کنترل نظارتی قوانین فازی با یک الگوریتم بهینه سازی جهت کنترل فازی فعال سازه93

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد شاهرود
دانشکده فنی و مهندسی ، گروه عمران
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد دررشته عمران (M.Sc)
گرایش سازه
عنوان :
کنترل نظارتی قوانین فازی با یک الگوریتم بهینه سازی جهت کنترل فازی فعال سازه
استاد راهنما:
دکتر یونس باقری
نگارش :
علیرضا حاجی محمد علی
زمستان 93

Islamic Azad University
Unit anymore
Faculty of Engineering, Department of Civil Engineering
Thesis for the degree of MSc in Civil Engineering
Structural trends
Title:
Regulatory control optimization algorithm for fuzzy rules with an active phase control structures
Supervisor:
Y.Bagheri.P.hd
Writing:
A.R.Hajimohammadali
Winter2014
سپاسگزاری
پس از حمد وسپاس ایزد منان از استاد ارجمند آقای دکتر یونس باقری و تمامی کسانی که در طول انجام این پروژه حداکثر همکاری را مبذول داشته اند کمال تشکر را دارم.

تقدیم به

همسر عزیزم که در تمامی مراحل زندگی همراه و مشوق من بوده‌اند.

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 فازی و مدیریت اطلاعات……………………………………………………………………….صفحه21
2-14- تضمین امنیت 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 هیوریستیک………………………………………………………………………..صفحه32
2-24- پیاده سازی الگوریتم ژنتیک……………………………………………………………………………صفحه33
2-25- مکانیزم الگوریتم ژنتیک………………………………………………………………………………….صفحه35
2-26- عملگرهای الگوریتم ژنتیک……………………………………………………………………………..صفحه37
2-26-1- کدگذاری…………………………………………………………………………………………………صفحه37
2-26-2- ارزیابی…………………………………………………………………………………………………….صفحه38
2-26-3- ترکیب…………………………………………………………………………………………………….صفحه38
2-26-4- جهش………………………………………………………………………………………………………صفحه38
2-26-5- رمزگشایی……………………………………………………………………………………………….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 متغیرها……………………………………………………………صفحه44
2-30- تعداد بیت‌های متناظر با هر متغیر………………………………………………………………………صفحه45
2-31- جمعیت ………………………………………………………………………………………………………صفحه46
2-32- ایجادجمعیت اولیه…………………………………………………………………………………………صفحه46
2-33- اندازه جمعیت……………………………………………………………………………………………….صفحه47
2-34- محاسبه برازندگی (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- جابه‌جایی حقیقی…………………………………………………………………………………………..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 ترکیب………………………………………………………………………………………………صفحه60
2-54- تحلیل مکانیزم جابجایی………………………………………………………………………………….صفحه60
2-55- جهش………………………………………………………………………………………………………….صفحه61
2-56- جهش باینری……………………………………………………………………………………………….صفحه62
2-57- جهش حقیقی………………………………………………………………………………………………..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- مقایسه سیستمهای کنترل حلقه بسته و حلقه باز…………………………………………………….صفحه84
3-5- کنترل سنتی…………………………………………………………………………………………………….صفحه85
3-6- انواع روش های کنترل ……………………………………………………………………………………صفحه85
3-7- تبدیل لاپلاس…………………………………………………………………………………………………صفحه86
3-8- تابع تبدیل سیستم……………………………………………………………………………………………صفحه88
3-9- حساسیت سیستم های کنترل نسبت به تغییرات پارامترها……………………………………….صفحه90
3-9-1- اغتشاش و نویز در سیستم کنترل حلقه بسته …………………………………………………….صفحه90
3-10- خطای حالت دائمی……………………………………………………………………………………….صفحه91
3-11- معایب سیستم حلقه بسته…………………………………………………………………………………صفحه92
3-12- مشخصه های عملکرد سیستم کنترل………………………………………………………………….صفحه92
3-13- جبران سازی…………………………………………………………………………………………………صفحه94
3-14- مثال هایی از کنترل در سیستم های بیولوژیکی……………………………………………………صفحه95
3-15- جمع بندی فصل……………………………………………………………………………………………صفحه99
فصل چهارم
تجزیه و تحلیل داده ها
4-1- هدف فصل…………………………………………………………………………………………………..صفحه100
4-2- کنترل‌کننده غیرخطی LQR……………………………………………………………………………..صفحه100
4-3- پیاده سازی LQR………………………………………………………………………………………….صفحه101
4-4- نتایج شبیه‌سازی 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 الگوریتم به همراه شبه کد 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
شکل 3-1) سیستم مکانیک جرم- فنر- دمپر ………………………………………………………………صفحه 85
شکل 3-2) رفتار زمانی خروجی سیستم ……………………………………………………………………صفحه 88
شکل 3-3) سیستم حلقه باز و حلقه بسته ………………………………………………………………….صفحه 89
