بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاربرد GA درتنظيم آنتن هاي هوشمند تطبيقي جهت افزايش راندمان سيستم هاي راديويي
چکيده :
تکنولوژي آنتن هوشمند مي تواند به نحو موثري عملکرد سيستم بي سيم را بهبود بخشد و از نظر اقتصادي نيز بسيار به صرفه است . اين تکنولوژي کاربران کامپيوترها، سيستم هاي سلولي و شبکه هاي حلقه محلي بي سيم را قادر مي سازد که کيفيت سيگنال ، ظرفيت سيستم و پوشش را بسيار بالا ببرند. کاربران معمولاً در زمان هاي مختلف ، به درصدهاي مختلفي از کيفيت ، ظرفيت و پوشش نياز دارند. در اصل سيستم هايي که از نظر ساختار به راحتي قابل تغيير باشند، در دراز مدت بهترين و به صرفه ترين راه حل ها محسوب مي شوند . قابليت انعطاف آنتن هوشمند تطبيقي اجازه خلق محصولات و خدمات با سطح بسيار بالايي را مي دهد.نخستين آنتن ها ساخته شده علائم را در همه ي جهات پخش مي کردند و موجب به هدر رفتن قدرت محدود ماهواره مي شدند. امروزه ، آن ها بسيار ظريف تر و پيچيده تر شده اند و پرتو هاي باريک بسيار قدرتمندي را به ناحيه اي خاص از زمين ارسال مي کنند.جهت دريافت اين پرتوهاي بسيار باريک بايد جهت آنتن بطور بسيار دقيقي تنظيم گردد، که در اين مقاله اين جهت يابي دقيق توسط کنترلر صنعتي PID بررسي مي شود.PID کنترلربکار رفته دراين مقاله توسط روش هاي کلاسيک طراحي و موردآناليزقرار مي گيرد.اين کارتوسط الگوريتم ژنتيک (GA ) نيزانجام گرفته ، سپس نتايج بدست آمده با يکديگر مقايسه و ارائه مي گردد.
واژه هاي کليدي: پاسخ پله ، آنتن هاي هوشمند تطبيقي ، الگوريتم ژنتيک ، pid
١- مقدمه
از جمله اهداف و مزاياي يک سيستم آنتن هوشمند مي توان به دو مورد ، افزايش کيفيت سيگنال سيستم هاي راديويي و افزايش ظرفيت از طريق افزايش استفاده مجدد از فرکانس اشاره کرد. گين سيگنال ، ورودي چند آنتن با هم ترکيب مي شود تا توان موجود براي برقراري سطح پوشش مورد نظر بهينه شود . متمرکز کردن انرژي فرستاده شده به سمت سلول ، محدوده سرويس دهي و پوشش ايستگاه پايه را افزايش مي دهد. مصرف توان کمتر عمر باتري را بيشتر کرده و تلفن همراه را کوچک تر و سبک تر مي کنند .مقاومت در برابر تداخل و نسبت سيگنال به تداخل را افزايش مي دهند. هزينه کمتر براي تقويت کننده ، مصرف توان و قابليت اطمينان بيشتري را ايجاد خواهد کرد.
تکنولوژي آنتن هوشمند مي تواند به نحو موثري عملکرد سيستم بي سيم را بهبود بخشد و از نظر اقتصادي نيز بسيار به صرفه است . اين تکنولوژي کاربران کامپيوترها، سيستم هاي سلولي و شبکه هاي حلقه محلي بي سيم را قادر مي سازد که کيفيت سيگنال ، ظرفيت سيستم و پوشش را بسيار بالا ببرند. کاربران معمولاً در زمان هاي مختلف ، به درصدهاي مختلفي از کيفيت ، ظرفيت و پوشش نياز دارند. در اصل سيستم هايي که از نظر ساختار به راحتي قابل تغيير باشند، در دراز مدت بهترين و به صرفه ترين راه حل ها محسوب مي شوند .
سيستم هاي آنتن هوشمند با اندکي تغيير، در تمام استانداردها و پروتکل هاي بي سيم قابل اعمال هستند . قابليت انعطاف آنتن هوشمند تطبيقي اجازه خلق محصولات و خدمات بسيار سطح بالايي را مي دهد.
آنتن هاي تطبيقي هوشمند به هيچ نوع مدولاسيون يا پروتکل برقراري ارتباط هوايي محدود نيستند .اين سيستم ها با تمام روش هاي مدولاسيون فعلي سازگار هستند. احتمالاً طيف بسيار وسيعي از سيستم هاي ارتباطي بدون سيم از مزاياي پردازش مکاني برخوردار مي شوند، مثلاً سيستم هاي سلولي با قابليت تحرک بالا، سيستم هاي سلولي با قابليت تحرک کم ، کاربردهاي حلقه محلي بدون سيم ، مخابرات ماهوراه اي و Lan هاي بدون سيم و به ويژه اينترنت بي سيم براي کامپيوترهاي قابل حمل . باور بسياري براين است که پردازش مکاني، جاي تمام روش هاي موجود براي سيستم هاي بي سيم را خواهد گرفت .
