وبلاگ

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب
دانشكده تحصیلات تكمیلی
“M.Sc” پایان نامه برای دریافت درجه كارشناسی ارشد
مهندسی مكاترونیک
عنوان :
کاربرد شبکه های عصبی در مدل سازی یک پارامتر از محیط با بهره گرفتن از حسگرهای نامطمئن

برای رعایت حریم خصوصی اسامی استاد راهنما،استاد مشاور و نگارنده درج نمی شود

تکه هایی از متن به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چكیده:

امروزه کامپیوتر یکی از مهمترین بخش های اصلی فرایند طراحی مهندسی است و مهندسان از آن برای بهبود طراحی در کاربردهای گوناگون استفاده می کنند. هرچند کامپیوتر در مدل سازی بسیاری از کاربردهای مهندسی استفاده می شود اما در حال حاضر تمرکز اصلی بر حوزه هایی است که دارای قاعده و قانون هستند. به طور کلی فعالیت هایی که در ارتباط با مرحله محاسبات فرایند طراحی است از سوی کامپیوتر ها غیر قابل لمس می باشند. در سال های اخیر شبکه های عصبی (NNs) به طور گسترده در مدل سازی بسیاری از فعالیت های بشری در حوزه های مختلف علوم و مهندسی مورد استفاده قرار گرفته اند. یکی از ویژگی های متمایز NNs توانایی یادگیری آن از نمونه هاو تجربیات، سپس تطبیق آن ها با تغییر موقعیت است. مهندسان اغلب با داده های ناقص و حاوی نویز سر و کار دارند. که یکی از حوزه های پرکاربرد شبکه عصبی است. در این سمینار به معرفی مفهوم شبکه های عصبی مصنوعی ، انواع آن ها و همچنین شبکه های حسگری بی سیم می پردازیم و در نهایت به طور مختصر به بررسی مدلی پویا از WSN و کاربرد آن ها در تشخیص گره و شناسایی خطا در شبکه های حسگری بی سیم می پردازیم. شبکه های عصبی بازگشتی برای مدل سازی یک گره حسگری مورد استفاده قرار گرفته اند. گره ها به صورت پویا بوده و با گره های دیگر شبکه حسگری در ارتباط است. ورودی NN شامل خروجی قبلی نمونه های مدل سازی گره حسگری و خروجی فعلی و قبلی نمونه های حسگرهای مجاور است. این مدل سازی بر مبنای ساختار شبکه های عصبی پس انتشار و شبکه های بازگشتی پایه شعاعی است. ورودی شبکه و توپولوژی آن بر اساس مدل حسگر غیر خطی است.

:
با رسیدن تكنولوژی سیلیكونی به مرزهای محدودیت ساخت از جمله مشكلات جریان نشتی و تغییرات شدید پارامترهای ترانزیستورهای مشابه در ابعاد نانومتری و نیاز به جایگزینی مواد جدید ، چند ساختار جدید برای یافتن بهترین جایگزین ترانزیستورهای FET  مورد بررسی قرار گرفته است .تحقیقات اخیر در نانوالكترونیک پتانسیل بالای ترانزیستورهای نانوتیوب كربنی جهت جایگزینی بجای ترانزیستورهای MOSFET کنونی را نشان داده اند.

نانوتیوبهای كربنی ساختارهایی استوانه ای از اتمهای كربن هستند كه از پیچش صفحات گرافین تشكیل می شوند. قطر نانومتری، استحكام 

مكانیكی و ضریب هدایت گرم ا یی بالا و پیوندهای كوولانسی اشباع شده، این تیوبها را به ساختارهای بسیار مورد توجه در صنایع گوناگون تبدیل كرده اس ت . از جمله در صنعت الكترونیک و ساخت ترانزیستور ، چنین به نظر می رسد كه این نانوتیوبها بتوانند بسیاری از مشكلات پیش روی این صنعت در سالهای آینده را رفع كنند.

