه به افزایش ساخت ساختمان‌های بلند مرتبه، از دغدغه‌های بزرگ مهندسین امنیت آن‌ها در برابر حوادث طبیعی نظیر هم فرکانسی با باد یا زلزله می‌باشد. تاکنون روش‌های گوناگونی جهت حفظ امنیت مطرح گردیده که به سه روش کلی فعال، نیمه‌فعال و غیر‌فعال تقسیم‌بندی می‌شوند. که هدف نهایی کنترل سازه در مقابل تخریب ناشی از زلزله می باشد. برای این منظور دو روش کنترل مکانیکی و الکترونیکی موجود می باشد. در روش اول با استفاده از دمپرهایی که در سازه جاگذاری می شود می توان زلزله را مهار نمود که کنترل نیمه فعال نامیده می شود. در روش کنترل فعال با استفاده از سنسور نمونه گیری از زلزله میزان آن سنجیده می شود و با استفاده از جک های هیدرولیکی و یک سیستم کنترل حلقه بسته می توان سازه را کنترل نمود. 

1-2-    بیان مساله
همانطور که گفته شد در روش کنترل فعال با استفاده از سنسور نمونه گیری از زلزله میزان آن سنجیده می شود و با استفاده از جک های هیدرولیکی و یک سیستم کنترل حلقه بسته می توان سازه را کنترل نمود. زلزله پديده‌اي است طبيعي، که يکي از عوامل بروز حوادث پيش بيني نشده در سطح جوامع مي‌باشد. قرارگيري کشور ايران در مناطق با خطر پذيري بالاي زلزله در سطح جهان و وجود نقاط جمعيتي متراکم، ايران را به کشوري شديدا آسيب پذير در برابر زلزله تبديل نموده است. افزايش بي‌رويه جمعيت، ساخت و سازهاي شهري و گسترش آن تا حاشيه شهر‌ها، بدون برنامه‌ريزي مناسب و درنظر گرفتن تمهيدات و قوانين لازم، وخامت اوضاع را دو چندان کرده است. در واقع زلزله عبارت است از حرکت و ارتعاش شديد بخشي از پوسته زمين با تمام مواد و سازه‌هاي روي آن در اثر حرکت‌هاي چين‌خوردگي، آتشفشان و يا تنشهاي موجود در پوسته زمين که با گشل تفاوت دارد.گسل عبارت است از سطح ناپيوسته‌اي که دو مجموعه سنگي را از هم جدا مي‌کند. گسل نتيجه گسيختگي و حرکتي است که در آن، نخست دو مجموعه سنگي متصل به هم، از هم جدا شده و سپس باعث لغزش و دور شدن دو بخش از هم مي شود، که همين عامل باعث بروز زلزله در مناطق مختلف از جمله شهر‌ها مي‌گردد. برای کنترل سازه باید شدت زلزله را توسط یک سنسور بسنجیم.

1-3-    شدت زلزله
شدت يک زلزله در يک مکان خاص برمبناي اثرهاي قابل مشاهده زمین‌لرزه درآن مکان تعيين مي‌شود. شدت زلزله به مقياس مرکالي  مشهور است، در اين مقياس، شدت زلزله به صورت تابعي از احساس و دريافت انسان و موجودات زنده از زلزله و نيز تاثير زلزله بر ساختمانها بیان می‌شود. این مقیاس به طور گسترده‌ای پذیرفته شده و مورد استفاده قرار می گیرد.

1-4-    بررسی اثرات زلزله در سطح شهر
زلزله به عنوان یک عامل طبیعی، اثرات گوناگونی را بر محیط پیرامون خود می‌گذارد. در شهرها این اثرات را می‌توان به دو صورت اصلی شامل اثرات مستقیم و اثرات غیر مستقیم، تقسیم بندی نمود. اثرات مستقیم زلزله تأثیراتی است که مستقیما و بدون واسطه، بر اثر بروز زلزله اتفاق می‌افتند و باعث تخریب و صدمات گوناگونی در سطح شهرها می‌گردند. اثرات کالبدی زیر مجموعه‌ای از اثرات مستقیم زلزله محسوب می‌گردند. اثرات غیر مستقیم زلزله تأثیراتی که بیشتر به صورت غیر مستقیم و بر اثر بروز اثرات مستقیم و نتایج بعدی حاصل از اثرات کالبدی ایجاد می‌گردد ‌نامیده می شود که شامل اثرات اقتصادی، اثرات اجتماعی، اثرات مدیریتی، اثرات زیست محیطی و اثرات کالبدی می باشد