بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به نقش به سزای ماهواره ها در ارتباطات دریایی به ویژه در سامانه موقعیت یاب جهانی، مهم ترین مساله ای که درساخت و پرتاب یک ماهواره به فضا وجود دارد، هزینه بسیار زیاد این کار می باشد. به همین دلیل برای هر شرکت سازنده و فرستنده، مدت زمان حیات ماهواره بسیار مهم است. عمر یک ماهواره تا حدود زیادی به کیفیت ساخت آن بستگی دارد، اما مهمترین عاملی که این موضوع را محدود میکند، مقدار سوخت حمل شده می باشد. بنابراین باید راهکاری صحیح برای کنترل بر مصرف سوخت و صرفه جویی در آن در نظر گرفته شود. در این مقاله از یک مدلاتور پهنای پالس- پهنای فرکانس - PWPF - برای صرفهجویی در مصرف سوخت و کنترل کننده PID برای تامین شرایط کنترلی ماهواره فرضی - اولین ماهواره ی دانشجویی که در سال 2009 به فضا پرتاب شده است - استفاده میشود. برای استفاده از ویژگیهای کنترلکننده، باید ضرایب و پارامترهای آن به درستی و با دقت زیاد تنظیم شوند. هدف این مقاله استفاده از الگوریتم بهینهسازی گرگ خاکستری - GWO - برای تنظیم ضرایب کنترل کننده های مورد استفاده در این ماهواره می باشد. نتایج شبیه سازی های انجام شده مبین بهبود مناسب عملکرد کنترلکنندههای مذکور توسط الگوریتم GWO است.
-1 مقدمه
با پیشرفت روزافزون فن آوری فضایی و جایگاه ویژهی ماهوارهها با کاربردهای گوناگون بهخصوص در سامانه موقعیت یاب جهانی که نقش مهمی در ناوبری و مسیریابی شناورهای نیروی دریایی دارد، در اختیار داشتن ماهواره های اختصاصی بسیار حایز اهمیت می باشد 1]،.[2 به همین منظور تا کنون ماهواره های آزمایشی متعددی به فضا پرتاب شده و مورد بررسی قرار گرفتهاند .[3] مهمترین موضوعی که درساخت و پرتاب ماهواره به فضا وجود دارد، هزینه بسیار زیاد و مدت زمان حیات آن میباشد. مقدار سوختی که یک ماهواره برای استفاده در طول ماموریت نیاز دارد در عمر یک ماهواره نقش اساسی ایفا می کند .
اولین ماهواره دانشجویی - ESMO1 - است که در سال 2009 به فضا پرتاب شد .[6] روش های متعددی برای صرفهجویی در مصرف سوخت برای ماهوارهها پیشنهاد شده است. یکی از روشها استفاده از مدلاتور PWPF2 می باشد .[7] هر ماهواره از چند درجه آزادی در حرکت وضعی خود برخوردار است که کنترل زاویه پیچ این ماهواره به کمک کنترلکننده PID بررسی میگردد. یکی از مهمترین و پرکاربردترین کنترلکنندهها در صنعت، کنترلکننده PID یا به عبارت دیگر کنترلکننده تناسبی، انتگرالی و مشتقگیر است. برای اصلاح پارامترهای کنترلکننده PID، تلاش برای توسعه یک روش جدید همچنان ادامه دارد. 9]،.[8
در محاسبات تکاملی به صورت انتزاعی از مفاهیم اساسی تکامل طبیعی در راستای جستجو برای یافتن راه حل بهینه برای مسایل مختلف الهام گرفته شده است. در همین راستا در این مقاله به معرفی و استفاده از یکی از جدیدترین و قویترین الگوریتمهای تکاملی به نام الگوریتم بهینهسازی گرگ خکستری - GWO3 - ، پرداخته خواهد شد. الگوریتم GWO یک الگوریتم فراابتکاری است که از ساختار سلسله مراتبی و رفتار اجتماعی گرگ ها در هنگام شکار الهام میگیرد. این الگوریتم مبتنی بر جمعیت بوده و به سادگی قابلیت تعمیم به مسائلی با ابعاد بزرگ را دارد 11]،.[10 تابع هزینه در این مقاله بهصورت مجموع وزندار سیگنال خطا و سیگنال کنترلی بوده و در هر نسل این ضرایب به منظور کمینه نمودن تابع هزینه بهروز میشوند. سازمان دهی مقاله به شرح زیر است: در بخش دوم، ماهواره فرضی ESMO مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در بخش سوم، مدلاتور PWPF و چگونگی تاثیر آن بر صرفهجویی در مصرف سوخت آورده شده است. در بخش چهارم، الگوریتم GWO و چگونگی بهینه نمودن ضرایب دو کنترلکننده مورد مطالعه قرار میگیرد. شبیهسازی و تحلیل در بخش پنجم و نتیجهگیری نیز در بخش ششم ارائه میشوند.
-2 ماهواره فرضی ارتباطی ESMO برای شناورهای سطحی
با توجه به کاربرد بنیادین ماهواره ها در سامانه GPS و اهمیت این سامانه در دریانوردی امروزی، در این مقاله اولین ماهواره دانشجویی - ESMO - را به عنوان ماهواره فرضی در نظر می گیریم. شکل - 1 - بلوک دیاگرام مربوط به سیستم کنترلی این ماهواره را نشان می دهد. هر ماهواره از شش درجه آزادی در حرکت وضعی خود برخوردار است که زاویه پیچ یکی از آن ها می باشد. با توجه به شکل - 1 - برای کنترل زاویه پیچ4 سیستم ESMO از یک کنترل کننده PID و مدلاتور PWPF - که در بلوک تراستر5 قرار دارد - استفاده شده است. در حالت کلی رابطه - 1 - بیان کننده یک کنترل کننده PID می باشد که از سه بخش تناسبی، مشتق گیر و انتگرالی تشکیل شده است.
-3 مدلاتور PWPF
مدلاتور PWPF همانند شکل - 2 - ، از یک اشمیت تریگر1، یک فیلتر مرتبه اول و یک حلقه فیدبکی تشکیل می شود. این مدلاتور برتریهای قابل توجهی نسبت به دیگر مدلاتورها و سیستمهای کنترل بنگبنگ2 دارد که عبارتند از:
شکل - 2 - مدلاتور .PWPF
• گستره بالای پارامترها این آزادی عمل را میدهد تا در هر سیستمی، رفتاری مطلوب داشته باشد.
• خاصیت تنظیم پذیری پارامترها، این امکان را میدهد تا فازهای مختلفی از بهینهسازی را در یک سیستم خاص بتوان مد نظر قرار داد.
• دقت بالا و کنترل خوب بر روی تولید پالس سیگنال کنترلی که موجب صرفهجویی در مصرف سوخت میگردد.