ترانزیستورهای CNFET به روش های گوناگون و مشخصه های متفاوت ساخته شده اند . بسیاری از این ترانزیستورها تنها از یک نانوتیوب كربنی نیمه هادی به عنوان كانال بهره می برند . در سالهای اخیر و با توسعه تكنولوژی نانو و ابزارهای آن استفاده از چند نانوتیوب در زیر یک گیت نیز مقدور گردیده است . ترانزیستورهای ساخته شده مشخصه های قابل توجهی از خود نشان داده اند و روز به روز بر امكان و احتمال جایگزینی تكنولوژی سیلیكونی با تكنولوژی آمیخته با نانو افزوده می شود.
 از جمله برتری های ترانزیستور CNFET سرعت بالا و سطح اشغال شده بسیار كم آن می باشد . این مزایا در آینده موجب ساخت حافظه ها و مدارهای دیجیتال با سرعت بالا و ابعاد كوچك خواهند شد . اما در اینجا نیز لازم است تا همانند تكنولوژی كنونی جهت پیش بینی عملكرد ترانزیستورها مدلی ارائه گردد كه بتواند با توجه به شرایط فیزیكی قطعه توصیف صحیحی از رفتار آن در مدار های مختلف داشته باشد . سادگی، سرعت و قابلیت بكارگیری مدل توسط شبیه سازهای مداری از جمله موارد مهمی هستند كه باید در مدلسازی قطعه مدنظر قرار گیرند.

صنعت برق در دنیا به سرعت در حال تغییر و تحول است كه عواملی چون بازار، كمبود منابع طبیعی و تقاضای رو به افزایش الكتریسیته موارد مهمی در ایجاد این تغییرات و تحولات سریع و پیش بینی نشده هستند. با وجود این درخواست روبه رشد ، خیلی از برنامه های توسعه توسط فشارهای ناشی از گروه های حامی مسائل زیست محیطی در رابطه با عدم اعطاء مجوز ساخت خطوط انتقال جدید و نیروگاه ها محدود شده اند. بنابراین جهت حداكثر كردن ظرفیت انتقال خطوط موجود به همراه بالا بردن پایداری و قابلیت اطمینان سیستم های قدرت استفاده از ادوات الكترونیک قدرت اجتناب ناپذیر است و بطوركلی استفاده از تجهیزات و تكنیكهای جدید الكترونیک قدرت می تواند جانشین خوبی برای راه حلهای سوم باشند. در گذشته این تكنیكها معمولا بر پایه ی تكنولوژی های الكترومكانیكی بوده و دارای پاسخ زمانی بالا و هزینه نگهداری زیاد می باشند.یک سیستم قدرت می تواند به صورت مجموعه ای از منابع تولید كننده و بازارهای مصرفی كه از طریق شبكه ی خطوط انتقال ، ترانسفورماتورها و تجهیزات حفاظتی موردنیاز باهم ارتباط دارند در نظر گرفته شود. ساختار سیستم قدرت تابعی از وضعیت اقتصادی موجود، تصمیمات سیاسی، مهندسی و زیست محیطی می باشدو به همین دلیل ساختار آن همیشه در حال 

تغییراست. سیستم های قدرت بر اساس ساختارشان به طوركلی به دو سیستم شعاعی و حلقوی تقسیم می شوند. سیستم های حلقوی را در مناطقی با تراكم بالای جمعیت كه امكان ساخت پست قدرت نزدیک به مراكز تقاضای بار وجود دارد می توان پیدا كرد ، در حالیكه سیستم های شعاعی در مناطقی كه مقدار زیادی از توان مجبور است مسیر طولانی را از پست قدرت به مراكز بار طی كند مشاهده می شوند. پخش توان در كل شبكه مستقل از ساختار سیستم قدرت و تابعی از امپدانس خط انتقال می باشد. خط انتقال با امپدانس پایین توانایی پخش توان بیشتری نسبت به خط انتقال با امپدانس بالا دارد. اما این نتیجه همیشه درست نیست زیرا مسائل عملی زیادی وجود دارند كه باید آنهارا در نظر گرفت. كار اپراتور سیستم كمك به سیستم و تلاش برای توزیع مجدد پخش توان تا رسیدن به هدف مورد نظر می باشد. نمونه هایی از مشكلات عملی كه پخش توانهای اكتیو و راكتیو كنترل نشده ممكن است بوجود آید بیاورند عبارتند از: كاهش پایداری سیستم، ایجاد حلقه های پخش توان ، تلفات بالای انتقال ، تجاوز از حد ولتاژ موردنظر و عدم بهره برداری از ظرفیت كامل خطوط انتقال به علت محدودیت دمایی و فرمان قطع پشت سرهم رله ها . این قبیل مشكلات معمولا بوسیله ساخت نیروگاه ها و خطوط انتقال جدید حل می شوند، اما این راه حل دارای هزینه اجرایی بالا ، زمان بر و در تضاد با گروه های حامی محیط زیست می باشد، راه حل جدیدی كه برای حل این قبیل مشكلات می توان در نظر گرفت مربوط به استفاده از جدیدترین روشها و تجهیزات الكترونیک قدرت تحت عنوان FACTS می باشد.

