QFT یک روش طراحی مهندسی و یکی از روش های کنترل مقاوم است که مبتنی بر تئوری فیدبک بوده و برای دستیابی به خصوصیات مطلوب سیستم (desired performance) با وجود نامعینی و اغتشاش در فرایند تأکید دارد. در عمل پارامترهای سیستم و در نتیجه ضرایب تابع تبدیل ثابت نبوده و در بازه ای نامعین قرار دارند. در پروسه خطی سازی معادلات سیستم، بخشی از مشخصات سیستم نادیده گرفته می شوند و چون در اکثر این روش ها خطی سازی حول نقطه ای انجام می پذیرد، همیشه این مسئله وجود دارد که تا چه اندازه انحراف از نقطه کار خطی سازی شده معتبر است. بنابراین جبران ساز طراحی شده براساس این روش ها به دلیل عدم وجود مقاومت (robustness) در عمل پاسخگوی سیستم نبوده و اکثر این طراحی ها به صورت تئوری انجام می گیرد.
دینامیک سیستم های واقعی معمولا دستخوش تغییرات بوده و یا مدل آنها حاوی ابهام می باشد. هدف کنترل مقاوم کنترل چنین فرایندهایی است که نمی توان دینامیک حاکم بر آنها را به وسیله یک مدل مشخص و دقیق بیان نمود. ایده کنترل فرایندهای نامعین توسط یک ساختار کنترلی ثابت در روش های مختلف کنترل مقاوم، توسط ساختار کنترلی متغیر در کنترل تطبیقی مطرح می باشد.
کنترل های تطبیقی، هوشمند، و مقاوم یک زمینه اشتراک کلی دارند و آن فرض وجود نامعینی در سیستم است. هر سه نوع کنترلرها مدعی ارائه کنترلی خوب و مناسب هستند و هرکدام نقاط ضعف و قوتی نسبت به همدیگر دارند. در کنترل مقاوم تغییرات سیستم را به صورت نامعینی (uncertainty) جمع کرده و به سیستم مربوطه یک سیستم نامعین می گوییم. اولین تفاوت کنترل مقاوم با دیگر استراتژی های کنترلی یعنی تطبیقی و هوشمند، این است که در کنترل مقاوم کرانهای نامعینی باید معلوم باشند. البته در بسیاری از موارد، در عمل این کرانها مشخص هستند ولی ممکن است کران نامعینی وسیع باشد، که برای کنترل مقاوم مشکل ساز خواهد بود. کنترل مقاوم در صورت وجود جواب مدعی ارائه یک جبرانسازی منحصر بفرد با ساختار ثابت و خطی می باشد.
در صورتی که کنترل کننده های تطبیقی و هوشمند، کنترلرهای با ساختار متغیر، غیرخطی و اکثرا با محاسبات زمان طولانی می باشند. در نتیجه کنترلر مقاوم بسیار ساده تر و ارزان تر از دو روش دیگر است. حسن دیگر کنترلر مقاومت این است که بر مبنای ریاضیات قوی بوده که این امر در کنترلر تطبیقی و هوشمند کمتر مشاهده می شود. مزیت دیگر کنترل مقاوم نزدیکی آن به کنترل کلاسیک است که در نتیجه می توان از ایده های کنترل کلاسیک در آن سود جست. تئوری فیدبک کمی به عنوان یکی از روش های قدرتمند کنترل مقاوم در طی سه دهه، برای کنترل سیستم های خطی و غیرخطی، تغییرپذیر و تغییر ناپذیر با زمان، زمان پیوسته یا زمان گسسته، SISO، یا MIMO که هریک حاوی عدم قطعیت کراندار باشند، توسعه یافته است. همچنان که قبلا ذکر شد اساس QFT بر آن است که فیدبک جهت مهار نامعینی پارامترهای فرایند و اغتشاش به کار گرفته شود.
از طرف دیگر یک تکنیک کنترلی مبتنی بر روش طراحی برای سیستم های LTI/SISO زمان پیوسته غیرقطعی می باشد. هریک از انواع دیگر سیستم ها به نحوی به مسئله فوق تبدیل می شوند.