شکل 3-4) بررسی اثر اغتشاش ………………………………………………………………………………صفحه 91
شکل3-5) سیستم حلقه بسته نمونه ………………………………………………………………………….صفحه 93
شکل 3-6) پاسخ سیستم ………………………………………………………………………………………..صفحه 94
شکل3-7) جبران کننده متوالی ……………………………………………………………………………….صفحه 95
شکل 3-8) شماتیک کنترل فشار خون رگها در شرایط نرمال ………………………………………صفحه 96
شکل3-9) شماتیک کلی کنترل حرکات انسان …………………………………………………………..صفحه 97
شکل 3-10) روند کنترل در پمپ انسولین ……………………………………………………………….صفحه 98
شکل4-1) نتیجه شبیه سازی روش LQR…………………………………………………………………..صفحه 102
شکل4-2) مقایسه کنترل‌کننده‌های مختلف برای 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
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. 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 پدیده‌ای است طبیعی، که یکی از عوامل بروز حوادث پیش بینی نشده در سطح جوامع می‌باشد. قرارگیری کشور ایران در مناطق با خطر پذیری بالای زلزله در سطح جهان و وجود نقاط جمعیتی متراکم، ایران را به کشوری شدیدا آسیب پذیر در برابر زلزله تبدیل نموده است. افزایش بی‌رویه جمعیت، ساخت و سازهای شهری و گسترش آن تا حاشیه شهر‌ها، بدون برنامه‌ریزی مناسب و درنظر گرفتن تمهیدات و قوانین لازم، وخامت اوضاع را دو چندان کرده است. در واقع زلزله عبارت است از حرکت و ارتعاش شدید بخشی از پوسته زمین با تمام مواد و سازه‌های روی آن در اثر حرکت‌های چین‌خوردگی، آتشفشان و یا تنشهای موجود در پوسته زمین که با گشل تفاوت دارد.گسل عبارت است از سطح ناپیوسته‌ای که دو مجموعه سنگی را از هم جدا می‌کند. گسل نتیجه گسیختگی و حرکتی است که در آن، نخست دو مجموعه سنگی متصل به هم، از هم جدا شده و سپس باعث لغزش و دور شدن دو بخش از هم می شود، که همین عامل باعث بروز زلزله در مناطق مختلف از جمله شهر‌ها می‌گردد. برای کنترل سازه باید شدت زلزله را توسط یک سنسور بسنجیم.
شدت زلزلهشدت یک زلزله در یک مکان خاص برمبنای اثرهای قابل مشاهده زمین‌لرزه درآن مکان تعیین می‌شود. شدت زلزله به مقیاس مرکالی مشهور است، در این مقیاس، شدت زلزله به صورت تابعی از احساس و دریافت انسان و موجودات زنده از زلزله و نیز تاثیر زلزله بر ساختمانها بیان می‌شود. این مقیاس به طور گسترده‌ای پذیرفته شده و مورد استفاده قرار می گیرد.
بررسی اثرات زلزله در سطح شهرزلزله 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.
وضعیت بحرانهای طبیعی در دنیادر جدول 1-1 آمار زلزله های بزرگ در جهان و تعداد کشته های این حوادث آمده است [15].
جدول 1-1) آمار زلزله های بزرگ در جهان
ردیف تاریخ شدت / ریشتر محل کشته / نفر
1 مرداد 1247 9 آمریکا در شیلی 25 هزار
2 خرداد 1339 9.5 جنوب شیلی 716 هزار
3 فروردین ۱۳۴۳ 9.2  آلاسکا 128 هزار
4 دی‌ 1383 9 سوماترا‌در اندونزی 226 هزار
5 اسفند 1389 8.9  شمال شرق ژاپن 21 هزار
امواج زلزله در هنگام وقوع زلزله لرزه نگار امواجی به شرح زیر در روی نوار کاغذی خود ثبت می کند.
امواج P ( امواج اولیه ): این امواج نخستین امواجی هستند که در دستگاه لرزه نگار ثبت می شوند. برای تجسم چگونگی پدید آمدن این امواج می توان از برخورد یک لکوموتیو با تعدادی واگن کمک گرفت با فرض این که لکوموتیو نقطه شروع زلزله و واگن ها لایه های زمین در نظر گرفته شوند .
امواج S ( امواج ثانویه ): این امواج بعد از امواج P به لرزه نگار می رسند و دامنه نوسان آنها از امواج P بیشتر است. این امواج به علت این که از نوع امواج عرضی هستند فقط از جامدات عبور می کنند. امواجی که از تکاندن ملحفه‌ای که یک سر آن را در دست داریم ایجاد می شود می توانند نموداری از این امواج را مجسم کند.
امواج L ( امواج سطحی ) : این امواج از امواج S و P پیچیده تر هستند و شبیه به امواج آب می باشند. این امواج به جای آن که از درون اشیاء عبور کنند از سطح آنها می گذرند و خرابیهای زلزله هم بیشتر مربوط به همین امواج است.
اقسام زلزلهمعمولاً زلزله به یکی از چهار صورت عمودی، افقی، موجی و دورانی حادث می شود که به شرح هر کدام می پردازیم:
زلزله عمودی : در زلزله های عمودی اشیاء روی زمین به هوا پرتاب می شود و همچنین آب استخرها و حوض ها به هوا پرتاب می‌شود . در زمین های شنی و ماسه ای، شن و ماسه به هوا رها شده و از نقطه ای به نقطه دیگر منتقل می شوند.
زلزله های افقی: در زلزله های افقی برجها و عمارات و دیوارها در جهت معینی فرو می ریزند و خطوط آهن به یک سو خم می‌گردد .
زلزله های موجی: در زلزله های موجی سطح زمین نظیر دریای متلاطم چون موج به حرکت در می آید و خطوط آهن نیز ناهمواری پیدا می کند.
زلزله های دورانی: در زلزله های دورانی اشیاء و وسایل به دور خود به گردش در می آیند . این نوع زلزله‌ها به ندرت اتفاق می‌افتند.