:
موضوع بهبود گفتار با نیاز به افزایش كیف یت عملكرد سیستمهای ارتباطی صوتی در محیط های نویزی ، مطرح گردید . رنج عملكردی وسیعی برای سیستمهای تشخیص گفتار جهت بهبود ارتباط از راه دور در هوانوردی ، صنایع نظامی ، گفتگوهای راه دور و محیط های سلولی وجود دارد . هدف ما نیز در این پایان نامه بهبود كیفیت قابل ملاحظه گفتار یا افزایش قابلیت فهم آن می باشد.
كاربردهای فراوانی از بهبود گفتارهای صوتی تا پیش بینی های اقتصادی و كنترل تطبیقی نیازمند تخمین و مدلسازی دنباله های زمانی نویزی می باشند . از این جمله می توان به بهبود گفتارهای صوتی ، پیش بینی اقتصادی ، مدلسازی ژئو فیزیكی و بسیاری كاربردهای دیگر اشاره كرد. یک دنباله زمانی نویزی می تواند با یک مدل احتمالی كه هر دوی اجزای تقریبی و دقیق دینامیک ها را تخمین می زند ، توصیف شود . چنین مدلی می تواند به همراه فیلتر كالمن (یا فیلتر كالمن توسعه یافته) جهت تخمین و پیش بینی سری زمانی از مشاهدات نویزی بكار گیری شود.
فیلتر كالمن یک فیلتر بهینه خطی است كه بر روی فضای حالت سیتمهای خطی استاتیكی و دینامیكی اثر گذاشته و یک تخمین بهینه از حالتهای سیستم با بهره گرفتن از معادلات بر گشت پذیر و دینامیكی خود در شرایطی كه دسترسی به آنها میسر نباشد ارائه می دهد. همچنین این فیلتر می تواند تاثیر كلیه اطلاعات گذشته و ابتدایی سیستم را نیز در تخمین هر لحظه خود لحاظ نماید.

بنابراین با توضیحات ارائه شده در بالا می توان فهمید كه جهت بازیابی یک سیكنال صوتی به یک تخمین خوب نیاز است اما موضوع مهم این است كه فیلتر كالمن خطی قادر به ارائه تخمین از مدلهای سیستمهای غیر خطی نمی باشد حال آنكه اكثر سیستمهای واقعی كه سیستمهای صوتی نیز از این جمله می باشند ماهیت غیر خطی دارند. لذا در این پایان نامه بر آن شدیم تا با مطالعه بر روی فیلتر كالمن توسعه یافته و به كمك شبكه های عصبی بتوانیم موضوع مدلسازی و تخمین سیگنال صوتی را با فرض غیر خطی بودن آن بررسی نماییم.