البته مطابق تئوری فیدبک، چنانچه تغییرات ناشی از عدم قطعیت فرایند از محدوده عملکرد مجاز فراتر نرود، نیازی به فیدبک نبوده و کنترل پیشخور کافی است. به طور کلی هدف کنترل قرار دادن معیارهای کارائی سیستم در تلرانسهای معین می باشد. با انتخاب فیدبک می توان عدم قطعیت سیستم را به میزان مورد نیاز تلرانس های کارائی فشرده نمود. اولین طراحی کمی براساس ایده های فوق با تحلیل یک فرایند نامعیت LTI/SISO توسط پرفسور هورویتز در سال 1959 انجام گرفت، و پس از آن تاکنون تعمیم و گسترش یافته است.
لازم به ذکر است که تمام تکنیک ها QFT (برای سیستم های MIMO، و غیرخطی با فیدبک خروجی و یا متغییرهای داخلی) مبتنی بر طراحی LTI/SISO هستند و هریک در مراحل تبدیل مسئله طراحی به مسائل LTI/SISO دچار فراطراحی می شوند. تکنیک QFT در سیستم های LTI/SISO تک حلقه، پایه سازنده ای برای بقیه تکنیک های آن است و طبق ادعای پروفسور هورویتز، اگر QFT نتواند یک مسأله نامعینی را حل کند هیچ روش دیگری قادر به ارائه یک پاسخ LTI تک حلقه (فیدبک خروجی) نخواهد بود.

طی سالهای اخیر سیستم های كنترل از یک فرآوری تكنولوژی به نیروی مسطحی در اتوماسیون سنعتی تبدیل شده است، صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، كاغذسازی، نیروگاه ها و پالایشگاه ها و… تنها بخش از قلمرو و كاربرد آن را تشكیل می دهند. این گسترش كاربرد طبعاً سبب رقابت شدید و تبلیغات به منظور فروش سستم های DCS بین كمپانیهای تولید كننده شده است.
در كشور ما نیز این سیستم های به تدریج معمول شد، و هم اكنون دامنه رفیعی از فعالیت های صنعتی كشور را پوشش می دهد برخی از این واحدها عبارت است از:
– سكوی دریایی سلمان: سیستم كنترل گسترده Tdc2000 از شرکت Honey well نصب شده است.
– پتروشیمی اراك: در واحدهای پلی بوتادین، اكسید اتیلن، سیستم Tdc2000 Honey well نصب و راه اندازی شده است.
– سكوی جدید بهرگان ottshore و كارخانه خشكی onshore بهرگان: سیستم یوكرگاوای yokogava (centam 3000 در حال نصب و راه اندازی.
– پتروشیمی تبریز: در واحد olefin و واحد پلی اتیلن سیستم Tdc2000 از شرکت Honey well نصب شده است.
با توجه به روی آوری گسترده بزرگترین صنایع این كشور (نفت، گاز، پتروشیمی) به سیستم های كنترل گسترده، برآن شدیم سیستم های فوق را مورد بررسی قرار داده و نرم افزار شبیه ساز آن را طراحی كنیم. برای این منظور یک واحد (production platform) در نظر گرفته شده كه سیستم TDC2000 برتر آن نصب شده است.
این شبیه سازی به توانایی ما در شناخت سیستم و عملكرد بخشهای مختلف افزوده، همچنین وجود خطا یا اشكال در سیستم و نحوه برخورد نرم افزار با این مورد قابل بررسی می باشد این نرم افزار از نقطه نظر آموزشی نیز می تواند بسیار مورد توجه قرار گیرد چرا كه اگر بخواهیم بروز اشكالی را در یک سیستم واقعی مثلا روی یک سكوی نفتی تجربه كنیم چه بسا ممكن است باعث ایجاد خطرات جبران ناپذیر شود كه مقرون به صرفه نمی باشد.
مطالب ارائه شده عبارت است از:
– معرفی سیستم های مقیاس وسیع و بررسی روش های مدلسازی این سیستم ها
– بررسی سیستم های سلسله مراتبی
– بررسی جامع سیستم كنترل گسترده و اجزاء تشكیل دهنده آنها
– بررسی سیستم TDC2000 بطور كامل و تجهیزات مربوط به آن
– معرفی یک Plant واقعی و مدلسازی بخش های مختلف آن
– طراحی نرم افزار شبیه ساز یک سیستم كنترل گسترده و بررسی جزئیات آن
در پایان از كلیه اساتید گروه برق دانشكده و تحصیلات تكمیلی بالاخص مدیر محترم گروه برق آقای دكتر الهی كه در انتخاب موضوع كمك شایانی نموده اند. تشكر می نمایم همچنین از آقای پور مینا به جهت راهنمایی های ارزنده شان در انجام و یشرفت پروژه قدردانی می نمایم.