مقیاس ریشتر
از مقیاس ریشتر برای بیان بزرگی زمین لرزه ، یعنی مقدار انرژی آزاد شده توسط آن زمین لرزه استفاده می شود. اطلاعات مورد نیاز برای محاسبه‌ی بزرگی زمین لرزه را از لرزه نگار به دست می آورند . مقیاس ریشتر، لگاریتمی است. یعنی افزایش یک واحد در مقیاس ریشتر نشان دهنده ی افزایش ده واحدی در دامنه موج است. به عبارت دیگر دامنه ی موج در زلزله 6 ریشتری ، 10 برابر دامنه ی موج زلزله‌ی 5 ریشتری است.
مقیاس شدت یا مرکالی
شدت یک زمین لرزه در مکانی خاص، بر مبنای اثرات قابل مشاهده ی آن زمین لرزه در آن مکان تعیین می شود. دقت در تعیین شدت زلزله، به دقت مشاهده کننده وابسته است. این مقیاس یک مقیاس نسبی است و بر مبنای خسارات وارده پی ریزی شده است. ابداع کننده این مقیاس نیز شخصی به نام مرکالی بوده است. در این مقیاس، 12 درجه متفاوت برای شدت زلزله در نظر گرفته شده که هر کدام از آن‌ها با میزان ویرانگری و آسیب رسانی زلزله مربوط است. جدول 1-2 اندازه و شدت زلزله در دو مقیاس ریشتر و مرکالی را نشان می‌دهد[15].
جدول 1-2) مقایسه ی اندازه و شدت زلزله در دو مقیاس ریشتر و مرکالی
مقیاس مرکالی شدت شرح تأثیر مطابقت با ریشتر تخمین انرژی آزاد شده
1 ثبت با وسایل حساس فقط به وسیله ی لرزه نگارها ثبت می شود . 2/4 > یک پوند تی ان تی
2 احساس می‌شود بعضی از مردم آن را حس می کنند. 2/4> 3 خفیف افراد در حال استراحت آن را حس می کنند. شبیه لرزش ناشی از حرکت کامیون است. 2/4> 4 ملایم به وسیله افرادی که در حال قدم زدن هستند احساس می شود و اشیای غیر ثابت به هم می خورند. 2/4> 5 نسبتاً قوی افراد از خواب بیدار می شوند. زنگ های کلیسا به صدا در می‌آیند . 8/4> یک بمب کوچک اتمی
6 قوی درختان حرکت موجی پیدا می کنند. اشیای آویزان می چرخند 4/5> 7 خیلی قوی دیوارها شکاف بر می دارد، گچ دیوارها می ریزد. 1/6> 8 ویران کننده ماشین های در حال حرکت غیر قابل کنترل می شوند. دودکش ها می افتند. ساختمان های ضعیف ویران می شوند. 1/6< 9 خانمان برانداز بعضی از خانه ها فرو می ریزند. زمین می شکافد. لوله ها می‌ترکند. 9/6> ادامه جدول1-2 10 فجیع زمین شکاف های فراوان پیدا می کند. تعدادی از ساختمان‌ها ویران می شوند. لغزش گسترش پیدا می کند. 3/7> 11 بسیار فجیع بیش تر ساختمان ها و پل ها فرو می ریزند، جاده ها و خط آهن ها، لوله ها و کابل ها ویران می شوند. بلایای ثانویه بروز می کنند. 1/8> 6000 بمب یک مگاتنی
12 بنیان کن ویرانی کامل، درختان از زمین بیرون می آیند، زمین مانند موج به حرکت در می آید. 1/8< همچنین جدول 1-3 مهم ترین زلزله های نیم قرن اخیر در ایران را نشان می دهد[15].
جدول 1-3) مهم ترین زلزله های نیم قرن اخیر در ایران
زمان وقوع زلزله ( هجری شمسی ) مطابقت با مقیاس ریشتر محل وقوع زلزله
1341 ، 10 شهریور ساعت 22 و 50 دقیقه 3/7 ( بوئین زهرا ) قزوین
1347 ، 9 شهریور ساعت 14 و 20 دقیقه 3/7 ( دشت بیاض ) خراسان
1351 ، 31 فروردین 9/6 ( قیرو کارزین ) فارس
1357 ، 25 شهریور ساعت 19 و 36 دقیقه 4/7 طبس خراسان
1360 ، 21 خرداد ساعت 2 و 54 دقیقه بامداد 3/7 ( گلباف ) کرمان
1369 ، 31 خرداد ساعت 30 دقیقه و 38 ثانیه 3/7 ( رودبار ) گیلان
ادامه جدول 1-3
1375 ، 10 اسفند ساعت 16 و 28 دقیقه 5/5 اردبیل
1376 ، 20 اردیبهشت ساعت 12 و 27 دقیقه 1/7 ( اردکولِ قاین ) خراسان
1382 ، 5 دی ماه ساعت 5 و 26 دقیقه و 52 ثانیه 5/6 ( بم ) کرمان
1389 ، 6 شهریور ساعت 18 و 20 دقیقه 8/5 ( زاوه ) تربت حیدریه خراسان
1391 ، 21 مرداد ساعت 16 و 53 دقیقه و 15 ثانیه 2/6 (اهر ، هریس و ورزقان ) آذربایجان شرقی
سنسور تشخیص زلزلهسنسور تشخیص زلزله یک آونگ فیزیکی است که از یک جرم (ممکن است برای ثبت زمین‌لرزه‌های نزدیک، 500 گرم باشد و برای ثبت زمین‌لرزه‌های دور حتی سه چهار کیلوگرم باشد) که به محوری وصل شده و با اصطکاک بسیار بسیار کم می تواند نوسان کند، تشکیل شده است. کوچکترین تکان، این جرم متحرک و متصل به محور را مدتها به نوسان درآورد. برای کنترل نوسان این آونگ یک دستگاه میراگر به آن اضافه شده است(شکل 1-1).