از طرفي کنترل کننده هاي PID ابزاري استاندارد براي اتوماسيون صنعتي هستند. انعطاف پذيري ،سادگي ومقاوم بودن اين کنترل کنندها ، امکان استفاده ازاين نوع کنترلر رادربسياري ازحالات فراهم مي آورد.اين کنترلرها در کنترل Cascade وسايرصورتهاي کنترل قابل استفاده هستند.بسياري ازمسايل کنترل ساده را،در صورتي که ملزومات عملکردخيلي بالا نباشد،مي توان باکنترل PID بخوبي حل کرد. الگوريتم PID بصورت رگولاتورهاي استانداردبراي کنترل فرايند،مجتمع شده است وهمچنين پايه بسياري ازسيستمهاي کنترل سفارشي ساز(Tailor-Made) است .يکي ازمسائل خيلي مهم به منظورافزايش عملکردسيستم يا کاهش زمانهاي خيز ونشت ، انتگرال قدرمطلق خطا، که مطالعات زيادي به منظوربهبودآن انجام شده تنظيم ضرايب کنترلرPID با استفاده ازروشهاي مختلف است مانندآنچه درمنبع شماره [٢]، [٣]، [٤],[٦] انجام شده است .
درحالت کلي کنترلر PI نسبت به کنترلرPD داراي کاراي بيشتري است بدليل آنکه PD تاثير چنداني درحذف خطاي حالت ماندگار ندارد[٣].اما ازآنجاييکه کنترل کننده PI درسيستم هاي مرتبه بالا داراي عملکردحالت گذراي ضعيفي مي باشندجهت بدست آوردن پاسخ بهينه ازکنترل کننده هاي PID فازي استفاده مي شود. درطراحي،ساخت ، ونگهداري هرسيستم مهندسي ، مهندسان بايدتصميمات تکنولوژيکي ومديريتي بسياري رادرچند مرحله درنظرگيرند.هدف نهايي چنين تصميماتي، مي تواندکمينه کردن تلاش لازم يا بيشينه نمودن سودموردنظردرهروضعيت عملي رامي توان به صورت تابعي ازمتغيرهاي تصميم مشخص ، بيان کرد.بنابراين مي توان بهينه يابي رابه فراينديافتن شرايطي که مقداربيشينه ياکمينه يک تابع را بدست مي دهدتعريف نمود.به طورکلي مي توان بهينه يابي رابه معناي کمينه يابي درنظرگرفت ، زيرااگر نقطه اي منطبق برکمينه تابع باشداين تابع برمقداربيشينه تابع هم منطبق است .براي حل کارايي همه مسايل بهينه يابي روش يگانه اي وجودندارد.[٤]
٢- ايده اصلي الگوريتم
در دهه هفتاد ميلادي دانشمندي از دانشگاه ميشيگان به نام جان هلند ايده استفاده از الگوريتم ژنتيک را در بهينه سازيهاي مهندسي مطرح کرد. ايده اساسي اين الگوريتم انتقال خصوصيات موروثي توسط ژن هاست . فرض کنيد مجموعه خصوصيات انسان توسط کروموزوم هاي او به نسل بعدي منتقل ميشوند. هر ژن در اين کروموزوم ها نماينده يک خصوصيت است . بعنوان مثال ژن ١ ميتواند رنگ چشم باشد، ژن ٢ طول قد، ژن ٣ رنگ مو و الي آخر. حال اگر اين کروموزوم به تمامي، به نسل بعد انتقال يابد، تمامي خصوصيات نسل بعدي شبيه به خصوصيات نسل قبل خواهد بود. بديهيست که در عمل چنين اتفاقي رخ نميدهد. در واقع بصورت همزمان دو اتفاق براي کروموزوم ها م افتد. اتفاق اول جهش است ، جهش به اين صورت است که بعضي ژ ها بصورت کاملا تصادفي تغيير ميکنند. البته تعداد اين گونه ژن ها بسيار کم مي باشد اما در هر حال اين تغيير تصادفي همانگونه که پيشتر ديديم بسيار مهم است . مثلا ژن رنگ چشم ميتواند بصورت تصادفي باعث شود تا در نسل بعدي يک نفر داراي چشمان سبز باشد. در حالي که تمامي نسل قبل داراي چشم قهوه اي بود اند. علاوه بر جهش اتفاق ديگري که ميافتد و البته اين اتفاق به تعداد بسيار بيشتري نسبت به جهش رخ مي دهد چسبيدن ابتداي يک کروموزوم به انتهاي يک کروموزوم ديگر است . اين مساله با نام تقاطع شناخته ميشود. اين همان چيزيست که مثلا باعث ميشود تا فرزند تعدادي از خصوصيات پدر و تعدادي ازخصوصيات مادر را با هم به ارث ببردو از شبيه شدن تام فرزند به تنها يکي از والدين جلوگيري ميکند.[١] در بتدا تعداد مشخصي از ورودي ها،Xn,...,X2,X1 که متعلق به فضاي نمونه X هستند راانتخاب مي کنيم و آنها رادر يک عدد برداري نمايش مي دهيم ..در مهندسي نرم افزار اصطلاحاً به آنها ارگانيسم يا کروموزوم گفته مي شود.به گروه کروموزوم ها Colony يا جمعيت مي گوييم .