فصل یك
كلیات

1-1- هدف:
با توجه به پیشرفت تكنولوژی و بكارگیری كامپیوتر و مدارهای میكروپروسسور در صنایع و بكارگیری روش های كنترلی جدید در صنعت، بخصوص صنعت، نفت، گاز، پتروشیمی لازمه آشنایی با سیستم كنترل جدید را فرآهم می آورد.
استفاده از سیستم های فوق در صنعت و سكوهای نفتی و كارخانجات خشكی جهت فراورش نفت به فراوان مشاهده می شود در صورتیكه هنوز طراحی این سیستم های توسط شركتهای خارجی صورت می گیرد.
در راستای این استفاده فراگیری و نصب و راه اندازی و نگهداری این سیستم نیز مطرح می شود با توجه به اینكه هزینه های خرید خارجی چنین سیستم هایی بسیار گران بوده و استفاده كارشناس خارجی هزینه بر می باشد.
پس شناخت چنین سیستمهایی كمك شایانی به صنعت و اقتصاد كشور می نماید. تكنولوژی و سخت افزاری چنین سیستم هایی در كشورمان موجودنمی باشد اما طراحی نرم افزار آن امكان پذیر می باشد. بنابراین بر آن شدیم علاوه بر شناخت اساس كار چنین سیستم هایی به طراحی نرم افزار شبیه ساز آن بپردازیم.
همچنین نرم افزار طوری طراحی شده است كه می توان معادلات یک Plant واقعی را در آن قرار داده و آن را شبیه سازی نمود بنابراین وابسته به یک سیستم خاص نمی باشد و دارای عمومیت می باشد. نتایج حاصله در واقع پاسخهای سیستم می باشد كه همگی قابل مشاهده هستند.
2-1- پیشینه تحقیق:
صنایع كشور به عنوان مصرف كننده های سیستم های كنترل بوده و شركتهای داخلی كمتر به دانش فنی این تكنولوژی یا طراحی آن توجه نموده اند.
نرم افزار سیستم ها نیز توسط شركتهای خارجی سازنده ارائه می شود بنابراین اجرای این پروژه و طراحی نرم افزار سیمولاتور به عنوان قدمهای اولیه در نوشتن چنین برنامه هایی می باشد.
دلایل موضوع فوق نیز انحصاری بودن اطلاعات مربوط به این سیستم ها می باشد و شركتهای مختلف با وجود اینكه تمایل دارند سیستم ها همگی دارای استاندارد خاص خود باشد اما مسائلی امنیتی نرم افزاری باعث می شود كه روش های مختلفی را بعضاً اعمال كنند كه در این صورت دسترسی به اطلاعات بسیار مشكل بوده و تشخیص روش بكار رفته شده امكان پذیر نمی باشد

.
بنابراین این اطلاعات منحصر به سازنده این گونه سیستم ها و یا خریدار آن می باشد كه در هر دو مورد دسترسی به این اطلاعات كار ساده ای نیست.

دی الکتریکهای شامل آرایه های تناوبی که می توانند نور را در طول موج های مختلف تابانده و یا عبور دهند، از اصول فیزیکی اولیه پدیده های زیبای طبیعی پیروی می کنند. به عنوان مثال، طیف های رنگ های زیبایی که از بالهای یک پروانه در زیر نور خورشید بازتابانده می شوند، ناشی از بازتاب های مختلف رنگهای تشکیل دهنده نور خورشید، از ساختارهای دی الکتریک تناوبی تشکیل دهنده سطح بال پروانه می باشند. اصول بکار رفته در فیزیک این فیدبک های تناوبی توزیع شده در یک ساختار و رفتار آنها در برابر نور تابیده شده، آنها را در محدوده وسیعی از کاربردها، از منابع بازخوان نوری اطلاعات در دیسک های فشرده شده کامپیوتری، تا انتقال دهنده های خاص لیزری در فیبرهای نوری سیستم های مخابراتی، متداول ساخته است. فرکانس گزین بودن خاصیت بازتاب و عبور این ساختارها نسبت به طیف های تشکیل دهنده نور تابیده شده، آنها را به بهترین گزینه برای جایگزینی با آینه های رایج ساختار لیزر فابری پروت ساده بدل ساخته است.