شکل 1-1) ساختمان سنسور تشخیص زلزله
اگر جرم این آونگ را به صورت یک سیم پیچ بسازیم و محور آن را بین آهنربایی قوی قرار دهیم، وقتی آونگ نوسان می کند، با قطع میدان مغناطیسی آهنربا جریان برق بسیار ضعیفی در سیم پیچ القا می شود. این جریان برق توسط دستگاه تقویت کننده بزرگ می شود و سپس وارد یک دستگاه حساس به نام گالوانومتر می شود و خروجی آن به پردازنده خواهد رفت برای ثبت دقیق تر ارتعاش زمین می‌توان از سه لرزه سنج که به ارتعاشات زمین در امتدادهای بالا به پایین، شمال به جنوب و شرق به غرب حساس هستند بهره جست. چون معلوم است سنسور چند هزار مرتبه حرکت را تقویت نموده، از روی نگاشت معلوم می شود که زمین چقدر جابجا شده است. به طور مثال اگر روی نگاشت قائم (بالا به پایین) بزرگترین دامنه 23میلیمتر یا 23000 میکرون باشد و تقویت سنسور هم صدهزار باشد، آنوقت دامنه واقعی جابجایی زمین در امتداد قائم برابر 23/0 میکرون می شود (شکل 1-2).
شکل 1-2) نمونه ای از یک لرزه نگاشت با بیشینه دامنه 23 میلیمتر
همانطور که گفتیم، این دامنه واقعی می تواند نماینده بزرگی باشد و اگر فاصله زمین‌لرزه تا سنسور هم اندازه گیری شود، می توان بزرگی زلزله را برآورد کرد. در موارد دقیق تر مثلاً دوره حرکت نوسانی ثبت شده و مشخصات سنسور نیز منظور می شود. زمین‌لرزه را برحسب شدت تکان و مشاهده اثر آن به دوازده درجه تقسیم کرده اند، اما بزرگی زلزله باید از روی نگاشت آن محاسبه کرد و آن هم یک محاسبه لگاریتمی در پایه ده می باشد. البته بزرگی زلزله یک درجه قراردادی است و انرژی واقعی یک زمین‌لرزه را نشان نمی دهد، اما می توان از طریق آن به طور نسبی زمین‌لرزه‌ها را با هم مقایسه کرد. چنانچه زمین‌لرزه رودبار یک بزرگی مثلا 8/6 می دهد اما زلزله گرمسار بزرگی 2/5 دارد. بین بزرگی و انرژی هم رابطه وجود دارد و می توان به طور تخمینی مقدار انرژی زمین‌لرزه را حساب کرد. برای تعیین محل زمین‌لرزه به این نکته توجه داریم که همان طور که گفته شد، تعداد گروههای موجهای زمین‌لرزه زیاد است. یک گروه بنام موج P با سرعت زیاد اول می رسد. گروه دوم موج S است که با سرعتی 7/1 برابر کمتر از موج P کمی دیرتر می رسد. هر چقدر فاصله زمین‌لرزه از محل وقوع تا ایستگاه ثبت کننده بیشتر باشد، اختلاف زمان رسیدن موج P و S زیادتر می شود و از این ویژگی می فهمیم که زمین‌لرزه در چه فاصله ای اتفاق افتاده است (شکل 1-3).
شکل 1-3) شمایی از یک نگاشت سه مولفه
موج اول P و بعد S موج به پایگاه زلزله نگاری می رسد اختلاف زمانی موجهای Pو S بیانگر فاصله زمین لرزه از ایستگاه است. به طور مثال اگر این اختلاف 25 ثانیه باشد، فاصله حدود دویست کیلومتر است. چون نگاشت در سه جهت تهیه می شود با یک ترسیم هندسی جهت زلزله را می شود تشخیص داد. سنسور می تواند با ثبت ارتعاشات زمین و بررسی آنها، زمان، محل و بزرگی زمین‌لرزه را مشخص کند. بدیهی است که هر چه تعداد این ایستگاهها بیشتر باشد، می توان اطلاعات بیشتری به دست آورد.