ابتدا تعداد مشخصي از ورودي ها،Xn,...,X2,X1 که متعلق به فضاي نمونه X هستند راانتخاب مي کنيم و آنها رادر يک عدد
برداي نمايش مي دهيم ..در مهندسي نرم افزار اصطلاحاً به آنها ارگانيسم يا کروموزوم گفته مي شود.به گروه کروموزوم ها Colony يا جمعيت مي گوييم . در هر دوره Colony رشد مي کند و بر اساس قوانين مشخصي که حاکي از تکامل زيستي است تکامل مي يابند.براي هرکروموزوم Xi ،ما يک ارزش تناسب (Fitness) داريم که آن را هم مي ناميم . عناصر قويتر يا کروموزوم هايي که ارزش تناسب آنها به بهينه Colony نزديکتر است شانس بيشتري براي زنده ماندن در طول دوره هاي ديگر و دوباره توليد شدن را دارند و ضعيفترها محکوم به نابودي اند. به عبارت ديگر الگوريتم ورودي هايي که به جواب بهينه نزديکترندرا نگه داشته واز بقيه صرف نظر مي کند.
يک گام مهم ديگر درالگوريتم ،تولد است که در هر دوره يکبار اتفاق مي افتد. محتويات دو کروموزومي که در فرآيند توليد شرکت مي کنند با هم ترکيب ميشوند تا ٢ کروموزوم جديد که ما آنها را فرزند مي ناميم ايجاد کنند.اين هيوريستيک به ما اجازه مي دهد تا ٢ تا از بهترين ها را براي ايجاد يکي بهتر از آنها با هم ترکيب کنيم (evolution). به علاوه در طول هر دوره ،يک سري از کروموزوم ها ممکن است جهش يابند[٣]
٣ - استفاده از کنترلر PID و تنظيم پارامترهاي آن
براي استفاده بهينه ازالگوريتم ژنتيک تنظيم متغيرهاي مانندتعدادجمعيت اوليه ونرخ تقاطع و.... ازمهمترين قسمتهاي حل بهينه مسئله مي باشددراين مقاله جهت بدست آوردن مقداربهينه اين پارامترهابااستفاده ازبرنامه نوشته شده درمحيط نرم افزارمطلب وتعريف دوتابع هزينه مختلف بهينه ترين جواب رابراي سه متغير اصلي Kp,Kd,Ki بدست آوريم .
با توجه به دلايل بيان شده تابع تبديل زير که تابع تبديل يک آنتن ماهواره اي مي باشد را به عنوان تابع تبديل موردي اين مقاله انتخاب کرده ايم و ابتدا پارامترهاي کنترلر مربوط به آنرا با روش زيگلر-نيکلز تنظيم نموده سپس آنها را با روش تغييردادن قطبها(زيگلر-نيکلز بهينه ) تنظيم نموده وبار ديگراين پارامترهارا با استفاده ازجدول ITAE تنظيم مينماييم . در ادامه با استفاده از دو تابع هزينه مختلف جهت تنظيم اين پارامترها سعي در پيدا نمودن بهينه ترين جواب مي نماييم . سپس نتايج بدست آمده ازاين روشها را با يکديگر مقايسه نموده ايم .کليه تنظيمات الگوريتم دربرنامه نوشته شده بيان گرديده روش کاربه اين صورت است که براي Kp,Kd,Ki بازه اي درنظرگرفته ميشودو اين برنامه کل اين مقادير را چک نموده و با جاي گذاري درتابع تبديل حلقه بسته با فيدبک واحد(شکل ١) الگوريتم آنهارادرتابع Fittnes جايگزين نموده وسعي در مينيمم کردن اورشوت ،زمان خيز,وزمان نشست مي نمايدتا بهينه ترين جواب را بدست آورددرحين اجراي الگوريتم جمعيت اوليه راتوسط برنامه نوشته شده بين ٢٠و ٥٠و
١٠٠و ١٥٠ تغييرمي دهيم وبهينه ترين جواب رابدست مي آوريم .
٣-١- روش زيگلر- نيکلز
براي پايداري سيستم باتابع تبديل روبرو(تابع تبديل آنتن ماهواره اي) داريم :
اگرپارامترهاي pid رابصورت زيردرنظربگيريم :
ابتدابااستفاده ازروش زيگلر- نيکلز(جدول الف ) براي پارامترهاي PID مقادير بدست مي آيند.
جدول الف : جدول زيگلر-نيکلز
تابع تبديل سيستم حلقه بسته شکل (١) بصورت زيربدست مي آيد.
پاسخ پله سيستم حلقه بسته بصورت زيراست
شکل (٢) : پاسخ سيستم با استفاده از روش زيگلر - نيکلز
که درآن ميباشند.
٣-٢- تنظيم بااستفاده ازجدول ITAE
اگرتابع pid را بااستفاده ازجدول ITAE بدست