در واقع اگر بتوان رفتار آینه های دو سر لیزر فابری پروت را نسبت به طول موج های تابیده شده حساس و متفاوت ساخت، آنگاه می توان برای طول موجی خاص در داخل کاواک لیزر تشدید ایجاد نمود، طول موج خروجی نور لیزر را تحت کنترل درآورد و خروجی تک فرکانسی داشت. چنین لیزرهایی به عنوان لیزرهای تک فرکانسی شناخته شده و با توجه به اهمیت و نقش کلیدی آنها در سیستم های مخابرات نوری به طور گسترده ای از دهه 1980 مورد مطالعه گرفته اند.
دیودهای لیزر فابری پروتی که به جای یک یا هردو آینه انتهایی، از آینه هایی با بازتابگرهای تناوبی توزیع شده سود می جویند، به عنوان لیزر نیمه هادی DBR شناخته می شوند.
در این پروژه سعی شده است تا اثر تغییر عمق شیارهای ساختار کنگره ای بر عملکرد چنین لیزری بررسی گردد. فصل های تشکیل دهنده این پروژه عبارتند از:
فصل اول، که در آن به کلیاتی نظیر تاریخچه مخابرات نوری می پردازیم. در این فصل به چگونگی تولید نور لیزر در ساختارهای نیمه هادی، علت استفاده از دیودهای لیزر نیمه هادی در سیستم های مخابراتی و تقسیم بندی انواع دیودها از نقطه نظر هدایت مدهای تولید شده، می پردازیم.
فصل دوم، که در آن ضمن معرفی تئوری روش ماتریس انتقال، به روشی برای دستیابی به ضرایب بازتاب و انتقال کلی دیده شده از ساختاری با بازتابگرهای تناوبی توزیع شده و به کار رفته بجای آینه های لیزر فابری پروت، می پردازیم. روش ماتریس انتقال از آن جهت مورد توجه می باشد که ضمن عمومیت داشتن و مطمئن بودن، تمامی ساختارهای این چنینی را پوشش داده و به کمک آن می توان ضمن ساده سازی ساختارهای پیچیده به ساختارهای بنیادی و ساده تر متصل بهم، به آسانی رفتار کل مجموعه را تنها با ضرب ماتریس های انتقال این اجزای ساده تر به دست آورد و خواص کلی این مجموعه را مورد بررسی قرار داد.
فصل سوم، که در آن ضمن معرفی روش تئوری امواج تزویج شده، به بررسی انتشار مدهای تولید شده محفظه تشدید کاواک لیزر در محیط های دی الکتریک چند لایه پرداخته و ضرایبی نظیر ضریب محدود کننده مد در این محیط و ضریب تزویج این مدها را تعریف کرده و به دست می آوریم. این ضرایب در بررسی وضعیت انتشار امواج در ساختارهای فیزیکی متناوب مختلف بسیار مهم و کاربردی می باشند. سپس به بررسی اثر تغییر عمق شیارهای ساختار کنگره ای بر روی این فاکتورهای اساسی پرداخته و بر روی بهبودی که در مشخصات توصیف کننده عملکرد لیزر DBR به وجود می آید، بحث می نماییم.

و در فصل چهارم ضمن جمع بندی و تحلیل نتایج حاصله، نگاهی به کاربرد این قطعات در سیستم های امروزی انداخته و ضمن معرفی چند مرجع فارسی و غیر فارسی، پیشنهاداتی را جهت ادامه این بحث ارائه می نماییم.