کنترل کننده PID 
یک روش کنترل سازه استفاده از کنترل PID می باشد. کنترل کننده PID یک ابزار متعارف است که کاربرد اصلی آن در صنعت می باشد و معمولا برای کنترل و تنظیم سرعت، دما  ، جریان ، فشار و … استفاده شود. کنترل کننده PID را می توان در نزدیکی سنسور و یا ابزار تنظیم کنترل قرار داد و به وسیله مانیتور، کنترل و بررسی را با استفاده از آن انجام داد. یکی دیگر از کاربرد های کنترل کننده PID را می توان کنترل تغییر پیوسته یک تنظیم گر دانست که امکان دارد این کار به کمک ابزار های تغیر پالس برای خروجی های الکتریکی یا بوسیله باز و بسته گر یک دریچه انجام شود. برای مثال کنترل کننده حرارت  PID صرفا از دما برای وارون عمل خروجی استفاده می نماید. بیشترین توان عملیات زمانی است که دمای موجود زیر دمای در نظر گرفته شده است و کمترین توان اعمالی زمانی است که دما بالای نقطه در نظر گرفته شده باشد. این نوع کنترل کننده معمولا برای تزریق و یا خارج نمودن دما، از خنک کننده اضافی استفاده می نماید و در اکثر مواقع به کنترل کننده های افزون کننده نیاز دارند. کنترل کننده PID سیگنال های مربوط به یک سنسور را از یک ترموکوپل دریافت می کند و به مقدار مشخصی مثل درجه سانتی گراد تبدیل می کند. پس از آن مقدارهای اندازه گیری شده را از دمای در نظر گرفته شده کم می کند تا میزان خطا را مشخص نماید. از خطا در یک بازه زمانی میانگین می گیرند و پس از آن در ثابت ضرب می شود و در مرحله بعد با جریان خروجی کنترلر جمع می شود و در نتیجه خطای مربوط به حالت ماندگار در سیستم را نمایش می دهد. کنترل PID از حاصل جمع سه کنترل کننده تناسبی، انتگرالی و مشتق گیر تشکیل شده است. به عنوان مثال ما می خواهیم دمای هیتر را روی 50 درجه سانتیگراد تثبیت کنیم پس مقدار مطلوب ما برابر 50 می باشد. اگر ما سیگنالی به هیتر اعمال کنیم و دمای هیتر 50 درجه شود یعنی اینکه سیگنال خطا برابر با صفر شده پس فقط کنترل کننده تناسبی وارد عمل می شود و پروسه را کنترل می کند و قسمت انتگرالی و مشتق گیری ما مقدار صفر را خواهند داشت. اگر دمای اندازه گیری شده بیشتر یا کمتر از مقدار 50 شود آنگاه کنترل کننده انتگرالی و مشتق گیر وارد عمل خواهند شد تا پروسه را به مقدار مطلوب برسانند. وقتی این دو کنترل کننده وارد عمل خواهند شد که ما سیگنال خطا داشته باشیم. آنگاه قسمت انتگرالی از سیگنال خطا انتگرال می گیرد و قسمت مشتق گیر هم از سیگنال خطا مشتق می گیرد که حاصل جمع این سه خروجی PID ما می باشد. روشن است که کنترل PID چه کاربرد مهمی در پروسه ها مخصوصا پروسه های غیر قابل پیش بینی دارد. PID با استفاده خطا های قبلی و خطا های حال، آینده را پیش بینی کرده و تدابیری برای کنترل هر چه بهتر سیستم ایجاد می کند.
روش کلی تحقیق
با روشن شدن اهمیت موضوع، نیاز به کنترل فعال سازه برای دستیابی به ضریب اطمینان قابل قبول در کشورمان به شدت احساس می‌شود.روشهای قدیمی کنترل فعال سازه با استفاده از معادلات دیفرانسیل حلقه بسته و روشهایی مانند PID یا LQR بود که به دلیل حجم محاسبات، پیاده سازی را مشکل می ساخت. در این تحقیق پیاده سازی کنترل فعال سازه با استفاده از هوش مصنوعی انجام گرفته است. مشکل اصلی سیستم فازی، انتخاب بهترین قوانین در آن است به گونه‌ای که اگر طراح، قوانین را خوب انتخاب کند سیستم، پاسخ بهتری خواهد داشت. برای حل مشکل وابستگی مجموعه فازی، به هوش خبره، ایده‌ی نظارت یک الگوریتم بهینه‌سازی در این تحقیق مطرح شده است. به عبارت دیگر ما روی یک کنترل نظارتی برای مجموعه‌های فازی کنترلر کار می‌کنیم که با استفاده از الگوریتم ژنتیک کار نظارت را انجام خواهد داد.

فصل دوم
مروری بر ادبیات تحقیق و پیشینه تحقیق
2-1- مروری بر ادبیات تحقیق
کنترل در سیستم‌های غیر‌فعال از پیش به شکل ثابت تعیین می‌شود که در مواجهه با شرایط جدید کارایی کمی دارد. بحث اصلی در سیستم‌های فعال استفاده از یک پردازنده با قابلیت پردازش خوب می‌باشد که ابتدا از هر پارامتر سازه، نمونه دیجیتالی بگیرد و سپس روش کنترلی مورد نظر را روی آن پیاده کرده و خطای حلقه بسته کنترل سازه را به حداقل برساند.در سال 2011 یانیک و همکاران روش‌های کنترل فعال و غیر فعال را مقایسه نموده و نشان دادند دو کنترل فعال می‌تواند در مهار سازه بسیار موثر باشد[1]. تاکنون روش‌های ریاضی گوناگونی برای کنترل فعال حلقه بسته مطرح شده است که می توان به کار دشموخ و همکاران اشاره کرد که از روش کنترل فعال LQR برای میرایی جرم سازه‌ها استفاده نمودند و به نتایج خوبی دست یافتند[2]. با توجه به مطالعات انجام شده در سال 2013 ژانگ و همکاران از روش کنترل مقاوم با استفاده از کنترلر فاز و بهره برای کنترل فعال سازه استفاده نمودند و نشان دادند کنترل حلقه بسته مقاوم، قادر به بهبود پاسخ تا حد زیادی می‌باشد[3]. هی و همکاران برای کنترل فعال سازه از عملگرهای فوتواستریکتیو که با نور ماورابنفش می‌توانند تغییر شکل دهند استفاده نمودند که یک روش نو می‌باشد.