1- ی بر پژوهش های پیشین
1-1- فیلتر وینر:
روبرت وینر به همراه نویلسون از دانشگاه MIT امریكا در خلال سالهای ۱۹۴۰ تا ۱۹۴۹ تحقیق گسترده ای را جهت یافتن یک فیلتر بهینه به منظور تخمین حالتهای سیستمهای خطی انجام دادند كه نهایتا در سال ۱۹۴۹ منجر به معرفی فیلتر وینر گردید. این فیلتر یک تخمین خطی با حداقل كردن میانگین مربعات خطا (LMMSE) برای سیگنال مشاهده شده ارائه می دهد. اما این فیلتر دارای چند مشكل بود. اول آنكه ما نیازمند تخمینهای علی هستیم و در نتیجه برای تخمین علی بایستی از فیلتر وینر علی استفاده شود در حالیكه فیلتر وینر فقط N مشاهده جدید را جهت تخمین بكارگیری می كرد و در نتیجه ممكن بود اطلاعاتی از سیگنال در مشاهدات گذشته وجود داشته باشد كه در این صورت از بین می رفت. دوم آنكه این فیلتر فقط برای نویزهای ثابت با میانگین صفر طراحی شده بود در حالیكه در دنیای واقعیت انواع نویزهای غیر ثابت وجود دارد. سوم آنكه فیلتر وینر جهت ارائه تخمین سیگنال نیاز به چگالی طیفی و تابع خود همبستگی سیگنال دارد كه در همه مواقع در دسترس نمی باشد. وچهارم آنكه تخمینهای LMMSE و ML و MAP كه جهت محاسبات این فیلتر بكار می روند در هر زمان نیاز به مشاهدات جدید بودند كه مستلزم حافظه بالا بود. همه این عوامل محققان را در طی سالهای ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ به فكر انداخت تا در پی معرفی فیلتری جدید با قابلیت ارائه تخمین خطی بهینه از طریق مینیمم كردن میانگین خطا و عاری از مشكلات فیلتر وینر باشند.

:
با توجه به اهمیت سیستم های کنترل و قرائت از راه دور، امروزه از روش های مختلفی برای این منظور استفاده می شود. علاوه بر روش کنترل و قرائت از طریق اینترنت، روش های دیگری نیز برای این منظور وجود دارد که در فصل دوم به آنها اشاره شده است. دستگاه THC برای پیاده سازی سیستم کنترل از طریق تلفن، طراحی و ساخته شده است که طریقه عملکرد، نقشه داخلی و نقشه سیستم کنترل در قسمت ضمیمه I آورده شده است. همچنین در این فصل ی گذرا به سیستم های الکترونیکی که دارای واسط Modbus جاسازی شده می باشند و همچنین در مورد واسط DDE که یک واسط نرم افزاری برای پیاده سازی سیستم کنترل و قرائت می باشد انداخته شده است.

برای پیاده سازی واقعی سیستم، نیاز به یک PLC که دارای قابلیت پشتیبانی واسط نرم افزاری مانند DDE است، می باشد که FATEK دارای 

این قابلیت می باشد. امکانات این PLC در فصل سوم به طور کلی آورده شده است و در ارتباط با ویژگی های شبکه ای این سیستم و بخصوص ماژول اترنت که نقش اصلی در طراحی سیستم نهائی این پروژه را ایفا می کند، به طور نسبتاً مفصل مطالبی آورده شده است.

همچنین برای پیاده سازی نهائی سیستم، نیاز به معرفی یک فرایند می باشد. فرایندی که محیط نرم افزاری برای آن طراحی شده است فرایند ساختمان به طور عام و فرایند سرمایش، گرمایش و تهویه مطبوع به طور خاص می باشد. برای طراحی سیستم کنترل، نیاز به شناخت کامل از فرایند می باشد. صنعت تهویه مطبوع دارای ابعاد و کاربردهای بسیار وسیعی می باشد که در فصل چهارم به طور مختصر به آن پرداخته شده است.
فصل پنجم در ارتباط با طراحی سیستم سخت افزاری کنترل می باشد. در این فصل تعداد ورودی و خروجی مورد نیاز هر PLC برای پیاده سازی سیستم های تهویه مطبوع و اتوماسیون ساختمان با کاربردهای مختلف و همچنین نرم افزار دیاگرام نردانی PLC برای سیستمی که در این پروژه در نهایت اجرا گردیده است، آورده شده است.
فصل ششم به چگونگی طراحی محیط نرم افزاری HMI بر مبنای وب پرداخته شده است. در محیط طراحی شده از نرم افزارهای SQL Server و Visual Studio 2005 و ASP.net و Flash و #C استفاده گردیده است. در این فصل کلیه صفحات طراحی شده آورده شده است.
در فصل هفتم جمع بندی مطالب به همراه پیشنهادات توسعه طرح، آورده شده است.