بخشی از مقاله
چکیده
امروزه، استفاده گسترده از هوش مصنوعی در علوم مهندسی موجب شده تا الگوریتمهای هوشمند، نظیر ABC-BA، ABC, BA, ACO_R, PSO, FA, GA برای بهینهسازی سیستمهای مدرن مورد استفاده قرار گیرند. این الگوریتمها موجب افزایش دقت و کاهش زمان محاسبه پارامترهای طراحی شده و این خود افزایش کارایی و کاهش هزینه را بهدنبال خواهد داشت. بهینهسازی پارامترهای طراحی و ساخت ژنراتورهای توربینهای آبی در این مقاله، با استفاده از سه تابع هدف قیمت، حجم و راندمان ژنراتور، صورت گرفته است. مقایسه زمان اجرای برنامه، مینیمم تابع برازندگی، میانگین و انحراف معیار جواب بهینه نشان میدهد که با وجودی که هر هفت الگوریتم در نهایت توانستهاند به جواب بهینه نزدیک شوند ولی الگوریتم ترکیبی ABC-BA کاراتر از سایرین میباشد. نتایج حاکی از آن است که الگوریتمهای خانواده زنبور عسل در اجرایهای مستقل برخلاف ACO_R, PSO, FA, GA، پاسخهای یکسانی داشته و میتوانند موجب کاهش زمان اجرا و اطمینان در رسیدن بهجواب بهینه گردند.
کلمات کلیدی: الگوریتمهای هوشمند، بهینهسازی، ژنراتور و مغناطیس دائم.
-1 مقدمه
هوش مصنوعی یک علم بسیار عمیق و پیچیده در قرن اخیر است که در حالت کلی به مطالعه بر روی اطلاعات، چگونگی جمعآوری و نگهداری از آنها، بکارگیری اطلاعات و جابجایی و انتقال آنها به ماشین و یا انسان میپردازد. امروزه از هوش مصنوعی در علوم مهندسی همچون کامپیوتر، برق، صنایع نظامی و کشاورزی، صنایع مادر تخصصی و سایر علوم حتی روانشناسی و فلسفه نیز بهطور گسترده استفاده میشود .[1] از کاربردهای هوش مصنوعی میتوان به طراحی نرم افزارها، بازیها، رباتها و لباسهای هوشمند اشاره نمود. هوش جمعی، نوعی روش هوش مصنوعی مبتنی بر رفتارهای جمعی است که در آن، عاملها به طور محلی با هم همکاری مینمایند و رفتار جمعی تمام عاملها باعث یک همگرایی در نقطهای نزدیک به جواب بهینه عمومی میگردد .[2]
استفاده از الگوریتمهای تکاملی در کارهای گذشتگان نشان دهنده اهمیت غیرقابل انکار الگوریتمهای هوش جمعی در زندگی بشر امروزی است.الگوریتم ژنتیک چند جزیرهای، برای طراحی و بهینهسازی سیستم جداسازی ماهوارهای بر اساس جرم سیستم و سرعت زاویه ای جداسازی در تحقیقات فضایی بکار گرفته شده است .[3] همچنین در سیستم پشتیبانی تصمیمگیری برای حلمشکل مسیریابی راهدور از الگوریتم مورچگان برای بهینه سازی حمل و نقل راه دور از طریق جاده، استفاده شده است .[4] الگوریتم رقابت استعماری تطبیقی و بهبود یافته نیز برای حل مشکل تجدید پیکربندی سیستمهای توزیع، با هدف کاهش تلفات، و بهبود پروفیل ولتاژ کاربرد دارد .[5]
الگوریتم رقابت استعماری برای بهینه سازی شبکههای عصبی مصنوعی، در برنامهریزی مسیریابی جهانی بکار گرفته شده است .[6] الگوریتم کلونی زنبور عسل مصنوعی جهت طراحی هوشمند کنترل کننده سرعت 3, / 3,، برای تغذیه درایو موتور DC هلیکوپتر، استفاده شده است.[7] در مطالعه شبیهسازی جایگذاری بهینه و سایز سوئیچینگ باتری واحدهای ایستگاه، الگوریتم زنبور عسل کلنی مصنوعی بکار گرفته شده است .[8] در طراحی بهینه PMSM بر اساس مدیریت ژنهای الگوریتم ژنتیک مشاهده میشود که با انجام بهینهسازی، هزینه مواد به کار رفته در موتور کاهش یافته است .[9]
همچنین در طراحی بهینه یک ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم شار محوری که با استفاده از الگوریتم ژنتیک صورت گرفته است، حجم مواد مصرفی فعال در ژنراتور مینیمم شده و در نهایت موجب کاهش هزینه شده است .[10] در طراحی بهینه ژنراتور مغناطیس دائم شار محوری سرعت بالا - HSAFG - از الگوریتم بهینهسازی ژنتیک و انبوه ذرات - PSO - برای بهینهسازی بازده ماشین استفاده شده است .[11] همچنین از الگوریتم ژنتیک برای طراحی بهینه موتور بدون جاروبک بدون شیار برای حداقل کردن حجم و قیمت استفاده شده است .[12]ماشینهای الکتریکی جزء قدیمیترین و اساسیترین تجهیزات صنعت برق میباشند. این ماشینها از نظر نوع تبدیل انرژی به دو دسته ژنراتورها و موتورهای الکتریکی تقسیم میشوند.
با توجه به هزینههای بالای تولید انرژی در جهان و نگرانیهای زیستمحیطی در سالیان اخیر، صرفهجویی و کاهش تلفات تجهیزات در این ماشینها به منظور افزایش بازده، بسیار مورد توجه قرار گرفته است .[13] از بین انواع مختلف موتوهای الکتریکی، ژنراتورها دارای کاربردهای صنعتی بسیاری مانند ماشینهای CNC، رباتیک، سیستمهای تولید اتوماتیک صنعتی و توربینهای آبی میباشند. ژنراتورهای توربینهای آبی که برای سرعتهای پایین طراحی میشوند، از یک گیربکس بهعنوان مبدل سرعت بین توربین آبی و ژنراتور استفاده میکنند. ولی در سیستم بدون گیربکس توربین و ژنراتور با سرعت یکسان میچرخند و از فواید آن میتوان راندمان و قابلیت اطمینان بالا و هزینه نگهداری پایین، کاهش حجم و وزن کلی سیستم، کاهش هزینه تولید انرژی الکتریکی، سیستم توربین سادهتر، کاهش اغتشاش به دلیل چرخش با سرعت بالا، را نام برد.
از آنجا که یافتن اندازههای دقیق پارامترهایی نظیر کاهش حجم و راندمان بالا در طراحی و ساخت یک ژنراتور توربین آبی، در بهبود کارایی آن نقش اساسی دارد، میتوان از روشهای بهینهسازی برای دستیافتن به بهترین اندازه هر پارامتر استفاده نمود. الگوریتمهای ABC-BA, ABC, BA, ACO R, PSO, FA, GA نمونه هایی از الگوریتمهای تکاملی هستند که جایگاه ویژهای در حل مسایل مهندسی نوین دارند. این الگوریتمها به علت سرعت اجرای بالا و همگرایی سریع به نقاط جواب، تاکنون مورد استفاده فراوانی داشتهاند. در این مقاله نشان داده خواهد شد که در بهینهسازی پارامترهای طراحی و ساخت ژنراتورهای توربینهای آبی، همگرایی به جواب بهینه در الگوریتم ترکیبی ABC-BA بسیار سریعتر از الگوریتمهای ABC, BA, ACOR, PSO, FA, GA است.در این مقاله ابتدا توابع هدف، پارامترها و روابط مورد نیاز برای بهینهسازی طراحی و ساخت ژنراتورهای توربینهای آبی، ارائه شده و پیادهسازی آنها با هر 7 الگوریتم مورد بررسی قرار میگیرد.
-2 روابط طراحی ژنراتور توربین آبی
تعیین ابعاد قسمتهای مختلف ماشین براساس مدار معادل مغناطیسی ماشین صورت میگیرد. رابطه تحلیلی بین متغیرهای الکترومغناطیسی و ابعاد هندسی ماشین، توان ظاهری فاصله هوایی با توجه به ولتاژ و جریان القایی سیمپیچ از رابطه - 1 - محاسبه میشود :[14-15]
که Eph و Iph به ترتیب ولتاژ القایی در حالت بیباری و جریان موثر هرفاز سیمپیچی استاتور میباشند و m تعداد فازهای ژنراتور است. توان ظاهری فاصله هوایی را نیز می توان برحسب تابعی از ابعاد ماشین به صورت رابطه - 2 - نوشت :[15-16]
Kw1 ضریب سیم بندی، D و L به ترتیب قطر داخلی و طول آرمیچر، ns سرعت سنکرون و Am حداکثر بارگذاری الکتریکی ویژه بر حسب A/m میباشد. Bmg1 هم مولفه اصلی چگالی شار فاصله هوایی می باشد.[15] با توجه به رابطه - 3 - ماکزیمم بارگذاری الکتریکی ویژه - Am - بدست میآید.که در این رابطه Nph تعداد دور سیمپیچی هر فاز می باشد. ماکزیمم بارگذاری الکتریکی ویژه برای ماشینهای آهنربا دائم با توان کم و متوسط بین 10000 تا 55000 آمپر بر متر گزارش شده است. قطر داخلی و طول آرمیچر از طریق رابطه - 4 - قابل محاسبه میباشند :[15]
که ϵ نسبت ولتاژ القایی به ولتاژ ترمینال است که در ژنراتورها بزرگتر از یک میباشد. این پارامتر برای ژنراتورهای سنکرون آهنربا دائم بین 0/6 تا 0/95 میباشد. Pout توان خروجی ژنراتور است.
-1-2 تعیین ابعاد استاتور
روابط هندسی ماشین مانند عرض دندانه استاتور، ضخامت یوغ استاتور و رتور تابعی از معادلات مغناطیسی ماشین میباشند .[14] در ماشینهای الکتریکی مسیر برگشت شار بین قطبها از طریق دندانه و یوغها می باشد لذا در این مسیرها نباید اشباع مغناطیسی صورت پذیرد به همین دلیل تعیین این ابعاد باید با دقت خاصی صورت گیرد .[14-15] ضخامت یوغ استاتور و رتور به صورت تابعی از چگالی شار فاصله هوایی به صورت رابطه - 5 - میباشد:
در این رابطه Bbi چگالی شار اشباع یوغ استاتور و یا رتور، bp قوس قطب و Lu طول موثر هسته استاتور میباشد. طول موثر هسته استاتور طبق رابطه - 6 - حساب میشود:
در این رابطه kst ضریب انباشت ورقه استاتور میباشد. این ضریب به دلیل عایق بین ورقهها تعریف شده است که بین 0/9 تا 0/97 تعریف شده است. nd تعداد داکت و wd عرض هر داکت میباشد. در واقع داکتها به منظور تهویه و خنک سازی هسته استاتور ایجاد میشوند. عرض دندانه استاتور نیز به صورت رابطه - 7 - حساب میشود :[14-15]
در این رابطه ys گام شیار و Bt چگالی شار اشباع دندانه استاتور میباشد. مساحت شیار نیز با استفاده از رابطه - 8 - محاسبه میشود ht - ارتفاع شیار استاتور، Q تعداد شیار و De قطر خارجی ماشین میباشد - .