[4]. پیچیدگی محاسبات کنترلی در کنترل معمول حلقه بسته از یک سو حجم محاسبات را بالا برده و ممکن است پردازنده نتواند به شکل خوبی پردازش کند و در اصطلاح جا بماند. از سوی دیگر به علت به کار بردن معادلات غیر خطی و تقریب آن‌ها با مدل خطی ریاضی، در پاسخ نهایی سیستم خطای تقریب وجود دارد که باعث عدم قطعیت پاسخ می‌شود. دو عامل فوق استفاده از روش‌های کنترل هوشمند نظیر مجموعه‌های فازی یا شبکه‌های عصبی را، معقولانه‌تر می‌کند. در سال‌های اخیر استفاده از این سیستم‌ها در حل مسائل مربوط به سازه و خرابی‌های زلزله یا سونامی نتایج خوبی در پی داشته است. در همین راستا یانگ و همکاران روی تخمین میزان خرابی زلزله با استفاده از سیستم هوش مصنوعی بر مبنای فازی کار کردند و نشان دادند مجموعه فازی با متوسط خطای 10 درصد قادر به پیشبینی PGA می‌باشد[5]. کومار و همکاران از سیستم فازی برای کنترل فعال سگ دست با استفاده از سنسورهای پیزو بهره بردند[6]. سینگ و همکاران از تلفیق فازی و شبکه عصبی کوهنن برای تخمین منطقه تحت سونامی در شهر ایشینوماکی استفاده نمودند[7]. همچنین برای کنترل نیمه‌فعال سازه که با استفاده از دمپر انجام می‌گیرد نیز از روش‌های هوش مصنوعی استفاده شده است. هاروی و همکاران محدودیت‌های کنترل نیمه فعال را روی سازه نشان دادند[8]. همچنین پیزال و همکاران روی پاسخ دینامیکی سازه با کنترل نیمه فعال کار کردند و نشان دادند هوش مصنوعی منجر به کاهش حجم محاسبات خواهد شد[9]. کیم و همکاران و پاستیا و همکاران از روش فازی برای کنترل نیمه فعال سازه استفاده نمودند و به نتایج قابل ملاحظه‌ای دست یافتند[10] و [11]. پورزینلی و همکاران از سخت افزار VSCD به همراه مجموعه فازی برای کنترل نیمه فعال سازه استفاده نمودند که یک روش نو همراه با هوش مصنوعی می‌باشد[12].
2-2- سیستمهای فازیدر سال 1965در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی پروفسور لطفی زاده تئوری مجموعه های فازی و منطق فازی را مطرح کرد[14]. این تئوری برای مواجهه شدن با اکثر پدیده های جهان واقع که در آنها عدم قطعیت وجود دارد مورد استفاده قرار میگیرد. پس از آن که لطفی زاده در آن سالها تئوری خود را مطرح نمود، گردهمایی ها و کنفرانس های بسیاری در طول این سال ها در زمینه گسترش مفهوم عدم قطعیت و کاربرد این نظریه در زمینه های گوناگون صنعتی برگزار گردید و مقالات علمی زیادی در ژورنال ها به چاپ رسید. دربخشی از این فصل ویژگی ها و کاربردهای نظریه فازی در زمینه های مختلف را بررسی می کنیم.
2-3- تاریخچه مختصری از سیستم فازیمقاله کلاسیک پرفسور لطفی زاده درباره مجموعه فازی که در سال 1965به چاپ رسید[14]، سرآغاز جهتی نوین در علوم و مهندسی سیستم و کامپیوتر بود. این مقاله اساس تکنولوژی کنترل بر مبنای منطق فازی است که در اینده اثرات عمیق در طراحی سیستم های کنترل هوشیار خواهد داشت. گرچه منطق فازی کاربردی خیلی وسیع تر از منطق متداول دارد ولی پرفسور لطفی زاده معتقد است که منطق فازی اکسیر و نوشدارو نیست. وی میگوید “کارهای زیادی هست که انسان میتواند به آسانی انجام دهد در حالی که کامپیوترها و سیستمهای منطقی قادر به انجام آن نیستند. فازی یک فرا مجموعه از منطق بولی است که بر مفهوم درستی نسبی، دلالت می کند. منطق کلاسیک هر چیزی را بر اساس یک سیستم دوتایی نشان می دهد ( درست یا غلط، 0یا1، سیاه یا سفید) ولی منطق فازی درستی هر چیزی را با یک عدد که مقدار آن بین صفر و یک است نشان می دهد. مثلا اگر رنگ سیاه را عدد صفر و رنگ سفید را عدد 1 نشان دهیم، آن گاه رنگ خاکستری عددی نزدیک به صفر خواهد بود. وقتی دکتر لطفی‌زاده نظریه سیستم‌های فازی را معرفی کرد. در فضایی که دانشمندان علوم مهندسی به دنبال روش‌های ریاضی برای شکست دادن مسایل دشوارتر بودند، نظریه فازی به گونه‌ای دیگر از مدل‌سازی، اقدام کرد. منطق فازی معتقد است که ابهام در ماهیت علم است. بر خلاف دیگران که معتقدند که باید تقریب‌ها را دقیق‌تر کرد تا بهره‌وری افزایش یابد، لطفی‌زاده معتقد است که باید به دنبال ساختن مدل‌هایی بود که ابهام را به عنوان بخشی از سیستم مدل کند. در منطق ارسطویی، یک دسته‌بندی درست و نادرست وجود دارد. تمام گزاره‌ها درست یا نادرست هستند. بنابراین جمله «هوا سرد است»، در مدل ارسطویی اساساً یک گزاره نمی‌باشد، چرا که مقدار سرد بودن برای افراد مختلف متفاوت است و این جمله اساساً همیشه درست یا همیشه نادرست نیست. در منطق فازی، جملاتی هستند که مقداری درست و مقداری نادرست هستند. برای مثال، جمله “هوا سرد است” یک گزاره منطقی فازی می‌باشد که درستی آن گاهی کم و گاهی زیاد است. گاهی همیشه درست و گاهی همیشه نادرست و گاهی تا حدودی درست است. منطق فازی می‌تواند پایه‌ریز بنیانی برای فن‌آوری جدیدی باشد
