کنترلِ دنیایی پیچیده!

nice_Alice

مدیر بازنشسته
کاربر ممتاز
>> آشنایی با نظریه کنترل ریاضی <<


خواه قابلیت مانور یک هواپیما مطرح باشد؛خواه نگه داری مکانیکی یک سازه پیچیده ؛یا مدیریت عبورمرو خودروها؛پیشرفت در این زمینه ها تناه منوط به اختراعات صرفا فنی نیست!

این پیشرفت نیز زائیده ی پژوهش های مجردی نظیرنظریه ریاضی کنترل است!

فایده آگاهی از نحوه ی کنترل واکنش یک هواپیمایا یک موشک درجریان شدید هوا،یا اتخاذ رفتار مناسب و چاره جویی درزمینه ی پیامد آن درصورت بروز یک اتفاق ناگوار در مرکزهسته ای،نحوه ی اداره وبرخورد شبکه برق رسانی درصورت بروز اشکال وغیره را هرکسی به آسانی میفهمد.در وضعیت های نرمال،هدف کنترل،بهینه کردن چیزی،بهبود بخشیدن شیوه اجرایی وصرفه جویی در مصرف مواد یا پول است!

مثلا نگه داری یک ماهواره بر روی مدار مطلوب با صرف کمترین سوخت نمونه ای از این مسائل است.
برای مثال توجه خود را به شیوه ی برخورد باتوقف ناگهانی برق دریک شبکه برق رسانی معطوف میکنیم: حادثه ای نظیریکمدارکوتاه یا قطع برق یا افزایش مصرف انرژی در یک ناحیه ، روی شبکه میتواند پیامدهای فراوانی داشته باشد.

و اما تحقق یک مطالعه فراگیر روی همه ی اتفاقات ممکن وهمچنین محاسبه دقیق هرمرحله از انتشار اثرات چنین اتفاقی عموما میسر نیست!شمارِ امکانات بررسی این مسائل بسیار فراوان است و در هر صورت بسیار فراتر از توانایی قوی ترین رایانه ها میباشد.

بنابراین نیازمند طراحی مدل ریاضی هستیم که بصورت ساده شبکه وعملکرد آن را ترسیم کند. به کمک تلاش ها و محاسباتی به وسعت معقول این گونه مدلسازی به ما امکان میدهد تا حداقل به طور تقریبی به محتوای سیستم احاطه داشته باشیم. در عوض این الگوسازی میتواند به بهبود وضع شبکه کمک کند ولی همچنین میخواهیم توانایی کنترل یک وضعیت بحرانی را نیز داشته باشیم که برای مثال با افزایش اضافه بار موضعی یا درکل یک ناحیه بوجود می آید. به سخنی دیگر میخواهیم بدانیم که پست فرمان چه سلسله عملیاتی را باید اجرا کند تا پیامدهای ناشی از توقف را به حداقل برساند.

آیا چنین دانشی به طورنظری میسر است؟ آیا استراتژی های کنترل بهینه وجود دارند؟ چناچه پاسخ مثبت است ، این استراتژی ها کدامند ؟ سراانجام برای بررسی درستی این مساله پیش از اقدام به اجرای کلان آن در جهان واقعی ، بوسیله ی شبیه سازی عددی با رایانه ، چه الگوریتمی باید بکار برد ؟
فراهم ساختن یک چارچوب مطالعه ی دقیق در مساله مدیریت منابع و لوازم فوق به منظور جلوگیری از هدردادن انرژی یا قربانی شدن بر اثر قطع کلی جریان برق ضروری است.

این مثال نخستین نوع از مسائل کنترل پیچیده ای را ارائه میدهد که ریاضیدانان با یاری منطق ریاضی ، نظریه ی اعداد ، نظریه ی احتمال ، آنالیز و نظریه ی کنترل سهم خود را در آن ادا میکنند.

اینان میتواندد راجع به وجود یک راه حل پذیرفتنی و راجع به وسائل ددسترسی به این راه حل دستِ کم برای ما اعتمادی پیشین فراهم کنند. البته باید منتظر تجارب آینده بود تا اعتبار این راه حل تایید شود

.
 

nice_Alice

مدیر بازنشسته
کاربر ممتاز

جلوگیری از انهدام پل ها:

پیچیدگی لزوما مختص یک شبکه نیست.ممکن است این پیچیدگی درواکنش رفتار یک شی نظیر یک پل مستتر باشد. نگاهداری چنین ساختاری به تعداد زیادی پارامتر از جمله ارتعاش بستگی دارد. همانگونه که همه میدانند لرزش یک پل ممکن است با گذشتن صفی از کامیونها یا بوسیله وزش باد یا طوفان ایجاد شود.این پدیده گاهی تاشکستگی ساختارمورد نظر پیش میرود.هرپلی مانند سایرساختارهای مکانیکی دارای یک سری فرکانس های ارتعاشی مختص به خود است، اگر اغتشاش بیرونی، لرزش هایی را سبب شود که متناظرفرکانس های خاص لرزش باشد ، تشدید یا رزُنانس ایجاد میشود که پل انرزی آن را با ارتعاش های خود جمع میکند ، این انرژی ها تازمانی که اغتشاش بیرونی ادامه دارد و تاوقتی که ساختار مرود نظر دربرابر فشار مکانیکی حاصل از آن مقاومت میکند گسترش می یابد.

برای کنترل چنین پدیده هایی باید آنان را درک کرد،دانست چگونه آنها را پیش بینی کرد، وتاسیسات فنی مناسب برای خنثی کردن تشدیدهای خطرناک را نصب کرد.

از کنترل منفعل زمانی گفتگو میشود که مستهلک سازها را مستقر میسازیم تا پیش از تمرکز انرژی در مواضع بحرانی ، آنها را به قدر کافی جذب کند.

ولی از کنترل فعَال زمانی گفتگو میشود که یک باربرای همیشه این نقاط بحرانی را تعیین کنیم ودرماکن های انتخابی مناسب لوازم فعال یا عمل کننده هارا قرار دهیم. این عمل کننده ها در ارتباط با گسترش جابجایی های نقاط بحرانی وارد عمل میشوند، به گونه ای که ساختار را از هر توحل خطرناکی دور نگه دارند.

با یک تحلیل ریاضی سیستم مورد مطالعه است که جایگیری های مناسب ، نگهدارنده ها،وعمل کننده ها وشیوه ی عمل کنترل آنها به بهترین نحو تعیین شود.

متاسفانه محاسبه دقیق رفتارسیستم در غیاب کنترل حساسیت آن واستعداد کنترل آن اغلب اوقات غیرقابل دسترسی است.معمولا دلیل آن ممکن است مربوط به پیچیدگی ریاضی در حالت غیر خطی (عدم امکان تجزیه آن به عناصر ساده و کم و بیش مستق از نظرریاضی) یا مربوط به زمان محاسبه طولانی با رایانه باشد. درتیجه این کنترل اغلب ناقص است. برای مثال ممکن است موفق به کنترل موقت چندنوع ارتعاش باشیم .برای درک بهتر این فرایندها وترمیم اثرات منفی آنها کارهای زیادی باقی مانده است.


پابرجاماندن با وجود آشفتگی های شدید محیط:

سومین مثال را در مورد جریان های سیال باسرعت زیاد، نظیرجریان هوا در اطراف یک هواپیما یا در اطراف یک موشک درحال پرتاب یا جریان آب در اطراف یک کشتی سریع السیردر نظر بگیریم. دراین شرایط با آشفتگی ها،یعنی با حرکات پیچیده و ناپایدار سیال، با ویرانی و بازسازی دائمی ساختارهای چنان پیچیده ای که گویی از یک بی نظمی کامل حاصل شده اند.

این آشفتگی ها میتوانند به طور قابل توجهی موجب ایجاد مزاحمت برای یک وسیله ی نقلیه ی هوایی یا غیرهوایی شوند.
به نظرهمه میرسد که کنترل دراینجا بسیار مشکل است ولی این مساله دارای اهمیت کاربردی زیادی است.
به همین دلیل مهندسین باروش آزمایش وخطا و مثلا با الهام از پرواز پرندگان برای هواپیماها سعی کرده اند نوعی قابلیت کنترل در پرواز وحرکت های مشابه پدید آورند. این مهندسین مخصوصا با تقویت لبه های گریز و مرود حمله ی بال ها و با قرار دادن گیرنده هایی در محل هایی نسبتا آرام وقرار دادن عمل کننده ها-فذمان ها- در نقاط حساس نزدیک لبه های گریز هواپیما تاحدودی دراین کار موفق شده اند.

نظریه ی ریاضی کنترل در وهله ی نخست اجازه داده است که این نتایج تجربی را باز یابیم. سپس امکان پیشنهاد استراتژی های عمل را فراهم نموده است. یعنی نقشه هایی برای طراحی مناسب که بسته به مورد حساسیت نسبت به عملگرهای یک عملگرانسانی یا اغتشاش های بیرونی را تقویت میکند یا کاهش میدهد.

درحال حاضر در سرآغاز تشخیص ترتیبات مقدماتی کنترل فعال قرار داریم که در مقیاس تقریبا میکروسکوپی یک لایه ی سیال با چنددهم میلیمتر ضخامت عمل میکند: از آن جمله میتوان به رفتار میکرو مکانیسم هایی که امکان تغییر شکل موضعی وسائط نقلیه را در نقاط بحرانی جریان سیال فراهم میکند اشاره نمود. با هماهنگی عمل نظم دهنده های ریزی از این نوع ، به اثر جریان سیال در مقیاس ماکروسکوپی در حد انتظار دست می یابیم.

پژوهش های ریاضی همراه با تلاش های فیزیکی یا فنی در قلمرو کنترل آشفتگی های سیالات، در حال گشاشی دنیای از تلاش های باور نکردنی به روی ما هستند که تا چند سال پیش غیرقابل تصور بود، دنیای که در آن برای دستیابی به چنین نتیجه ای،مقدار انرژی یا اندازه ی ابزارهای ضروری در حد خیلی زیادی کاهش می یابند.

در نظریه ی کنترل از شاخه ای گوناگون ریاضیات از جمله نظریه معادلات دیفرانسیل استفاده میشود:

مسائل کنترلی که در اینجا مطرح کردیم میتواند شامل موارد پیش پا افتاده ای مانند شیشه پاک کن های معمولی ماشین ها، تا پرتاب فضایی پیشرفته باشد!
نظریه ی کنترل که در سال های 1940-1950بخصوص در رابطه فعالیتهای فضانوردی بوجودآمد روش ها ومفاهیم خود را از شاخه های مختلف ریاضی اتخاذ میکند.
این نظریه بخصوص از معادلات دیفرانسیل و معادلات با مشتقات جزئی استفاده میکند. این نظریه ها میدان وسیعی از مطالعات قدیمی اند که هوز هم کارآمدند.

در واقع برای بسیاری از سیستم هایی که در دنیای واقعی با آن ها مواجهیم میتوان با چنین معادله ای رفتار آنها را الگوسازی کرد.
از این رو یک مساله کنترل میتواند به کمک یک یا چند معادله دیفرانسیل یا با مشتقات جزئی مطرح شود ، که شامل جملات ارائه دهنده ی عمل های کنترل اند و عمل های کنترل توسط انسان تعیین میشوند.

جملات کنترل را به طور کلی با C وتابع ارائه دهنده رفتارسیستم را با f نشان میدهیم، f جواب این معادله دیفرانسیل است که C در ان دخالت دارد بنابراین f به C بستگی دارد. پس هدف نظریه ی کنترل به طور کلی تعیین C است به گونه ای که f یعنی وضع رفتاری سیستم قابل قبول باشد.

برای یک ریاضیدان حل یک مساله دیفرانسیل خاص مطرح نیست بلکه یافتن نتایج کلی مطرح است که در موارد رده ای وسیع از این معادلات معتبر باشد تا در موارد عدیده ای با حالتهای متفاوت به کار رود.

در فرانسه نظریه کنترل درقلب مکتب مشهور ریاضیات کاربردی قرار دارد، که در اثر زحمات ژاک-لویی-لیونس(1928-2001) تاسیس شد.
اما تنها یک مکتب ریاضی خوب برای نظریه ی کنترل کفایت نمیکند. درعین حال باید نتایج آن شناخته شوند و توسط همه ی کسانی که به آن نیاز دارند مورد استفاده قرار گیرند.
از انجاست که تحکیم ارتباط بین جامعه ریاضی و جوامع مکانیک ؛شیمیدان ها؛زیست شناسان ؛ مهندسین فواید متعدد خود را روشن می سازد.

نویسنده:پیرپریه
مترجم: نوروز ایزد دوستدار
"کتاب انفجار ریاضیات"
 

alisaadaty

عضو جدید
اگر اثر کنترل یا همون دمپینگ رو در نظرنگیریم در واقع تجهیزات برای میرا کردن ارتعاش به کار نبریم معادله دیفرانسیل حاصله یک مشتق درجه 2 و مشتق درجه صفر دارد که با توجه به مفاهیم فیزیکی همچون لزوم مثبت بودن بعضی ثابت ها همچون جرم و ضریب سختی فنریت و ضریب دمپینگ جواب معادله دیفرانسیل یک جمله سینوسی + یک جمله کسینوسی میشودکه همواره رفتار نوسانی غیر میرا دارد اما وجود دمپرها که ضریب آنها با Cنشان داده میشود باعث میشود در معادله دیفرانسیل علاوه بر ترم های قبلی ترمی با مشتق درجه اول وجود داشته باشد که مشتق مربته اول باعث میرایی میشود
منبع ارتعاشات دکتر نیکخواه بهرامی (انتشارات دانشگاه تهران)
 
بالا