در چند دهه گذشته، به دلیل رشد سریع ادوات الكترونیک قدرت و استفاده روزافزون از بارهای غیرخطی در سیستم قدرت (مانند منابع تغذیه سوئیچینگ، ASD ها و درایوهای الكترونیک قدرت) سطح هارمونیكی سیستم قدرت افزایش یافته است. حضور هارمونیک ها در سیستم قدرت می تواند باعث بروز مشكلات متعددی مانند اعوجاج شكل موج ولتاژ، افزایش تلفات انرژی، گرم شدن تجهیزات، بروز خطا در عملكرد تجهیزات حفاظتی و همچنین بارهای حساس مانند سیستم های میكروپروسسوری و میكروكنترلی گردد. بروز این مسائل موجب آن شده است كه مسائل هارمونیكی به یكی از جالب ترین مسائل مورد توجه مهندسان تبدیل شود.
هارمونیک ها به سبب وجود بارهای غیرخطی، بویژه مبدل های قدرت در بارهای صنعتی، تجاری و مسكونی ایجاد می شوند. جریان هارمونیكی تولید شده توسط هر یک از بارهای غیرخطی از بار به سمت سیستم قدرت پخش می شود. ولتاژ هارمونیكی در تركیب بار ولتاژ در فركانس اصلی سبب ا یجاد یک ولتاژ اختلال در سیستم قدرت روی فیدر مربوط به آن بار و یا فیدرهای مجاور، می شود. این ولتاژ اختلال هارمونیكی سبب تولید بیشتر جریان های هارمونیكی از سمت بارهای غیرخطی می شود. همچنین این ولتاژ دارای اختلال موجب بوجود آمدن رزونانس سری یا موازی در باس بار پست های شبكه نیز می شود.
در پاسخ به دو چالش بیان شده ناشی از حضور هارمونیک ها در سیستم قدرت، شركت های برق بیشتر توجه خود را معطوف به شناسایی منابع تولید هارمونیک كرده اند. لذا بیشتر این شركت ها، كیفیت توان الكتریكی تأمین شدة مصرف كنندگان را از طریق اندازه گیری، جهت تعیین منبع تولید هارمونیک در محدوده های استاندارد ارزیابی می كنند. لذا به دلیل نیاز به تجهیزات و وسایل اندازه گیری مخصوص در یک سیستم كه معمولاً به طور دائم و همیشگی در بیشتر باس ها نصب نمی باشند، بنابراین لازم و ضروری است كه روش های مناسبی جهت مانیتورینگ و ارزیابی سطوح هارمونیكی و شناسایی منابع تولید هارمونیک توسط اندازه گیری های محدود در سیستم ارائه و گسترش داده شوند.

رمزنگاری از دیرباز به عنوان یک ضرورت برای حفاظت اطلاعات خصوصی در مقابل دسترسی های غیرمجاز در تجارت و سیاست و مسایل نظامی وجود داشته است. به طور مثال، تلاش برای ارسال یک پیام سری بین دو هم پیمان به گونه ای که حتی اگر توسط دشمن دریافت شود، قابل درک نباشد، در رم قدیم نیز دیده شده است (رمز سزار). در سالیان اخیر رمزنگاری و تحلیل رمز از یک هنر پا را فراتر گذاشته و به یک علم مستقل تبدیل شده است و در واقع به عنوان یک وسیله عملی برای ارسال اطلاعات محرمانه روی کانال های غیر امن مانند تلفن، مایکروویو و ماهواره ها شناخته می شود. پیشرفت علم رمزنگاری موجب به وجود آمدن روش های تحلیل مختلفی شده است به گونه ای که به طور متناوب سیستم های رمز مختلف شکسته شده اند. معروف ترین نمونه از این نوع سیستم ها، ماشین «انیگما» بوده است. انیگما، ماشین رمزگذار و کد کننده ای بوده است که حزب نازی در زمان جنگ جهانی دوم برای ارسال پیام هایشان از طریق رادیو به سایر نقاط از آن استفاده می کردند.
رمزنگاری که به طور عمده به دو بخش رمزنگاری متقارن یا رمزنگاری با کلید خصوصی و رمزنگاری متقارن یا رمزنگاری با کلید عمومی صورت می گیرد، تلاش می کند برای ایجاد یک ارتباط سری از طریق سیستم های مخابراتی و شبکه های کامپیوتری، مباحث مربوط به محرمانگی و احراز هویت را تحت فرض های مشخص، به درستی اثبات نماید. رمزهای کلید خصوصی بر مبنای نوع عملکرد، چگونگی طراحی و پیاده سازی و کاربردهایشان به دو گونه رمزهای بلوکی و رمزهای دنباله ای تقسیم می شوند.
در فصل اول این سیمنار، تعریفی کلی از رمزنگاری و انواع آن ارائه شده است. فصل دوم به بررسی الگوریتم های کلید متقارن و نامتقارن می پردازد. در فصل سوم رمزهای بلوکی و دنباله ای را به طور کامل توضیح داده و در فصل چهارم، دو رمز بلوکی DES و AES که بسیار پرکاربرد هستند، مورد بررسی قرار گرفته اند. فصل پنجم به بررسی طول کلید مناسب برای رمزها جهت ایمنی بیشتر اختصاص دارد.
فصل اول
معرفی رمزنگاری
رمزنگاری دانش تغییر متن پیام به کمک یک کلید رمزنگاری و یک الگوریتم رمزنگاری است. به طوری که تنها شخصی که از کلید و الگوریتم مطلع است قادر به استخراج متن اصلی از متن رمزشده باشد و شخصی که از یکی یا هردوی آنها اطلاعی ندارد، نتواند به محتوای پیام دسترسی پیدا کند. رمزنگاری از طریق پنهان نگاه داشتن الگوریتم منسوخ شده است. در روش های جدید رمزنگاری، فرض بر آن است که همان الگوریتم را می دانند. آنچه پنهان است فقط کلید است.
رمزنگاری علمی است که به وسیله آن می توان اطلاعات را به صورتی امن منتقل کرد، حتی اگر مسیر انتقال اطلاعات (کانال های ارتباطی) ناامن باشد. دریافت کننده اطلاعات آنها را از حالت رمز خارج می کند (decrypting). به این عمل رمزگشائی گفته می شود.
توجه داشته باشید که رمزنگاری به تغییر ساده محتویات یک متن گفته می شود و با کدگذاری (coding) تفاوت دارد. در رمزنگاری، هر کاراکتر با یک نماد تغییر می کند. رمز به مفعوم تبدیل کاراکتر به کاراکتر یا بیت به بیت، بدون تغییر محتویات زبان شناختی آن است. در مقابل «کد» تبدیلی است که کلمه ای را با یک کلمه یا نماد دیگر جایگزین می کند.
کلمه Cryptography به معنای رمزنگاری، برگرفته از لغات یونانی ‘kryptos’ به مفهوم “محرمانه” و ‘graphein’ به معنای “نوشتن” است. در بررسی نخستین استفاده کنندگان از رمزنگاری به “سزار” امپراتور روم و نیز “الکندی” که یک مسلمان است برمی خوریم. از عمده ترین شیوه های رمزنگاری های ابتدایی، پیچیدن نسخه اصلی پیام بر روی استوانه ای با قطر مشخص و نوشتن پیام بر روی متن استوانه ای است. بعدها از این روش به همراه موتورهای الکتریکی برای رمزنگاری استفاده شد

.
رمزنگاری مدت زیادی است که توسط نیروهای ارتشی و دولت برای آسان کردن مخابرات رمزی مورد استفاده قرار گرفته است. در حال حاضر، رمزنگاری برای حفاظت اطلاعات در بسیاری از سیستم های غیرنظامی مانند کامپیوتر، شبکه ها (به طور مثال تجارت الکترونیکی)، تلفن های همراه، و ماشین های سخنگوی اتوماتیک بانک استفاده می شود. همچنین در مدیریت حقوق دیجیتالی برای محدود کردن استفاده از موارد دارای کپی رایت و در نرم افزار حفظ کپی برای حفاظت در برابر مهندسی معکوس و سرقت نرم افزاری به کار می رود.
از رمزنگاری می توان برای تأمین امنیت و تأمین اعتبار پیام به صورت جداگانه یا توأمان استفاده کرد. منظور از تأمین امنیت پیام این است که به غیر از گیرنده مجاز، شخص دیگر قادر به فهمیدن متن پیام نباشد. همچنین منظور از اعتبار پیام این است که فرستنده واقعی پیام مشخص باشد.
دانش رمزنگاری بر پایه مقدمات بسیاری از قبیل تئوری اطلاعات، نظریه اعداد و آمار بنا شده است.