اگر بگوییم پذیرفته شدن تئوری فازی بعنوان یک زمینه مستقل بواسطه کارهای بر جسته پروفسور لطفی زاده بوده سخن به گزاف نگفته ایم. او در این مفهوم متغییر های زبانی و استفاده از قواعد اگر انگاه را برای فرموله کردن دانش بشری معرفی نمود. از نقطه نظر تئوری سیستم های فازی و کنترل دهه های اخیر رشد چشمگیری پیدا کرد و پیشرفتهایی در زمینه برخی مشکلات اساسی سیستمهای فازی صورت گرفت. بعنوان مثال تکنیک های شبکه عصبی برای تعیین و تنظیم توابع تعلق استفاده شدند. با وجودی که تصویر سیستمهای فازی شفاف تر شده با این حال کارهای زیادی هنوز باید انجام شود و بسیاری از راه حل ها و روش ها در ابتدای راه قرار دارد. ما اعتقاد داریم که تنها سرمایه گذاری مراکز تحقیقاتی معتبر بر روی افراد مستعد و خلایق می تواند باعث پیشرفتهای عمده در زمینه تئوری فازی شود. مهندسان ژاپنی (با حساسیتی که نسبی به فن اوری های جدید دارند) به سرعت دریافتند که کنترل کننده های فازی بسهولت قابل طراحی بوده و در مورد بسیاری مسایل می توان از آنها استفاده کرد. بدلیل اینکه کنترل فازی به یک مدل ریاضی نیاز ندارد آنرا می توان در مورد مسائل پیچیده ریاضی نیز بکار گرفت. با وجودی که تئوری فازی جایگاه واقعی خود را پیدا نکرد با این حال هنوز محققینی بودند که روشهای جدید فازی نظیر الگوریتم های فازی، تصمیم گیری های فازی و… را مطرح نمودند. موفقیت سیستمهای فازی در ژاپن تعجب محققان را در امریکا و اروپا برانگیخت. گرچه سیستمهای فازی پدید های غیر قطعی و نا مشخص را توصیف می کنند با این حال خود تئوری فازی یک تئوری دقیق می باشد. دنیای واقعی ما بسیار پیچیده تر از ان است که بتوان یک توصیف و تعریف دقیق برای ان بدست اورد بنابراین باید یک توصیف تقریبی یا همان فازی که قابل قبول تجزیه و تحلیل باشد برای یک مدل معرفی شود. با حرکت ما بسوی عصر اطلاعات، دانش و معرفت بشری بسیار اهمیت پیدا می کند. بنابراین ما به فرضیه ای نیاز داریم که بتوان دانش بشری را به شکل سیستماتیک فرموله کرده و انرا به همراه سایر مدلهای ریاضی در سیستم های مهندسی قرار دهد.
توجیه گفته شده گرچه درست است با این حال طبیعت واحدی را برای تئوری سیستم های فازی مشخص نمی کند. در حقیقت تمامی نظریه های علوم مهندسی دنیای واقعی را به شکلی تقریبی توصیف میکنند. یک تئوری مهندسی خوب از یکسو باید بتواند مشخصه های اصلی و کلیدی دنیای واقعی را توصیف کرده و از سویی دیگر قابل تجزیه تحلیل ریاضی باشد. بنابراین از این جنبه تئوری فازی تفاوتی با سایر تئوری های علوم مهندسی ندارند.
نگرش فازی مشخصه واحدی از سیستم های فازی را توصیف کرده و وجود تئوری سیستم های فازی را به عنوان یک شاخصه مستقل در علوم مهندسی توجیه می کند. بعنوان یک قاعده کلی یک تئوری مهندسی خوب باید قادر باشد از تمامی اطلاعات موجود به نحو موثری استفاده کند.
در سیستمهای عملی اطلاعات مهم از دو منبع سر چشمه می گیرند. یکی از منابع افراد خبره می باشند که دانش و آگاهیشان را در مورد سیستم با زبان طبیعی تعریف می کنند. منبع دیگر اندازه گیری ها و مدل های ریاضی هستند که از قواعد فیزیکی مشتق شده اند. بنابراین یک مسئله مهم ترکیب این دو نوع اطلاعات در طراحی سیستم ها است. برای انجام این ترکیب سئوال کلیدی این است که چگونه می‌توان دانش بشری را به یک فرمول ریاضی تبدیل کرد. اساسا آنچه که یک سیستم فازی انجام میدهد همین تبدیل است. برای اینکه بدانیم این تبدیل چگونه صورت می گیرد ابتدا باید بدانیم سیستم های فازی چگونه سیستم هایی هستند.
2-4- چرا سیستم فازیواژه(فازی) در فرهنگ لغت اکسفورد بصورت (مبهم، گنگ، نادقیق، گیج، مغشوش، درهم و نامشخص) تعریف شده است. سیستم های فازی سیستم هایی با تعریف دقیق هستند و کنترل فازی نیز نوع خاصی از کنترل غیر خطی میباشد که ان هم تعریف می گردد. این مطلب مشابه کنترل و سیستم های خطی می باشد که واژه (خطی) یک صفت فنی بوده که حالت و وضعیت سیستم و کنترل را مشخص می کند. چنین چیزی درمورد واژه(فازی) وجود دارد. سیستمهای فازی سیستم های مبتنی بردانش یا قواعد می‌باشند. قلب یک سیستم فازی یک پایگاه دانش بوده که از قواعد اگر-آنگاه فازی تشکیل شده است. یک قاعده اگر-آنگاه فازی یک عبارت اگر– آنگاه بوده که بعضی کلمات آن بوسیله توابع تعلق پیوسته مشخص شده اند. بعنوان مثال عبارت فازی زیر را در نظر بگیرید: اگر سرعت اتومبیل بالاست انگاه نیروی کمتری به پدال گاز وارد کنید.
بطور کلی دو راه حل برای طراحی چنین کنترل کننده ای وجود دارد یک راه حل استفاده از کنترل کننده های متعارف نظیر PID بوده وراه حل دوم شبیه سازی رفتار رانندگان است بدین معنی که قواعدی که راننده در حین حرکت استفاده می کند را به کنترل کننده خودکار تبدیل نماییم ما راه حل دوم را در نظر میگیریم. در صحبتهای عامیانه رانندهها در شرایط طبیعی از سه قاعده زیر در حین رانندگی استفاده می‌کنند:
اگر سرعت پایین است آنگاه نیروی بیشتری به پدال گاز وارد کنید.
اگر سرعت متوسط است آنگاه نیروی متعادلی به پدال گاز وارد کنید.
اگر سرعت بالاست آنگاه نیروی کمتری به پدال گاز وارد کنید.
با این حال ما می توانیم یک سیستم فازی را بر اساس این قواعد بسازیم. از آنجا که سیستم فازی بعنوان کنترل کننده استفاده شده، آن را کنترل کننده فازی می نامند. بطور خلاصه نقطه شروع ساخت یک سیستم فازی بدست آوردن مجموعه ای از قواعد اگر–آنگاه فازی از دانش افراد خبره یا دانش حوزه مورد بررسی می باشد. مرحله بعدی ترکیب این قواعد در یک سیستم واحد است.
معمولااز سه نوع سیستم فازی صحبت به میان می اید:
سیستمهای فازی خالص
سیستمهای فازی تاکاگی، سوگنو و کانگ TSK))
سیستمهای با فازی ساز و غیر فازی ساز
بطور خلاصه این سه نوع سیستم را شرح می دهیم. پایگاه قواعد فازی مجموعه ای از قواعد اگر-آنگاه فازی را نشان می دهد. موتور استنتاج فازی این قواعد را به یک نگاشت از مجموعه های فازی در فضای ورودی به مجموعه های فازی در فضای خروجی بر اساس اصول منطق فازی ترکیب میکند. مشکل اصلی در رابطه با سیستم های فازی خالص این است که ورودی ها و خروجی های ان مجموعه های فازی می‌باشند (واژه هایی در زبان طبیعی ). برای حل این مشکل تاکاگی، سوگنو و کانگ نوع دیگری سیستم‌های فازی را معرفی کرده اند که ورودی ها و خروجی های آن متغییر هایی با مقادیر واقعی هستند. سیستم TSK از قواعدی بدین صورت استفاده می کند.
اگر سرعت اتومبیل (X) بالاست آنگاه نیروی وارد بر پدال گاز برابر است با Y=CX
که واژه (بالا) همان معنی 1را داده و C یک عدد ثابت می‌باشد. مقایسه نشان می دهد که بخش آنگاه قاعده فازی از یک عبارت توصیفی با مقادیر زبانی به یک رابطه ریاضی ساده تبدیل شده. این تغییر ترکیب قواعد فازی را ساده تر می‌سازد. در حقیقت سیستم فازی TSKیک میانگین وزنی از مقادیر بخش های انگاه قواعد می باشد.
2-5- مشکلات عمده سیستم فازی TSK
بخش آنگاه قاعده یک فرمول ریاضی بوده و بنابراین چهارچوبی را برای نمایش دانش بشری فراهم نمی‌کند. همچنین این سیستم دست ما را برای اعمال اصول اصول مختلف منطق فازی باز نمی گذارد و در نتیجه انعطاف پذیری سیستم های فازی در این ساختار وجود ندارد.
برای حل این مشکل ما از نوع سومی از سیستم های فازی یعنی سیستم های فازی با فازی سازها استفاده میکنیم. به منظور استفاده ازسیستم های فازی خالص در سیستم های مهندسی یک روش ساده، اضافه کردن یک فازی ساز در ورودی است که متغییر هایی با مقادیر حقیقی را به یک مجموعه فازی تبدیل کرده و یک غیر فازی ساز که یک مجموعه فازی را به یک متغییر با مقدار حقیقی در خروجی تبدیل میکند. این سیستم فازی معایب سیستم فازی خالص و سیستم فازی TSK رامیپوشاند. از این پس منظور ما از سیستم های فازی سیستم های فازی با فازی ساز و غیر فازی ساز خواهد بود.
2-6- سیستم های فازی کجا و چگونه استفاده می شوندسیستم های فازی را می توان بعنوان کنترل کننده حلقه باز و یا کنترل کننده حلقه بسته مورد استفاده قرار داد. هنگامی که بعنوان کنترل کننده حلقه باز استفاده میشود سیستم فازی معمولا بعضی پارامترهای کنترل را معین کرده و انگاه سیستم مطابق با این پارامترهای کنترل کار می‌کند. بسیاری از کاربرد های سیستم فازی در الکترونیک به این دسته تعلق دارند. هنگامی که سیستم فازی بعنوان یک کنترل کننده حلقه بسته استفاده میشود در این



قیمت: 11200 تومان

Leave a Reply

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *