سامانه کنترل

سامانه کنترل

سیستم کنترل یا سامانه کنترل به مجموعهٔ ابزار و تمهیداتی اطلاق می‌شود که به منظور کنترل نمودن و تحت مدیریت قرار دادن رفتار فرایندها و سیستم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شرط اساسی یک سیستم کنترلی این است که باید پایدار باشد . همچنین باید علاوه بر پایداری مطلق ، پایداری نسبی قابل قبولی نیز داشته باشد . یعنی پاسخ باید بطور معقولی سریع و میرا باشد . سیستم کنترلی باید بتواند خطاها را تا صفر یا مقادیر نسبتاً کمی کاهش دهد . شرط پایداری نسبی معقول و شرط دقت در حالت ماندگار ناسازگارند . در طراحی سیستمهای کنترل باید میان این دو شرط موثرترین مصالحه را برقرار کرد .

روش طراحی سیستمهای کنترل

روش اصلی طراحی هر سیستم کنترل عملی الزاماً مبتنی بر روشهای آزمون و خطاست . ترکیب هر سیستم کنترل خطی از لحاظ نظری ممکن است . و مهندسی کنترل قادر است به روشی منظم اجزای لازم برای انجام منظوری مشخص را تعیین کند . اما در عمل ممکن است محدودیتهای مختلفی بر سر راه سیستم قرار بگیرد . و یا سیستم غیر خطی بشود . در چنین مواردی ، هیچ روش ترکیبی وجود ندارد . حتی ممکن است که مشخصه های اجزا دقیقاً معلوم نباشند . بنابراین همواره ضرورت دارد که از روشهای آزمون و خطا استفاده شود .

آنچه که در عمل با آن مواجه هستیم این است که دستگاه مشخصی وجود دارد و مهندس کنترل باید بقیه سیستم را به گونه ای طراحی کند تا کل سیستم بتواند مشخصات مفروضی را برآورده سازد . و وظیفه خاصی را انجام دهد . ویژگیهای چنین سیستمی باید بصورت ریاضی بیان شود .

مهندس کنترل در طراحی سیستمهای کنترل باید بتواند پاسخ سیستم به سیگنالها و اغتشاشات گوناگون را تعیین و تحلیل کند . معمولاً طرح اولیه سیستم رضایتبخش نیست . پس در صورت لزوم سیستم را باید دوباره طراحی و تحلیل کند . و این فرآیند را تا آنجا تکرار کند که به سیستم مطلوب دست یابد . پس از آن می تواند نمونه فیزیکی سیستم را بسازد .

تحلیل سیستمهای کنترل در حوزه زمان

چون در غالب سیستمهای کنترل ، زمان به عنوان متغیر مستقلی به کار می رود ، معمولاً این کمیت برای یافتن پاسخهای حالت و خروجی نسبت به زمان ، یا به صورت خلاصه ، پاسخ زمانی ، مورد توجه است . در مسایل تحلیل ، به یک سیستم یک سیگنال ورودی مبنا اعمال می شود و عملکرد سیستم با مطالعه پاسخ سیستم در حوزه زمان ارزیابی می شود .

طراحی سیستمهای کنترل در حوزه زمان

منظور از طراحی سیستمهای کنترل در حوزه زمان استفاده از خواص و مشخصه های حوزه زمانی سیستمی است که قرار است طراحی شود . مشخصه های حوزه زمانی یک سیستم کنترل خطی با پاسخهای گذرا و حالت مانای سیستم وقتی برخی سیگنالهای آزمون اعمال می شوند ، عرضه می شوند . بسته به اهداف طراحی ، این سیگنالهای آزمون معمولاً به صورت یک تابع پله ای یا یک تابع شیبی یا تابع های حوزه زمانی دیگر است . وقتی ورودی یک تابع پله ای است غالباً درصد فراجهش ، زمان خیز و زمان استقرار برای سنجش عملکرد سیستم به کار می روند . برای مشخص کردن پایداری نسبی سیستم به لحاظ کمی نسبت میرایی و فرکانس نامیرای طبیعی را می توان به کار برد . این کمیتها را تنها در مورد سیستم مرتبه دوم نمونه می توان دقیقاً تعریف کرد . در سیستمهای مرتبه بالاتر این کمیتها تنها وقتی معنی دارند که جفت قطبهای نظیر تابع تبدیل حلقه بسته بر پاسخ دینامیک سیستم مسلط باشند . بنابراین برای طراحی در حوزه زمان ، معیارهای طراحی غالباً شامل ماکسیمم فراجهش به عنوان یک پارامتر طراحی می شوند .

تحلیل سیستمهای کنترل در حوزه فرکانس

عملکرد یک سیستم کنترل با مشخصه های پاسخ در حوزه زمان واقعی تر و مستقیم تر سنجیده می شود . دلیل این امر این است که عملکرد غالب سیستمهای کنترل براساس پاسخهای مربوط به سیگنالهای آزمون خاصی بررسی می شود . این امر با تحلیل و طراحی سیستمهای مخابراتی که در آنها پاسخ فرکانسی از اهمیت بیشتری برخوردار است ، مغایرت دارد . زیرا در این حالت اکثر سیگنالهایی که باید پردازش شوند ، یا سینوسی هستند یا مرکب از اجزای سینوسی هستند .

طراحی سیستمهای کنترل در حوزه فرکانس

به طور کلی روشهای طراحی تحلیلی مناسبی برای سیستمهای مرتبه بالا وجود ندارد . اگرچه روشهای مکان ریشه ها و کانتور ریشه ها اطلاعاتی درباره آثار انواع مختلف کنترل کننده به دست می دهند ، اما اینها نمی توانند پارامترهای کنترل کننده ها را مشخص سازند ، مگر اینکه تعداد زیادی مکان ریشه رسم شود . اما طراحی در حوزه فرکانس به برکت روشهای نیمه ترسیمی امکان طراحی سیستماتیک سیستمهای کنترل خطی را فراهم می سازد.

نظریه کنترل

نظریه نوین کنترل نسبت به نظریه کلاسیک کنترل مزایای بسیاری دارد . از نظریه نوین می توان در طراحی سیستمهای وابسته به زمان چند متغیره استفاده کرد . این نظریه ، مهندس کنترل را قادر می سازد که در ترکیب سیستمهای بهینه شرایط اولیه را به دلخواه برگزیند . و به این ترتیب تنها با جنبه های تحلیلی مسایل سر و کار داشته باشد . یکی از مزایای عمده نظریه نوین کنترل این است که برای انجام محاسبات عددی لازم می توان از کامپیوترهای رقمی استفاده کرد .

تحلیل مکان ریشه ای سیستمهای کنترل

ابتدا باید اثرهای یک صفر را بر روی شکل مکان ریشه های یک سیستم مرتبه دوم بررسی کرد . سپس به مقایسه اثرهای کنترل مشتقی و پسخورد سرعت در عملکرد سرومکانیزم وضعیتی پرداخت . سپس باید سیستم پایدار مشروط و سیستمهای ناکمینه-فاز و سرانجام تغییرات دو پارامتر سیستم را بررسی نمود .

تحليلي ساده از مدارات الکترونيک

تحليلي ساده از مدارات الکترونيک

در این صفحه می خواهم در مورد روشی ساده برای تحلیل اکثر مدارات الکترونیک صحبت کنم .البته تحلیلی که هم کوتاه باشه و هم گویا و هم پرکاربرد در اکثر کتابها بارها دیده اید که هر مدار را با شیوه ای خاص تحلیل می کنند. من در اینجا با روشی ساده و مبتنی بر قوانیین اولیه الکترونیک می خواهم این کار را بکنم. به فرض مدار زیر را در نظر بگیرید

دراین مدارمادوال­ای­دی داریم بادومقاومت،دودیود،یک خازن­ویک ترانزیستور.

اگه بخواهیم این مدار را بدون مراجعه به کتابها و حفظ یات خود از فرمول های مختلف ،تحلیل کنیم؛باید به قوانینی که فرمول ها از آنها سر برآورده اند استفاده کنیم. لازم نیست از قوانین عجیب و غریب و پر پیچ و خمی هم استفاده کنیم. 1-اگر تمام جریاناتی رو که از یک گره می گذرد با هم جمع کنیم حاصل جمع ما صفر می شود 2-اگر تمام ولتاژ هایی یک حلقه رو با هم جمع کنیم حاصل صفر می شود 3-اگر دو مقاومت را موازی با هم ببندیم ولتاژ دو سر آنها یکی است 4-اگر دو مقاومت به ور موازی متصل شوند برای به دست آوردن جریان کل جریان هردو را جمع می کنیم 5-اگر دو مقاومت سری بسته شوند جریان عبوری در همه آنها یکی است. 6-اگر دو مقاومت سری بسته شوند ولتاژ کل برابر جمع ولتاژ روی هردوی آنها است. 7-سد پتانسیل یک دیود باعث میشود که تا ولتاژ بایاس آن دیود برابر با مقدار ولتاژ سد نشده دیود در حالت خاموش باشد. دیود (غیر از زنر)در حالت بایاس معکوس خاموش است 8-یک خازن در جریان DC مانند یک کلید باز بعد از پرشدن عمل می کند و... دیدید که همه قوانین را بارها دیده اید و ساده اند. خوب حالا باید انتخاب کنید که می خواهید چه چیزی رو بدست آورید. فرض می کنم که شما می خواهید ولتاژ روی دیود اولی رو به دست بیاورید. برای این کار لازم است یا از ولت سنج استفاده کنید و یا بر طبق این سخن که همیشه گفته می شود ولتاژ دیود ژرمانیوم3. ولت است و سلیکونی 7. است عمل کنید اگه دیود شما جزو این دو نوع است. البته به یاد داشته باشید که در این تحلیل از تخمین ها باید کمک بگییرید حال شاید شما بخواهید بدانید ولتاژ روی خازن 220 میکرویی ما چقدر است.خوب کاری نداره مگه ما به ورودی هفت ولت اعمال نکرده ایم.مگه روی دیود اولی (به فرض سلیکونی بودن دیود)7. ولت افت نکرده.پس ولتاژ رو در اینجا برابر 6.3 میگیریم. حلا می رسیم به یکی از حساس ترین جاهای این مدار.در اینچنین جاهایی است که تامل کار ساز است. خط مثبت ما که تا حال یکی شاخه بوده تبدیل به چند شاخه می شود. یک برای دیود سبز رنگ می رود،دیگری برای مقاومت 380کیلویی،یکی برای امیتر ترانزیستور ما ،یکی هم

به مقاومت 10 اهمی و دیگری به دیود شیشه ای.

در اینجا ما برای تحلیل از یک قانون ساده استفاده می کنیم.اون هم این است که اگر چند مقاومت موازی با هم ببندیم ولتاژ دوسر همه آنها یکی است.پس اگر ما ولتاژ سر بالایی هر کدام از این چند قطعه را که نام بردیم با زمین بسنجیم برابر ولتاژ دیگری است.(نکته مهم اینجا است که ما در این شیوه ولتاژ خطی را می سنجیم که اون قطعه در اول اون واقع شده و نه ولتاژ آن را. خوب از سمت چپ شروع می کنیم.یعنی از دیود شیشه ای.بیایید و فعلاً چون بیشتر با دیود یکسوساز بیشتر آشنا هستید فرض کنید یک دیود سیلیکونی است و نه یک دیود شیشه ای. یک دیود سیلیکونی تقریباً ولتاژ سدی برابر 7. ولت دارد و تا این ولتاژ تامین نشود این دیود در حالت خاموشی بسر می برد.البته ما یک مقاومت 10 اهمی هم با اون موازی کرده ایم .ولتاژ دو سر این مقاومت طبق همین قانون یکسانی ولتاژ دو خط موازی برابر با ولتاژ دیود ما است. حالا به نظر شما ولتاژ خروجی چقدر است. اگر نگاهی کنیم به مدار می بینیم که منفی مستقیم به خروجی رفته و این مثبت هست که مستقیم به خروجی نرفته و در سر راه خود به مقاومت و خازن و دیود برخورد می کند.و در سر راه بر روی هر یک از این قطعات افت هایی صورت میگیرد. حالا این حلقه که از ورودی آغاز می شود و به خروجی می رود را در نظر میگیریم. میبینیم که خط مثبت ما نخست از یک دیود سیلیکونی می گذرد و بعد به یک دیود و مقاومت موازی شده وارد می شود(خازن را به دلیل حکم قطع داشتن در جریانات دی سی از محاسبات کنار گذاشته ایم)و به خروجی می رسد. اما میبینیم که حلقه ولتاژ ما درست نمی شود ، چرا که منفی به مثبت وصل نشده.ما نمی توانیم در محاسبات محل خروجی را مانند اتصال کوتاه به حساب بیاوریم ،چرا که هر مصرف کننده ای که وصل شود به خروجی ما مقاومتی دارد. حالا فرض کنید که مقاومت بار ما(امپدانس (کل مقاومت) مصرف کننده 10 اهم است. حالا بهتر شد.اکنون داریم که خط مثبت بعد از اون دیود و مقاومت موازی شده به یک مقاومت10 اهم وارد شده و بعد به منفی وصل می شود و بعد به منبع.حالا یه مشکل دیگر هم داریم.از اون طرف خط مثبت به منبع وصل میشه و از طرف دیگه خط منفی و هیچ کدوم به هم وصل نیستند.و یه حلقه کامل درست نشد.همان طوری که بارها شنیده اید هر منبع دارای مقاومتی است و این مقاومت باعث می شود که همه جریان یک دفعه به خروجی نرود در هنگام اتصال کوتاه.فکر کنید که یک منبع این مقاومت رو نداشت.یک باتری یک ولتی که اتصال کوتاه می شد تمام جریان در یک آن خالی می شد (تمام الکترون ها در یک لحضه کوتاه از قطب منفی به قطب مثبت می رفت)یک شوک بزرگ،این شک چه کاریس که نمی تونست بکنه؟! حالا به جای مقاومت منبع یک مقاومت فرضی قرار بدهید .من 6 اهم را در نظر می گیرم. حالا حلقه ما کامل شد.

حالا کا راحت تر شد.ولتاژ ورودی ما 7 ولت بود که این همون ولتاژ منبع در مدار است.اگه یه کم توجه کنیم متوجه میشویم که این همون ولتاژ دو سر مقاومت شش اهمی منبع است.

چون ما ولتاژ دوسر مقاومت هفت ولتی منبع را به مدار وصل کرده ایم،لازم نیست در محاسبات از مقدار این مقاومت استفاده کرد فعلاً.چون ما ولتاژ دوسر این را یک منبع می گیریم.بیان این مقاومت دزر شکل تنها برای گویاتر نشان دادن چرخه است.ما دو دیود در این چرخه داریم که دو افت 7. ولتی را در مدار باعث می شوند.افت این دو را از ولتاژ منبع کم می کنیم.

7V-1.4V=5.6V

این افتی است که ما روی مقاومت 10 اهمی بار داریم.


5.6V/10Ω=560mA

این جریانی است که به بار می رسد.نکته مهم این است که مسلماً افتی که روی دیود ها و مقاومتی که با دیود موازی بسته شده شما را به اشتباه خواهد انداخت.به یاد داشته باشید که مقاومت 10 اهمی موازی برای این داری افت 7. ولتی است که با دیود موازی بسته شده و اگر ولتاژ مدار به اندازه ای باشد که افتی که روی دیود ما انجام می شد کمتر از سد پتانسیل دیود باشد،دیود در حالت خاموش می ماند؛درنتیجه این مقاومت موازی شده با آن است که در چرخه به تنهایی فعال است.اگر ولتاژ به حدی برسد که افتی که می تواند روی دیود صورت بگیرد بیشتر از سد پتانسیل باشد یا مساوی آن،افت روی دیود در همان حد سد پتانسیل می ماند و افزوده نمی شود(تقریباً).این یعنی حتی مقاومت موازیش هم مجبور به تبعیت است.چرا که ولتاژ دو قطعه موازی مساوی است.همیشه در چنین جاهایی حواستان را جمع کنید که به اشتباه نیفتید.(البته باز تکرار می کنم که مقاومت باتری که در حلقه بیان کردم تنها برای درک حلقه است و یک مقاومت فرضی به جای آن گذاشته ایم .البته ناگفته نماند که ما از ولتاز دوسر این مقاومت به عنوان یک منبع استفاده کرده ایم.پس برای محاسبه جریانی که می گذرد باید از مقدار مقاومت و افت قطعات دیگر استفاه کرد.

البته ما اگر بخواهیم امپدان حلقه (مقاومت کلی حلقه) را به دست بیاوریم به این مقاومت هم نیاز داریم در محاسبات.اگر هم ما به ولتاژ بدون بار منبع دسترسی داشتیم ولی ولتاژ منبع با بار را نداشتیم هم می توانیم از این مقاومت جایگزین منبع در حلقه رسم شده استفاده کنیم تا ولتاژ با بار روی مقاومت مبع را که به مدار اعمال می شود را به دست بیاوریم

حالا فرض می کنیم ما بار را از منبع جدا کرده ایم(برای این کار تنها لازم است که در یک نقطه از حلقه کلیدی را در حالت باز قرار دهیم و یا یکی از المان ها را که المانی موازی آن نیست را از مدار جدا کرده تا حلقه ناقص باشد.).درنتیجه تمام ولتاژ منبع خود را روی دو نقطه قطع اتصال نشان می دهد.البته در دو سر منبع هم می شود این ولتاژ را مشاهده کرد(فرض کنید یک حلقه بیشتر به منبع وصل نیست).ما با ولت سنج اگر ولتاژ دو سر منبع را بسنجیم ولتاژ بدون بار منبع را داریم.(در شکل هشت ولت را قرار داده ام که یک مقدار فرضی است).البته بیان این موضوع هرچند فرعی بود اما به درک مطلب هم کمک شایانی می کند.


حالا به تحلیل بخش دیگری از مدار می پردازیم.البته باز باید دست به ترسیم حلقه ای دیگر بزنیم تا بتوانیم مدار را تحلیل کنیم.

البته دیگر نیازی نیست که در اینجا از مقاومت منبع و غیره بحث کنم.برای اینکه توضیحات لازم قبلاً داده شده و این توضیحات تنها برای آگاهی بیشتر شما بود.اکنون به جای ولتاژ دو سر خازن که شش و سه دهم ولت است و به حلقه دومی ما اعمال می شود یک علامت منبع قرار می دهیم.البته اگه خودتان خواستید می توانیید مقاومتی به جای این علامت قرار دهید برای درک حلقه.

همانگونه که میبینید در این حلقه ولتاژی شش و سه دهم ولتی را داریم(طبق قانون سد پتانسیل دیود ،مانند کلید باز بودن خازن در جریانات AC و برابری ولتاژ دو خط موازی .)

همانگونه که میبینید منفی ما توسط یک مقاوت یک کیلویی به حلقه وصل می شود.چون روال کار این است که از مثبت برای تحلیل شروع کرد ما هم این کار را می کنیم.البته اگه خودتان خواستید از منفی شروع کنید.

خط مثبت ما سه شاخه می شود .یه شاخه از آن به امیتر ترانزیستور می رود و شاخه ای دیگر توسط مقاومتی 380 کیلویی به بیس ترانزیستور و کلکتور و آن گاه به ال ای دی قرمز رنگ و آنگاه به منفی منبع می رود.

اگر درست نگاه کنیم می بینیم که در اصل این دو حلقه است و حلقه ای سومی هم در کنار آنها است .پس به اجبار باید سه حلقه را ترسیم کنیم و نه یک حلقه را.حالا به دو حلقه زیر نگاه کنید.


اگر درست نگاه کنید خواهید دید که یک حلقه کامل است و حلقه ای دیگر خیر.در اصل بیس ترانزیستور ما بایاس معکوس شده و در خاموشی به سر می برد و منبع ما قادر به روشن کردن آن نیست و این حلقه تکمیل شده نیست.پس به دلیل خاموش بودن ترانزیستور از تحلیل این حلقه ناقص خوداری می کنیم چون کار بیهوده ای است .کار ما تنها زمانی ارزش داشت که این ترانزیستور کار می کرد یا می توانست کار کند.اما در آرایش حاضر هیچ کاری نمی تواند انجام بدهد.

پس حلقه دیگر را تحلیل می کنیم.این حلقه اینگونه است که جریان بعد از گذر از ال ای دی سبز به یک مقاومت یک کیلویی وارد می شود و بعد از خروج از مقاومت به منبع برمی گردد.پس ما دو افت در اینجا داریم که جمع آنها برابر ولتاژ منبع حلقه است.یک افت بر مقاومت یک کیلویی است و افت دیگر ما بر ال ای دس سبز است.اگر ما افت یکی را داشته باشیم می توانیم افت دیگری را هم با کمک قانون صفر بودن حاصل جمع تمام افت های در یک حلقه به دست بیاوریم.به فرض اگر افت ما روی ال ای دی دو ولت باشد ،چون منبع ما شش و سه دهم است پس برای مقدار افت روی مقاومت یک کیلویی داریم شش و سه دهم منهای دو ؛که نتیجه می شود چهار و سه دهم.پس ما بر مقاومتی یک کیلویی چهار و سه دهم ولت افت داریم اگر ولتاژ منبع حلقه ما شش و سه دهم ولت باشد و افت روی ال ای دی ما دو ولت باشد.پس ما حتماً باید افت یکی را داشته باشیم تا بتوانیم جریان گذرنده از مدار و افت قطعه دیگر را داشته باشیم.

نکته مهم دیگر را که می توان گفت این است که اگر ما در یک حلقه افت هیچ قطعه ای را نداشتیم باید چه کرد.ما در اینجا می توانیم اگر مقدار مقاومت تمام قطعات در حلقه را داشته باشیم ،این مقدار ها را با هم جمع کنیم تا به مقاومت کلی حلقه دست پیدا کنیم(به این مقاومت کلی می توانیم امپدانس هم بگوییم).بعد از به دست آوردن مقاومت کل حلقه،تمام حلقه را یک مقاومت فرض می کنیم که به دو سر یک منبع متصل شده .پس ما در این حالت یک مقاومت داریم و یک افت بر روی مقاومت.حال با تقسیم ولتاژ بر مقداراین مقاومت می توان به جریان گذرنده از هر نقطه حلقه دست پیدا کرد.حال بعد از به دست آوردن جریان درون حلقه می توان با ضرب این جریان در مقدار مقاومت هر قطعه مقدار افتی که بر روی آن قطعه را داریم به دست آوریم.

حال به مدار زیر نگاهی بیندازید که تا اندازه ای شبیه به این مدار که تاکنون در ذکر خیرش بودیم است.

مدار تقویت کننده صوت

تاثير ميدان مغناطيسي بر روي سوخت

تاثير ميدان مغناطيسي بر روي سوخت

ساده ترين هيدروكربن شناخته شده متان CH4 است که  بيش از 90% سوخت گاز طبيعي راتشكيل مي دهد و منبع مهم ئيدروژن مي باشد . مولكول آن شامل يك اتم كربن و چهار اتم ئيدروژن است . مولكول مزبور از نظر الكتريكي خنثي مي باشد .
در ئيدروكربنها از نقطه نظر انرژي بيشينه ي مقدار انرژي قابل حصول در اتم ئيدروژن قرار گرفته است، اما چرا؟
اين مطلب را مي توان با ذكر مثالي مشخص نمود. در مولكول اكتان (C8H18) كربن 84.2% كل مولكول را به خود اختصاص داده است . وقتي اين مولكول به احتراق در مي آيد به ازاء هر پوند كربن   BTU12244 گرما توليد مي گردد، در حاليكه در همين مولكول 15.8% به ئيدروژن اختصاص دارد اما انرژي كه از سوختن ئيدروژن بدست مي آيد ،BTU9801 است. ئيدروژن اصلي ترين و سبك ترين عنصري است كه تا كنون بوسيله بشر شناخته شده است. ئيدروژن تشكيل دهنده بخش اصلي سوختهاي ئيدروكربني است . (علاوه بر كربن مقدار كمي سولفور وگازهاي بي اثر نيز توليد مي گردد). ئيدروژن از نظر الكتريكي داراي يك بخش مثبت (پروتون) ويك بخش منفي (الكترون) مي باشد. يعني گشتاور دوقطبي دارد. از طرفي هم ديا مغناطيس وهم پارا مغناطيس است كه وابسته به جهت نسبي اسپين است . اگرچه ساده ترين عنصر در بين همه عناصر مي باشد ولي مولكول آن به صورت دو ايزومر متفاوت يعني پارا و اورتو ظاهر مي گردد. جهت اسپيني، تعيين كننده اورتو يا پارا بودن مولكول است.  بنابراين در مولكول ئيدروژن پارا كه عدد كوانتمي زوج را اشغال مي نمايد حالت اسپين يك اتم نسبت به ديگري موازي است . به عبارت ديگر يكي در جهت عقربه ساعت و ديگر در جهت خلاف آن مي باشد. در اين حالت مولكول ديا مغناطيس است .

در وضعيت اورتو مولكول عدد كوانتمي فرد يا سطوح انرژي فرد را اشغال مي نمايد به عبارت ديگر اسپين¬ها در اتمها موازي هستند0 (هر دو بالا يا در جهت عقربه ساعت ) . در اين حالت مولكول پارا مغناطيس است و كاتاليست مناسبي براي بسياري از واكنشها است ، بنابراين جهت اسپين اثر مشخصي بر روي خواص فيزيكي دارد(گرماي ويژه ،فشار بخار) و در رفتار مولكولي گازها نيز موثر است .
در زماني كه اسپين ها در يك جهت قرار مي گيرند اورتوهيدروژن به مقدار زيادي ناپايدار مي شود . اورتوئيدروژن بسيار فعالتر از همتاي پاراهيدروژن خود مي باشد. سوخت هيدروژني مايعي كه در موتورهاي شاتل فضايي و راكتهاي فضايي ذخيره مي شوند به دلايل ايمني مانند انرژي كمتر فراريت كمتر و ميل به واكنش كمتر بصورت پاراهيدروژن مي باشند .
در صورتيكه طي زمان استارت شاتل ، شكل هيدروژن اورتو سودمند اس زيرا فرايند احتراق را تشديد مي نمايد. براي تبديل مطمئن پارا به اورتو لازم است انرژي برهمكنش بين حالت اسپيني مولكول H2 تغيير نمايد .
در دماي 20 (دماي اتاق) 75% ئيدروژن در حالت پارا است . زمانيكه دماي ئيدرژن به -235C(ئيدروژن مايع) مي رسد99% ئيدروژن در حالت اورتو است و بسيار فعال و ناپايدار مي باشد به عبارت ديگر بشدت قابليت احتراق دارد . معلوم است نگهداري ئيدروژن در دماي پائين كه راندمان احتراق نيز افزايش يافته است، عملي نمي باشد. در دهه1950 دانشمندان سوخت موشك در آمريكا مانند  Simon Roskin در مي يابند. كه ئيدروژن پارا مي تواند به ئيدروژن اورتو تبديل شود. اين عمل بايد تحت ميدان مغناطيسي انجام گيرد يعني با كاربرد مناسب ميدان مغناطيسي حالت اسپيني مولكول ئيدروژن تغيير مي نمايد. افزايش بزرگ در انرژي اتم و واكنش پذيري كلي سوخت معنايش بهبود راندمان احتراق خواهد بود. موضوع عقيده Ruskin به صورت Patent ثبت شده است . توجه داشته باشيد تحتU.S.C35 بخش 101 هرPatent كاربردي بايد از نظر علمي و قابليت عملي اثبات شود تا مجوز انتشار دريافت نمايد.اكنون در مورد سوخت خودرو نيز همان اصول مورد استفاده قرار گرفته و همان اثر به وسيله تبديل اتم ئيدروژن پارا به اورتو مشاهده گرديده است

اثر ميدان مغناطيسي
 
 یک ميدان مغناطيسي به اندازهء كافي قوي مي تواند مولكول ئيدروكربن را از حالت پارا به حالت با سطح انرژي بالاتر از اورتو تغيير دهد. اثر تغيير اسپين مولكول هاي سوخت مي تواند از نظر اپتيكي بررسي شود . اساس آن بر عبور نور مرئي از ميان سوخت مايع و سیال استوار است . اين روش به وسيله دانشمندان با استفاده از دوربينهاي مادون قرمز اثبات گرديده است .
تبديل ئيدروژن به هيدروژن اورتو در يك ميدان مغناطيسي يكنواخت و به اندازه كافي شديد رخ مي دهد. در اين حالت هم زمان با اعمال ميدان، تبديل سيستم متقارن پارائيدروژن به پادمتقارن اورتوئيدروژن خواهيم داشت، نتيجهء اين عمل افزايش ميل به واكنش و افزايش قابليت كاتاليستي است . امروز مشخص شده است كه اين تبديل از نظر تكنولوژيكي امتيازات زيادي دارد. خصوصا وقتي از ئيدروژن به عنوان كاتاليست استفاده مي شود ومثلاً در پالايش روغن ، فرايندهاي متالوژيكي، ئيدروژناسيون كربن و برخي ئيدروكربنها، چربيها، پلي مريزاسيون پلاستيك و الاستومرها همچنين در مهندسي محيط زيست مانند تصفيه پساب ها رسوبات ، لجن ها و غيره . ئيدروكربنها اساسا"ساختمان قفسي شكل دارند (cagelike ) . به دليل وجود همين نوع ساختمان است كه اكسيداسيون اتمهاي كربن داخل ساختمان طي فرايند احتراق سبب مي گردد فرايند مذكور بطور ناقص انجام شود. آنها ب صورت گروههايي از تركيبات حلقوي پيوند مي خورند. چنين گروههايي چند خوشه ها را تشكيل مي دهند و مسير اكسيژن هوا به داخل گروههاي مولكولي بسته است. توجه داشته باشيد با آمدن هوا از ميني فولد در مخلوط سوخت اتفاقي رخ نمي دهد .

به منظور احتراق سوخت استفاده از اكسيژن هوا به عنوان ماده اكسيدكننده لازم است . به عنوان مثال براي آنكه    1kgگازوئيل كاملاً بسوزد  5kg هوا لازم است. در اگزوز پس از عمل احتراق بايـد دي اكسيدكربن ، آب ونيتروژن هوا وجود داشته باشد اما در عمل در خروجي اگزوز گازهاي زير وجود دارند:
O2 ،NO2 ،HC ،H2 ،CO طي سالهاي متمادي طراحان موتورهاي درون سوز هدف مشتركي را دنبال مي كردند و آن عبارت بود از مبارزه عليه اثر چند خوشه اي هاي (cluster) مولكول سوخت ئيدروكربني و بهبود فرايند احتراق .مشكل اصلي در طراحي موتور به نحوي كه محيط زيست را آلوده ننمايد اين است كه براي سوختن همه ئيدروكربنها در اتاقك احتراق در حين عمليات احتراق دماي درون سيلندر بايد افزايش يابد. موتورهاي قديمي مقادير بسيار زيـادي هيدروكربنهاي نسوخته و CO را توليد مي نمودند ، همچنين مقدار كمتري از اكسيدهاي نيتروژن نيز توليد مي گرديد. با تجديد نظرهاي به عمل آمده در نسبتهاي تراكم و افزايش كارايي موتور، حركت به سمت توليد آلاينده هايي شامل سموم نيتروژني افزايش يافته است .
در موتورهاي توربو شار نسبت هاي تراكمي را تغيير داده اند و به آن مشكل نيتروژن اضافه شده است. اما از طرف ديگر سيستمهاي تغذيه و اگزوز بهبودي يافته اند، سيستم الكترونيكي جرقه بسيار بهتر شده ، همچنين دستگاههاي اندازه گيري وتنظيم نسبت سوخت وهوا نتايج مثبت را در پي داشته اند و سرانجام مبدلهاي كاتاليستي موثر ساخته شده اند. اما عليرغم تمام اين بهبوديها خروجي اگزوزها هنوز كاملا تميز نشده اند و به صورت گاز CO خارج مي شوند و بقيه گازهاي آلوده كننده هوا نيز به صورت HC وNO2 منتشر مي شوند و يا روي ديوار داخلي سيلندر موتور به صورت باقيمانده كربني سياه رسوب مي نمايند، همه ي اينها نشان از احتراق ناقص خودرو است .
-دلايل اين موضوع عبارتند از :
1. شكل هيدروكربنها چند خوشه اي cluster است،گروههاي مولكولي بسته . بنابراين درون آنها از مقدار هواي مناسب محروم است و فقدان اكسيژن سبب عدم احتراق كامل نمي گردد .
توجه: تمايل مولكولهاي هيدروكربن به چندخوشه اي سبب مي گردد گروههاي زيادي از آنها به لوله ها ونازلهاي سوخت بچسبند. در اين شرايط هواي اضافه در مخلوط سوخت جهت احتراق بهتر تهيه نخواهد شد. بنابراين در اگزوز HC ،CO نسوخته و دود خواهيم داشت .
2. اكسيژن با ظرفيت O2- از نظر الكتروني منفي است ، ئيدروكربنها ساختار مولكولي خنثي دارند، كه پس از عبور از ميان لوله هاي سوخت فولادي بطور سطحي باردار مي شوند. اين بار سطحي نيز منفي است . بنابراين وقتي اين دو اتم با پتانسيل يكسان به سمت يكديگر در اتاقك احتراق مي آيند، همديگر را دفع نموده و نتيجه آن احتراق ناقص است. پس همه تحقيقات اساسي روي افزايش واكنش پذيري سوخت با اكسيژن متمركز شده است. توجه داشته باشيد افزايش اكسيداسيون مترادف با افزايش احتراق مفيد است .

 

مزاياي مبدلهاي مغناطيسي :

 1-  در مبدلهاي مغناطيسي مقدار مسافت طي شده با مقدار سوخت معين افزايش مي يابد و راندمان موتور نيز زياد مي گردد .

2- تاثير مبدلهاي مغناطيسي پس از شش تا هفت كيلومتر يعني تخليه سوخت موجود در كاربراتور يا انژكتور به سرعت نمايان مي شود .

3- مغناطيس كننده را مي توان به سادگي نصب نمود و آن را باز كرده و به خودرو ديگري منتقل نمائيم .
4- هزينه مبدلهاي مغناطيسي با صرفه جويي انجام شده در دو يا سه باك تامين مي گردد و اين بسيار كمتر از ساير انواع مبدلهاست .

5- دستگاه مغناطيس كننده مي تواند به خوبي كار نموده و با همه انواع سوخت ها نتايج مطلوب ارئه نمايد. ( بنزين سوپر، بدون سرب، گازوئيل و CNGو (LPG

اكنون لازم است بحث را طي سه بخش خلاصه نمائيم :

الف: ئيدروكربنهاي نسوخته HC علاوه بر CO از سيستم اگزوز به بيرون منتشر مي شوند ، كه اين دو مي توانند به عنوان سوخت اضافي در نظر گرفته شوند، زيرا اگر شرايط صحيح برقرار شود HCوCO مي توانند در اتاقك احتراق به خوبي سوخته شوند و در شرايط احتراقي صحيح برقرار گردد .

ب : واكنش شيميايي-ئيدروژني بوسيله ظرفيت آن تعيين مي شود (الكترون لايه خارجي) كه تحت اثر ميدان مغناطيسي است. بكارگيري آهن رباي مناسب بهترين منبع كنترل موقعيت الكترون است .

ج : كاربرد ميدان مغناطيسي مناسب، تغييرات مفيدي در ساختار سوخت اجرا مي نمايد و واكنش پذيري بطوركلي در فرايند احتراق افزايش مي يابد .

با استفاده از ميدانهاي مغناطيسي تمام بخشهاي الف، ب، و ج رعايت شده و به وقوع مي پيوندد. اكنون به توضيح هر يك از بخشها مي پردازيم :

الف : وقتي ئيدروكربن سوختني (مانند مولكول متانول) مي سوزد ، اولين مرحله اكسيداسيون مربوط به اتمهاي ئيدروژن است. پس از آن اتمهاي كربن مي سوزند ( CH4+2O2→CO2+2H2O ) .سوخت ئيدروژني در زمان كمتر و با سرعت بيشتري در اتاقك احتراق مي سوزد .
در شرايط معمول برخي از كربنها بطور جزئي اكسيداسيون مي گردند در اين حالت مسئوليت سوخت ناقص به عهده آنها است. توجه داشته باشيد اكسيژن به سرعت با ئيدروژن تركيب مي شود، اما واكنش كربن- اكسيژن انرژي كمتر دارد .
اتم اكسيژن هميشه ظرفيت 2- دارد . ظرفيت كربن مي تواند مثبت يا منفي باشد، كه ناشي از چهار الكترون لايه بيروني آن است. لايه بيروني با 8 الكترون كاملا پر مي شود . بالاترين راندمان با استفاده از دستگاه مغناطيس كننده ايجاد مي گردد كه اثر آن افزايش ميزان گاز CO2 است، به علاوه همچنانكه آلودگي كمتر مي شود راندمان احتراق نيز افزايش مي يابد. افت در انتشار HC ، CO بسادگي بوسيله دستگاه هاي سنجش گاز مشخص (دياك) مي گردد. تقريباً بين 75% تا 92%كاهش در مقدارHC ، تا 99% كاهش در CO خواهيم داشت ، همچنين با كاهش مقدار HC مسافت طي شده بر ليتر مصرفي سوخت افزايش مي¬يابد. اين نتايج را مي توان از نظر علمي بررسي نمود، زيرا قابليت اندازه گيري كاهش خروج گاز از اگزوز را مي توان با دستگاههاي اندازه گيري انجام داد .
راندمان احتراق را نيز مي توان تعيين نمود. با استفاده از دستگاه مغناطيس كننده مسافت طي شده بر ليتر نيز 15% تا 25% افزايش مي يابد زيرا دستگاه مغناطيس كننده سوخت بوسيله افزايش راندمان احتراق ، سوخت را ذخيره مي نمايد. اصلاً بيشترين كاهش سوخت درگستره سرعت وگشتاور ماكزيموم رخ مي دهد ، زمانيكه بالاترين افزايش توان حدود10hp حاصل مي شود .

ب : اگر چه خواص اسپيني لايه خارجي الكترون واكنش پذيري سوخت را افزايش مي دهد . حالت اسپيني بالاتر مولكول ئيدروژن پتانسيل الكتريكي ، بالايي را در جذب اكسيژن از خودنشان ميدهد . پس بوسيله تغيير خواص اسپيني مولكول H2 مي توانيم گشتاور مغناطيسي آن را زياد نموده و واكنش پذيري سوخت كربني را افزايش دهيم تا فرآيند مربوطه اصلاح گردد . اساسا شكل ايزمريك ئيدروكربن را از حالت پارا به حلت با انرژي بالاتر اورتو تغيير ميدهد . در چنين حالتي اكسيژن اضافي كاهش مي يابد . حالت اورتو فرار نيز است . علاوه بر اينها ساختمان سوخت و خواصي نظير هدايت الكتريكي ، چگالي و ويسكوزتيه تغيير مي يابد و ساختار ريز يكنواخت تر مفيدي خواهيم داشت

ج : مولكولهاي ئيدروكربن خوشه اي شكل هستند، از نظر تكنيكي اهميت كشف وانداروالس بخاط كاربرد ميدان مغناطيسي با قدرت بالا را افزايش مي دهد ، زيرا تحت چنين ميدانهايي پيوندH-C سست كـرده آنهـا به حـالت چنـد خوشه اي در مي آيند .
در اين حالت آنها بهنجار شده و مستقل از يكديگر و از هم نيز فاصله مي گيرند . در چنين حـالتي سطح بزرگتري براي جذب اكسيژن دارند . با يك مثال مشابه سعي مي كنيم تصور ذهنـي بهتر از عمليات ارائه دهيم . سوزاندن گرد زغـال و بريكت زغال را در نظر بگيريد در آنجا نيز هدف افزايش راندمان فرايند احتراق است . در آن شرايط بايد مولكولها دسترسي بيشتري به اكسيژن داشته باشند . بنابراين با انرژي دار نمودن سوخت و اكسيداسيون راندمان احتراق افزايش مي يابد . سوخت فعال و ديناميك شده و فرايند احتراق سريعتر و كاملتر ميگردد . اين مولكولهاي هيدروكربني جديد كه تحت ميدان مغناطيسي قرارگرفته اند مشخصات مهم ديگري نيز دارند از جمله carabon varnish را در اتاقك احتراق كاهش مي دهند . همچنين اين ماده را از روي سطح نازلها و شمعهاي لوله اگزوز حذف مي نمايد . همچنين اجازه تشكيل رسوبات جديد و مضر را نمي دهند ، بعلاوه دستگاه مغناطيس كننده ( يا تقويت كننده ) راندمان كاربراتور يا انژكتور را تضمين نموده و سبب ميگردد عمل استارت خودرو   بهتر صورت پذيرد ، همچنين ديناميك رانش بطور قابل ملاحظه اي بهتر مي گردد، قدرت گشتاور، ميل لنگ نيز بهتر مي گردد .

تاريخچه ي استفاده از مگنت در صنعت و سوخت
 
تاريخچه تحقيقات علمي در مورد اثر ميدان مغناطيسي بر روي حركت مایعات و گازهای سوختنی به سال 1831 بر مي گردد و بر روي آزمايشاتي كه توسط مايكل فارادي و جيمز ماكسول انجام داده اند متمركز مي شود. مايكل فارادي در يافته بود آبي كه از نزديكي يك ماده هادي عبور كند بار الكتريكي ضعيفي را توليد مي نمايد .
اولين مدرك مربوط به دستگاه بهبود دهنده مشخصه آب كه از ميدان هاي مغناطيسي به صورت آهنربا هاي صلب استفاده مي نمايد توسط دو نفر به نامهاي فرانس و كابل در سال 1890 در آلمان ثبت شده است. در همان زمان فيزيكدان آلماني به نام واندر والس ثابت كرد كه هيدروكربنها داراي ساختمان قفسي شكل (cagelike) هستند كه وقتي با كربن تركيب مي شوند تشكيل تركيبات حلقوي مي دهند. نيروهاي جاذبه و دافعه متقابل كه نزديك يكديگر باقي مانده اند. وقتي تحت اثر ميدان مغناطيسي قرار گيرند  decluster شده و  سپس به همراه اكسيژن اضافي به يكديگر مي پيوندند، كه نتيجه آن افزايش در راندمان و احتراق است، مشخص شد انقباض گازها يا بهم پيوستگي مولكول هاي آب ناشي از اين مطلب مي باشد. در سال 1910 واندر والس جايزه نوبل اين كشف را دريافت مي كند . اما مشكل ايجاد ميدانهاي مغناطيسي به اندازه كافي بزرگ بود، كه كاربرد تجاري آن رابه تعويق انداخت . تئوري او كه عبارتست از امكان شكست مولكول هاي هيدروكربن تحت اثر ميدان مغناطيسي قوي و متمركز تنها در سال 1980 مورد مشاهده قرار گرفت و تثبيت گرديد، كه كاربرد عملي آن را مي توان امروز در دستگاه هاي مغناطيسي كه در مسير شارها قرار داده مي شوند مشاهده نمود. تحقيقات در زمينه توسعه تقويت كننده هاي سوخت مربوط به زمان جنگ جهاني دوم است. در آن زمان بخشي از متخصصان راهبرد در تسحيلات جنگي از صنايع آلمان و صنايع هوائي بر ر هواپيماهاي جنگي مستر اشميت متمركز شده بودند . اين هواپيما مشكل جدي در خصوص حذف دودهاي سبك مربوط به گازهاي خروج اگزوز موتر داشت كه از آن خارج مي گرديد و هواپيماي مذكور توسط ديده بانان از مسافتهاي دور تشخيص داده مي شد . به عنوان يك راه حل متخصصان دستگاه تقويت مغناطيسي را طراحي كردند (تقويت كننده سوخت جت). اين دستگاه از سراميكهاي مقاوم در برابر حرارت با يك حفره براي عبور سوخت، از ميان آن كه حول آن نيز ميدان مغناطيسي قرار داشت تشكيل مي شد .

آهنرباها به صورت ميله در اطراف مسير عبور سوخت قرار مي گرفتند. بر اساس آزمايشات بسيار زياد ، شكل ميدان مغناطيسي كه مؤثر بر كاهش اثر گازهاي خروجي است شناخته گرديد همچنين كاهش در ميزان مصرف سوخت كه در همان زمان نيز مورد توجه بود مشاهده شد . اولين مرتبه استفاده هاي غير نظامي در سال1941 در اروپا و توسطVermeiren مهندس بلژيكي انجام گرفت. در آمريكا نيز از زمانهاي قديم ناخداهاي كشتي هاي ماهيگيري خليج مورو در كاليفرنيا از از آهن رباهاي نعلي شكل در مسير سوخت استفاده مي نموده اند .
آنها ادعا مي كردند آهنربا سبب كاهش مصرف سوخت در موتورهايشان شده و روشن شده آن بهتر گرديده و راضي هستند. در آمريكا استفاده هاي تجاري از آهنربا براي قراردادن در مسير سوحت از سال 1950 توسط Deen Moody آغاز گرديد. در سال 1954 شكايتي توسط FTC عليه سازنده دستگاه هاي مغناطيسي مبني بر عدم كارايي اين وسايل صورت مي پذيرد و بر اساس حكم دادگاه توليد آنها ممنوع شد. در سال 1961 دادگاه فدرال تصميمي عليهFTC مبني بر اين كه مشخص گرديد تنها 3 درصد از 10000 دستگاه فروخته شده مناسب كار نمي كنند و حكم ممنوعيت را لغو مي نمايد .
كساني كه در تاريخ معاصر ، دستگاههاي تصفيه مغناطيسي مشاركت داشته اند عبارتند از : 60 Subruro Miyatamoriya  و  Roland Carpenter و  Peter Kulisah 

تاريخچه تحقيقات در ايران:
طي بررسيهاي به عمل آمده گر چه افرادي هر چند معروف نسبت به كار روي كاهش مصرف سوخت بوسيله ي مگنت ها، متحمل زحمت هايي شدند ولي بعلت قيمت پايين سوخت و عدم حمايت دولت، تا كنون هيچ تحقيق جامعي در خصوص بكارگيري ميدانهاي مغناطيسي بر روي سوختهاي هيدروكربني بعمل نيامده است و شايد بتوان اظهار نمود كه شرکت مهندسی نیکارو  تنها  شرکتی است كه تحقيقات و آزمايشاتي را در اين زمينه با مشاوره و کمک اساتید دانشگاههای معتبر کشور  انجام داده است و اولین نتایج قطعی را در سال 1379 به دست آورده است که منجر به  ارایه کیت کاهش مصرف سوخت در سال 1379  - و اختراع  پوشش های مغناطیسی فیلترهای صنعتی در سال 1380 (دارای تاییدیه از کاترپیلار  و مدال طلایی از نمایشگاه سویس) و اختراع  انواع گونیاهای مغناطیسی در سال 1383 و اختراع سیستم جرقه  اظطراری مغناطیسی در سال 1384 گردیده است .  اکنون نیز یکی از پروژه های اصلی این شرکت  جهت کاهش سوخت صنایع سنگین فولاد سازی با استفاده از مغناطیس میباشد.   در طراحي يك مبدل مغناطيسي اصول بسياري است كه بايد مورد توجه قرار گيرد از جمله شدت ميدان ، شكل ميدان كه این شركت بخاطر نوع فعاليت خود كه در زمينه سوخت خودرو و مواد مغناطيسي است توانسته در اين خصوص پيشرفتهايي داشته باشد .   افتخار شرکت مهندسی نیکارو تامین و ساخت و طراحی  انواع آهنربا و ابزار آلات مغناطیسی و   سیستم های مغناطیسی مورد نیاز صنایع مختلف کشور در بیش از یک دهه گذشته میباشد .  این شرکت وظیفه  تامین آهنربا ی تولید کنندگان معتبر صنعتی کشور را طی بیش از ده سال به خوبی به انجام رسانیده است 

نمونه ايي از استفاده هاي مبدلهاي مغناطيسي در اروپا :

در اروپا نيز با گذاردن مبدلهاي مغناطيسي به جاي مبدلهاي كاتاليستي نتايج مطلوبي بدست آمده است ، آزمايشاتي بر روي خودرو اپل انجام گرفته است . در طي اين آزمايشات CO از 0.5 به 0.2 وHC از 100 به 70 كاهش يافت و مصرف خودرو كه به ازاء هر 100 km ، 15 ليتر بود به 11 ليتر كاهش پيدا كرد . تقريبا27% صرفه جويي در سوخت ايجاد گرديد .
فيات لهستان نيز اصلاحات مهمي را بر روي خودروهاي خود در مورد كاهش آلاينده ها انجام داده است.اين به خاطر استانداردهاي جاري ECE است ، كه تمامي كشورها را مقيد مي نمايد در اين زمينه بطور جدي گام بردارند. بر اساس آزمايشاتي كه با استفاده از دستگاه مغناطيس كننده بر روي فيات لهستان انجام گرفته نتايج مثبت وقابل قبول بدست آمده است. در اين خودرو HC از 160به 80 كاهش يافته است (طبق استاندارد ECEبايد HC كمتر از 100 باشد. ) 

امكان استفاده از مگنت ها در رادياتور خودرو  :
نكته قابل توجه: در اينجا لازم به ذكر است كه از دستگاه مغناطيس كننده مي توان براي سيستم خنك كننده خودرو نيز استفاده نمود ، زيرا آنها قادرند
ضمن كاهش ويسكوزيته ، كشش سطحي مايعات را كم نمايد در نتيجه خوردگي كاهش يافته و رسوبات حل مي شوند و سيستم خنك كننده مي تواند تا 100% توانايي انتقال حرارت را داشته باشد. در اين حالت عمر سيستم خنك كننده افزايش يافته و از سوراخ شدن آن جلو گيري بعمل مي آيد 

نتيجه گيري :
استفاده ار يك ميدان مغناطيسي در مسير ورودي سوخت خودرو باعث اتفاقات ذيل خواهد شد :

1-  با كاهش جاذبه واندروالسي ، جاذبه بين مولكولهاي ئيدروكربن كم شده و مولكولها به صورت مجزا قرار مي گيرند و جـهت تـماس و پيونـد بـا اكـسيـژن ، سطح تماس مضاعفي خـواهـد داشت كـه موجـب پيوند سريعتر اكسيژن با كربن وئيدروژن مي گردد .

2-  ميدان مغناطيسي موجب تبديل درصد بالايي از ئيدروژنهاي موجود درئيدروكربن از حالت پارا به اورتو ميگردد. بافعالتر شدن ئيدروژن موجود تمايل آن به اكسيداسيون شركـت در واكـنش بيشتر شده باعث افزايش سرعت احتراق مي گردد .

3-  پس از اتفاقات فوق H-Oو C-O اضافه نخواهيم داشت يعني از آنها(ئيدروكربن هاي نسوخته وكربن نسوخته) مي توان به عنوان سوخت اضافه سود برد . 4 - احتراق كامل كربن و هيدروژن موجب كاهش موجودي اكسيژن در مخزن احتراق مي گردد، كاهش حجم اكسيژن موجود باعث كاهش احتمال اكسيداسيون نيتروژن موجود گشته وبه صورت N2 ) بي ضرر ) وارد هوا خواهد شد

كولر خودرو

كولر خودرو

در عصر حاضر ديگر وجود كولر در اتومبيل به عنوان يك وسيله لوكس تلقي نمي‌شود بلكه كولر اتومبيل به عنوان ضرورتي مطرح مي‌گردد كه ضامن استفاده از اتومبيل توام با امنيت و آرامش خاطر است.
احتياجي به توضيح نيست كه هنگامي كه اتومبيل شما مجهز به كولر باشد، مي‌توانيد با اعصاب آرامتر و راحت‌تر به رانندگي بپردازيد. زيرا هرگز گرماي طاقت فرسا، گازهاي خطرناك، گرد و غبار و سر و صدا به داخل اتومبيل شما راه نخواهد يافت.
سيستم كولر اتومبيل در واقع از مجموعه قطعاتي تشكيل شده است كه پس از نصب برروي اتومبيل، براي فضاي داخل كابين توليد برودت دلخواه را مي‌نمايند.
كولر اتومبيل با كاهش حرارت و رطوبت داخل كابين به ما كمك مي‌نمايد تا رانندگي راحت تري داشته و در طول مسير از آرامش كافي برخوردار باشيم.

 

كمپرسور   كمپرسور دستگاه حركت دهنده گاز مبرد در كولر اتومبيل مي‌باشد. كمپرسور با گرداندن گاز در اجزاء سيستم در واقع شبيه به قلب مجموعه عمل مي‌نمايد. همچنين كمپرسور فشار و در نتيجه دماي گاز كم فشار خارج شده از اواپراتور را نيز افزايش مي‌دهد.
كمپرسور گاز مبرد را از اواپراتور به داخل كندانسور و سپس به كپسول خشك كننده و مجدداً به داخل اواپراتور سوق مي‌دهد.
كمپرسورهايي كه در سيستمهاي كولر اتومبيل به كار برده مي‌شوند، مي‌بايست داراي خواصي از قبيل وزن و حجم متناسب با قدرت موتور باشند تا هنگام نصب به راحتي در محل مورد نظر قابل جايگذاري بوده و بار اضافي بر موتور اتومبيل تحميل ننمايند.


كندانسور  كندانسور يكي از اجزائي است كه وظيفه تبادل حرارت را بر عهده دارد.
كندانسور گرماي جذب شده توسط اواپراتور از گاز مبرد داخل سيستم را به هواي محيط خارج از كابين اتومبيل انتقال مي‌دهد


كپسول خشك كننده  كپسول خشك كننده بعنوان منبع ذخيره گاز مبرد و جاذب رطوبت گاز عمل مي‌نمايد. معمولاً اين كپسول داراي يك سوئيچ ايمني مي‌باشد تا در مواقعي كه فشار گاز از حد تعريف شده كمتر يا بيشتر شود، به طور خودكار جريان برق كمپرسور را قطع ‌نمايد.
همچنين بر روي اين كپسول شيشه‌اي جهت رؤيت گاز وجود دارد. شيشه رؤيت به ما اين امكان را مي‌دهد تا بتوانيم گردش و ميزان گاز موجود در سيستم را كنترل نماييم.


شير انبساط   شير انبساط تعيين كننده ميزان صحيح گاز وارد شونده از كندانسور به داخل اواپراتور از طريق يك فيلتر است. همچنين اين قطعه فشار مبرد را بطور ناگهاني كاهش مي‌دهد. هنگامي ‌كه كمپرسور شروع به كار مي‌نمايد، شير انبساط باز شده و مبرد مايع با عبور از صافي مربوط به ورودي مايع پرفشار به گاز پر فشار تبديل مي‌گردد.
زماني كه اواپراتور ميزان بيشتري مبرد را طلب مي‌نمايد، شير انبساط اجازه مي‌دهد تا مبرد كم فشار مورد نياز به داخل كويل اواپراتور وارد گردد. شير انبساط برقرار كننده تعادل ميان بار گرما و خنك كنندگي بهينه اواپراتور مي‌باشد.


اواپراتور  يكي ديگر از قطعات اصلي سيستم كولر اتومبيل اواپراتور است.
اواپراتور مجموعه‌اي از قطعات است كه وظيفه كاهش گرماي هواي كابين اتومبيل را بر عهده دارد. يكي ديگر از وظايف مهم اين قطعه، جب رطوبت از هواي داخل كابين مي‌باشد.
جريان سريع هواي ايجا شده توسط فن الكتريكي با عبور از سطح كويل اواپراتور، برودت ايجاد شده توسط كويل را از طريق كانال‌ها و دريچه‌هاي هدايت هوا به داخل كابين اتومبيل انتقال مي‌دهد. عمل ايجاد برودت توسط كويل اواپراتور باعث تقطير رطوبت واي دال كابين گشته و قطرات آب ايجاد شده از طريق لوله مخصوصي به خارج از كابين اتومبيل منتقل مي‌گردد.
سيستم كولر اتومبيل داراي دو سوئيچ كنترلي است كه يكي از آنها زماني كه فشار گاز كم يا زياد باشد، كمپرسور را از مدار خارج نموده و ديگري از ايجاد يخ در داخل محفظه اواپراتور جلوگيري مي‌نمايد. عدم كاركرد مناسب هريك از اين دو سوئيچ مي‌تواند باعث از كار افتادن كل سيستم گردد

 

آشنایی با سنسورهای خودرو

 

 

آشنایی با سنسورهای خودرو و استپ موتور

سنسور سرعت خودرو  Vehicle Speed Sensor:

 

این سنسور با داشتن یک پایه خروجی میتواند بصورت پالس، اطلاعات مربوط به سرعت لحظه ای خودرو را به ECU   ارسال کند. محل قرارگیری این سنسور روی دیاق دیفرانسیل است. داخل این سنسور یک آهنربای دائم و یک سیم پیچ وجود دارد و با سیم کیلومتر در ارتباط است. نحوه عملکرد این سنسور بدین ترتیب است که با چرخش سیم کیلومتر، پالس هایی به ECU می فرستد. به کمک این پالس ها ECU سرعت خودرو را محاسبه میکند. لازم به ذکر است که درجه کیلومتر و سرعت سنج در پژو همچنان با سیم کیلومتر کار میکند.

 سنسور دور موتور Engine Speed Sensor :

 

این سنسور با داشتن دو پایه ارتباطی به ECU میتواند بصورت امواج سینوسی، اطلاعات مربوطه به دور لحظه ای موتور را به ECU ارسال کند. این سنسور که وظیفه بسیار مهمی را بازی می کند. انتهای این سنسور که دارای یک آهنربای دائم و یک سیم پیچ است با چرخ دنده های فلایویل دور موتور که کمی جلوتر از فلایویل اصلی موتور است چند میلیمتر فاصله دارد. این فلایویل میتوانست شامل 60 دنده منظم باشد که دو دندانه آن را برداشته اند. حین چرخش فلایویل هنگامی که محل دو دندانه پاک شده به سر انتهایی سنسور رسید ، دو پیستون هم کورس دقیقاً در نقطه مرگ بالا قرار دارند. 180 درجه پس از این ، دو پیستون هم کورس دیگر هم به نقطه مرگ بالا میرسند. نحوه عملکرد این سنسور بدین صورت است که با عبور هر دندانه از جلوی سنسور، یک پالس به ECU فرستاده میشود. هنگامی که دندانه های پاک شده به سر انتهایی سنسور رسید دیگر پالسی ارسال نشده و ECU  متوجه میشود که نقطه مرگ بالا فرا رسیده و باید دستور پاشش سوخت و جرقه زنی را صادر کند. دو دندانه پاک شده با احتساب 60 دندانه در 360 درجه، گستره 12 درجه را شامل میشوند. این بدین معناست که حداکثر آوانس استاتیکی دلکو 12 درجه میتواند باشد.

 

استپ موتور Idling Regulation Step Motor:

 

وظیفه اصلی این قطعه، روشن نگه داشتن خودرو در حالت دور آرام است. این قطعه وظیفه بسیار مهمتری نیز دارد. هنگامی که کولر را روشن میکنیم، کمپرسور بار خود را روی موتور وارد میکند. برای جبران آن، استپ موتور ژیگلور مربوطه را کمی به عقب تر می کشد. تا خود به خود گاز کمی زیاد شود. اگر سنسور ضربه نیز نصب شده بود استپ وظیفه گسترده تری داشت. در این حالت استپ موتور باید در هر لحظه سوزن ژیگلور مربوطه را طوری عقب و جلو می کرد تا ضربه حس شده توسط سنسور ضربه ، ناشی از احتراق ناقص سوخت، به گونه مناسبی جبران شده و یا بهبود یابد. استپ موتور کار ساسات را نیز انجام میدهد. در هنگامی که خودرو سرد است سوزن آن طوری تنظیم میشود که خودرو با اولین استارت روشن شود. کار دیگر استپ موتور، تنظیم هوای مورد مصرف سیلندرها در زمان رها کردن گاز است. در خودروهایی که فاقد این سیستم هستند با رها کردن گاز، تنظیم سوخت و هوا به علت بسته شدن دریچه گاز به هم میخورد و دیده میشود که به هنگام رها کردن گاز، خودرو به طور لحظه ای دود میکند. اما در این سیستم با وجود استپ موتور دیگر این مشکل وجود ندارد. محل قرارگیری استپ موتور ، روی هوزینگ هوای ورودی است.

 

سنسور موقعیت دریچه گازThrottle Potentiometer :

 این سنسور که در انتهای دریچه گاز قرار دارد با این دریچه کوپل شده است. این سنسور شامل یک پتانسیومتر ساده است که سر وسط آن با حرکت دریچه گاز ، می لغزد.

 سنسور فشار هوای ورودی Inlet Manifold Pressure Sensor (MAP Sensor):

 این سنسور که محل اصلی آن بر روی سینی فن است با یک شیلنگ به ابتدای دریچه هوای ورودی ارتباط دارد. و با هوای ورودی به این دریچه در تماس مستقیم است. این سنسور که از نوع پیزوالکتریک است در واقع یک پتانسیومتر ساده است که سر وسط آن با فشار هوا لغزیده، عقب و جلو رفته و کار میکند. نقش این سنسور از بعضی جهات بسیار مهم است. زیرا در شرایط مختلف فشار هوا(سطح دریا و یا کوهستان) متغیر خواهد بود. اگر این سنسور درست کار نکند ECU دیگر قادر نخواهد بود که میزان هوای ورودی را به درستی تعیین نماید.

 سنسور دمای هوای ورودی Inlet Air Termistor :

 سنسور دمای هوای  دارای ویژگی خاصی است که بر مبنای آن میتواند اطلاعات دمای هوای ورودی را به ECU برساند. این سنسور در ابتدای دریچه هوای ورودی قرار دارد و با هوای ورودی این دریچه در تماس مستقیم است. نقش این سنسور از بعضی جهات بسیار مهم است زیرا در شرایط مختلف دمایی، وزن هوای موجود در یک حجم بخصوص، ثابت نیست. در دمای پایین چگالی هوا افزایش یافته و در دمای بالا کاهش می یابد. پس اگر این سنسور درست کار نکند ECU دیگر قادر نخواهد بود که میزان هوای ورودی را به درستی تعیین نماید. گستره تغییرات مقاومت این سنسور حدود 150 اهم تا 4 کیلو اهم است.

 

گرمکن هوزینگ دریچه گاز Throttle Housing Heater Resistor :

 

این المنت گرم کننده که یک مقاومت حرارتی از نوع PTC است در هوزینگ هوای ورودی و در کنار دریچه گاز نصب شده است. و بلافاصله پس از باز کردن سوئیچ شروع به کار میکند. این المنت برای گرم نمودن نسبی دریچه گاز و جلوگیری از یخ زدگی این دریچه در روزهای سرد و مرطوب بکار رفته و نهایتاً باعث جلوگیری از یخ زدگی دریچه گاز و منافذ هوای دور آرام میشود. در ابتدا، جریان عبوری از المنت زیاد است اما با افزایش دما مقاومت این المنت افزایش یافته و جریان کمی از آن عبور میکند. اما قطع نمی شود. لذا همواره این دریچه و این مسیر گرم می ماند. اهم گرمکن هوزینگ دریچه گاز در دمای معمولی حدود 12 اهم است. محل قرارگیری فیوز گرمکن در جعبه سیاه رنگ داخل اتاق موتور سمت کمک فنر شاگرد است. فرق گرمکن کاربراتور با گرمکن سیستم انژکتوری این است که گرمکن کاربراتور برای گرم کردن نسبی مسیر سوخت و هوای دور آرام به کار رفته اما گرمکن سیستم انژکتوری برای گرم کردن هوزینگ دریچه گاز به کار میرود.

 

سنسور دمای آب رادیاتور Colant Termistor :

 

سنسور دمای آب دارای ویژگی خاصی است که بر مبنای آن میتواند اطلاعات دمای آب رادیاتور را به ECU برساند. وظیفه این سنسور رسانیدن اطلاعات دمای آب رادیاتور به ECU است. لذا زمان تحریک رله قطع کن کولر و متعاقب آن قطع کلاچ کولر در دمای 107 درجه سانتیگراد را این سنسور به ECU خبر میدهد.

 

 و استپ موتور

سنسور سرعت خودرو  Vehicle Speed Sensor:

 

این سنسور با داشتن یک پایه خروجی میتواند بصورت پالس، اطلاعات مربوط به سرعت لحظه ای خودرو را به ECU   ارسال کند. محل قرارگیری این سنسور روی دیاق دیفرانسیل است. داخل این سنسور یک آهنربای دائم و یک سیم پیچ وجود دارد و با سیم کیلومتر در ارتباط است. نحوه عملکرد این سنسور بدین ترتیب است که با چرخش سیم کیلومتر، پالس هایی به ECU می فرستد. به کمک این پالس ها ECU سرعت خودرو را محاسبه میکند. لازم به ذکر است که درجه کیلومتر و سرعت سنج در پژو همچنان با سیم کیلومتر کار میکند.

 سنسور دور موتور Engine Speed Sensor :

 

این سنسور با داشتن دو پایه ارتباطی به ECU میتواند بصورت امواج سینوسی، اطلاعات مربوطه به دور لحظه ای موتور را به ECU ارسال کند. این سنسور که وظیفه بسیار مهمی را بازی می کند. انتهای این سنسور که دارای یک آهنربای دائم و یک سیم پیچ است با چرخ دنده های فلایویل دور موتور که کمی جلوتر از فلایویل اصلی موتور است چند میلیمتر فاصله دارد. این فلایویل میتوانست شامل 60 دنده منظم باشد که دو دندانه آن را برداشته اند. حین چرخش فلایویل هنگامی که محل دو دندانه پاک شده به سر انتهایی سنسور رسید ، دو پیستون هم کورس دقیقاً در نقطه مرگ بالا قرار دارند. 180 درجه پس از این ، دو پیستون هم کورس دیگر هم به نقطه مرگ بالا میرسند. نحوه عملکرد این سنسور بدین صورت است که با عبور هر دندانه از جلوی سنسور، یک پالس به ECU فرستاده میشود. هنگامی که دندانه های پاک شده به سر انتهایی سنسور رسید دیگر پالسی ارسال نشده و ECU  متوجه میشود که نقطه مرگ بالا فرا رسیده و باید دستور پاشش سوخت و جرقه زنی را صادر کند. دو دندانه پاک شده با احتساب 60 دندانه در 360 درجه، گستره 12 درجه را شامل میشوند. این بدین معناست که حداکثر آوانس استاتیکی دلکو 12 درجه میتواند باشد.

 

استپ موتور Idling Regulation Step Motor:

 

وظیفه اصلی این قطعه، روشن نگه داشتن خودرو در حالت دور آرام است. این قطعه وظیفه بسیار مهمتری نیز دارد. هنگامی که کولر را روشن میکنیم، کمپرسور بار خود را روی موتور وارد میکند. برای جبران آن، استپ موتور ژیگلور مربوطه را کمی به عقب تر می کشد. تا خود به خود گاز کمی زیاد شود. اگر سنسور ضربه نیز نصب شده بود استپ وظیفه گسترده تری داشت. در این حالت استپ موتور باید در هر لحظه سوزن ژیگلور مربوطه را طوری عقب و جلو می کرد تا ضربه حس شده توسط سنسور ضربه ، ناشی از احتراق ناقص سوخت، به گونه مناسبی جبران شده و یا بهبود یابد. استپ موتور کار ساسات را نیز انجام میدهد. در هنگامی که خودرو سرد است سوزن آن طوری تنظیم میشود که خودرو با اولین استارت روشن شود. کار دیگر استپ موتور، تنظیم هوای مورد مصرف سیلندرها در زمان رها کردن گاز است. در خودروهایی که فاقد این سیستم هستند با رها کردن گاز، تنظیم سوخت و هوا به علت بسته شدن دریچه گاز به هم میخورد و دیده میشود که به هنگام رها کردن گاز، خودرو به طور لحظه ای دود میکند. اما در این سیستم با وجود استپ موتور دیگر این مشکل وجود ندارد. محل قرارگیری استپ موتور ، روی هوزینگ هوای ورودی است.

 

سنسور موقعیت دریچه گازThrottle Potentiometer :

 این سنسور که در انتهای دریچه گاز قرار دارد با این دریچه کوپل شده است. این سنسور شامل یک پتانسیومتر ساده است که سر وسط آن با حرکت دریچه گاز ، می لغزد.

 سنسور فشار هوای ورودی Inlet Manifold Pressure Sensor (MAP Sensor):

 این سنسور که محل اصلی آن بر روی سینی فن است با یک شیلنگ به ابتدای دریچه هوای ورودی ارتباط دارد. و با هوای ورودی به این دریچه در تماس مستقیم است. این سنسور که از نوع پیزوالکتریک است در واقع یک پتانسیومتر ساده است که سر وسط آن با فشار هوا لغزیده، عقب و جلو رفته و کار میکند. نقش این سنسور از بعضی جهات بسیار مهم است. زیرا در شرایط مختلف فشار هوا(سطح دریا و یا کوهستان) متغیر خواهد بود. اگر این سنسور درست کار نکند ECU دیگر قادر نخواهد بود که میزان هوای ورودی را به درستی تعیین نماید.

 سنسور دمای هوای ورودی Inlet Air Termistor :

 سنسور دمای هوای  دارای ویژگی خاصی است که بر مبنای آن میتواند اطلاعات دمای هوای ورودی را به ECU برساند. این سنسور در ابتدای دریچه هوای ورودی قرار دارد و با هوای ورودی این دریچه در تماس مستقیم است. نقش این سنسور از بعضی جهات بسیار مهم است زیرا در شرایط مختلف دمایی، وزن هوای موجود در یک حجم بخصوص، ثابت نیست. در دمای پایین چگالی هوا افزایش یافته و در دمای بالا کاهش می یابد. پس اگر این سنسور درست کار نکند ECU دیگر قادر نخواهد بود که میزان هوای ورودی را به درستی تعیین نماید. گستره تغییرات مقاومت این سنسور حدود 150 اهم تا 4 کیلو اهم است.

 

گرمکن هوزینگ دریچه گاز Throttle Housing Heater Resistor :

 

این المنت گرم کننده که یک مقاومت حرارتی از نوع PTC است در هوزینگ هوای ورودی و در کنار دریچه گاز نصب شده است. و بلافاصله پس از باز کردن سوئیچ شروع به کار میکند. این المنت برای گرم نمودن نسبی دریچه گاز و جلوگیری از یخ زدگی این دریچه در روزهای سرد و مرطوب بکار رفته و نهایتاً باعث جلوگیری از یخ زدگی دریچه گاز و منافذ هوای دور آرام میشود. در ابتدا، جریان عبوری از المنت زیاد است اما با افزایش دما مقاومت این المنت افزایش یافته و جریان کمی از آن عبور میکند. اما قطع نمی شود. لذا همواره این دریچه و این مسیر گرم می ماند. اهم گرمکن هوزینگ دریچه گاز در دمای معمولی حدود 12 اهم است. محل قرارگیری فیوز گرمکن در جعبه سیاه رنگ داخل اتاق موتور سمت کمک فنر شاگرد است. فرق گرمکن کاربراتور با گرمکن سیستم انژکتوری این است که گرمکن کاربراتور برای گرم کردن نسبی مسیر سوخت و هوای دور آرام به کار رفته اما گرمکن سیستم انژکتوری برای گرم کردن هوزینگ دریچه گاز به کار میرود.

 

سنسور دمای آب رادیاتور Colant Termistor :

 

سنسور دمای آب دارای ویژگی خاصی است که بر مبنای آن میتواند اطلاعات دمای آب رادیاتور را به ECU برساند. وظیفه این سنسور رسانیدن اطلاعات دمای آب رادیاتور به ECU است. لذا زمان تحریک رله قطع کن کولر و متعاقب آن قطع کلاچ کولر در دمای 107 درجه سانتیگراد را این سنسور به ECU خبر میدهد.

 

سامانهٔ دیجیتال

دیجیتال

 

سامانهٔ دیجیتال یا شماره‌ای یا رقمی،[۱] سامانه‌ای است که در آن داده‌هاباکمک مقدارهای گسسته (معمولاً با کمک شماره‌های صفر و یک) مشخص می‌گردند. برعکس در سامانه‌های آنالوگ (پیوسته)، داده‌ها بصورت پیوسته ارائه می‌گردند. روش شماره‌ای (دیجیتال) پایهٔ سامانه‌های رایانه‌ای امروز است. همچنین بسیاری از سیستمهایی که در گذشته بصورت آنالوگ به بازار ارائه‌می شدند، هم اکنون بصورت شماره‌ای به بازار ارائه می‌گردند. مانند تلویزیون، دستگاه ضبط و پخش صدا، دریافتگر ماهواره(رسیور).محتویات۱ آنالوگ و دیجیتال۲ برتری‌های سامانه‌های شماره‌ای نسبت به آنالوگ

آنالوگ و دیجیتال در سامانه‌های شماره‌ای (دیجیتال)، داده‌ها و سیگنالها بصورت گسسته و به کمک شماره‌ها مشخص می‌شوند. مثلا در یک نمایشگر دیجیتال سیاه و سفید، رنگ هر نقطه از صفحه می‌تواند با کمک یک شماره (مثلا از صفر تا ۲۵۵) مشخص گردد که شمارهٔ صفر نشان‌دهنده رنگ سیاه و شمارهٔ ۲۵۵ نشاندهنده رنگ سفید و شماره‌های میانی نشاندهنده رنگهای خاکستری با درخشش متفاوت باشد.برعکس در سامانه‌های آنالوگ (پیوسته)، داده‌ها، سیگنالها و یا امواج، بصورت بازهٔ پیوسته‌ای از اندازه‌ها ارائه می‌شوند. مثلا در یک نمایشگر آنالوگ سیاه و سفید، رنگ هر نقطه از صفحه بجای آنکه با کمک شماره‌های گسسته مشخص گردد، بصورت پیوسته مشخص می‌گردد. مثلا ولتاژ صفر برای رنگ سیاه و ولتاژ ۵ برای رنگ سفید و ولتاژهای میانی رنگهای خاکستری را مشخص می‌کنند. برعکس نمایشگر شماره‌ای یاد شده در بالا که تنها ۲۵۶ رنگ گوناگون داشت (از صفر تا ۲۵۵)، در سامانهٔ آنالوگ یاد شده، تعداد رنگها بی‌شماراست و هر عددی بین صفر تا ۵ می‌تواند رنگ نقطه را مشخص کند. مثلا مقدار ۳٫۴۵۱۷۴۹ ولت یک رنگ خاکستری قابل قبول را در نمایشگر آنالوگ یادشده، مشخص می‌کند. شدت امواج الکترومغناطیسی ؛ اندازه حرکت و در نتیجه آن سرعت و انرژی و بسیاری از کمیت های فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپی ناپیوسته یا کوانتومی هستند.در سامانه‌های شماره‌ای، این سیگنالهای آنالوگ پیش از پردازش و یا جابحایی و یا برای نگهداری، به داده‌های گسسته تبدیل می‌شوند. مثلا یک سیگنال الکترونیکی آنالوگ که ممکن است میان صفر تا ۱۰ ولت در نوسان باشد، دارای یک محدودهٔ ۱۰ ولتی است که در سامانهٔ شماره‌ای می‌توان این محدوده را مثلا  به ۱۰۰ بخش برابر تقسیم نمود و مقدار مربوط به هر بخش را با کمک یک شمارهٔ بین صفر تا ۱۰۰ مشخص نمود.در گذشته بیشتر سامانه‌های موجود در بازار با کمک سیگنالها و داده‌های آنالوگ کار می‌کردند. ولی امروزه بسیاری از دستگاه‌های لکترونیکی موجود با کمک سامانه‌های شماره‌ای کار می‌کنند (باید توجه داشت که در سامانه‌هایی که بانام سامانه شماره‌ای شناخته می‌شوند معمولا بخشهایی از آنها بصورت آنالوگ هستند). نمونه‌هایی از ستگاههایی که امروزه بصورت شماره‌ای در بازار وجود دارند عبارت‌انداز: رایانه، ماشین حساب، دستگاه پخش CD و DVD، دستگاه پخش همراه (MP3 Player)، دوربین عکاسی و فیلم‌برداری دیجیتال، تلفن همراه. سیگنال دیجیتال، سیگنالی است که هم از نظر زمان رخداد و هم از نظر مقدار در بازهٔ خاصی محدود شده باشد. سیگنال دیجیتال در مقابل سیگنال آنالوگ تعریف می‌شود، که در آن حدودی برای پارامترهای فوق الذکر تعریف نمی‌شود. سیگنال دیجیتال از نظر ریاضی سیگنالی است که فقط از صفرها و یک‌های منطقی تشکیل شده باشد. این یک و صفرها ممکن است به شیوه‌های مختلفی نشان داده شوند که به این شیوه، کدینگ سیگنال گویند.

تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال :نمونه‌برداریبا استفاده از تبدیل فوریه می‌توان نشان داد که اگر از یک سیگنال پیوسته با بسامدی دست کم ۲ برابر بیشینه بسامد موجود در آن نمونه‌برداری کنیم، می‌توان با استفاده از مقادیر نمونه برداری شده آن سیگنال اصلی را دقیقاً بازسازی کرد. به بسامد دو برابر مزبور بسامد نایکویست گفته می‌شود و در سیستم‌های عملی جهت ملاحظات خاصی ۲.۲ در نظر گرفته می‌شود. حاصل نمونه‌برداری از سیگنال پیوسته را سیگنال گسسته گویند.کوانتیزه‌سازی سیگنال گسسته را جهت دیجیتال‌سازی باید به مقادیر خاصی محدود کرد، به این عملیات، کوانتیزه‌سازی گویند. یک دلیل کوانتیزه سازی آن است که دستگاه‌های کنونی قدرت تشخیص صد در صد یک سیگنال و ذخیره سازی آن را ندارند.

دیجیتال سازی سیگنال کوانتیزه را به صورتهای مختلف می‌توان دیجیتال (یعنی به رشتهٔ صفر و یک) تبدیل کرد، که این خود اساس پیدایش دانش کدینگ است. هر سطح کوانتیزه را به صورتهای مختلف می‌توان دیجیتال کرد.

برتری‌های سامانه‌های شماره‌ای نسبت به آنالوگ سامانه‌های شماره‌ای معمولاً ارزانتر و کوچکتر هستند.مصرف برق سامانه‌های شماره‌ای معمولاً کمتر است.سامانه‌های شماره‌ای معمولاً کمتر تحت تاثیر نویز قرار می‌گیرند.معمولاً ارتباط میان سامانه‌های مختلف شماره‌ای ساده‌تر از ارتباط میان سامانه‌های آنالوگ است(؟).با استفاده از سامانه‌های شماره‌ای می‌توان داده‌ها را به گونه‌ای رمز نمود  بازگشایی آن بسیار دشوار و یا نزدیک به ناممکن باشد. یعنی با کمک سامانه‌های شماره‌ای می‌توان سامانه‌های امن‌تری      آنالوگ  سیگنال پیوسته:سیگنال ‫پیوسته، سیگنال آنالوگ یا سیگنال قیاسی[۱]، سیگنالی است پیوسته در زمان که دامنهٔ آن نیز پیوسته است. برخلاف سیگنال دیجیتال کوچک‌ترین تغییرات الکترونیکی در این سیگنال نیز دارای مفهوم می‌باشند و در نظر گرفته می‌شوند. هر فرایند طبیعی خواه تحت کنترل آدمی باشد، خواه مستقل، سیگنال پیوسته تولید می‌کند. مدل ریاضی سیگنال آنالوگ تابعی است که بر روی بخشی از محور حقیقی تعریف می‌شود. عملیات انجام شده بر روی سیگنال آنالوگ، همچون دریافت سیگنال، تقویت، فیلتر کردن و انتقال آن، نیز توسط مدارهای الکترونیکی معمول انجام می‌گیرد سیگنال ایجاد شده توسط یک میکروفن نمونه کامل یک سیگنال پیوسته است. سیگنال مدوله نشده تصویر تلویزیونی را نیز می توان سیگنالی پیوسته خواند.).ایجاد، گسترش و نگهداری شبکه‌های ارتباطی دیجیتال معمولاً ساده‌تر و ارزانتر از شبکه‌های آنالوگ استمدار الکترونیکی

نظریه کنترل

نظریه کنترل

 

مفهوم حلقهٔ پس‌خور برای کنترل رفتار دینامیکی سامانه: این یک پس‌خور منفی است زیرا مقدار حس‌شده از مقدار فرمان (دلخواه) کم‌شده است تا سیگنال خطا که توسط کنترلر تقویت شده است شکل گیرد.

نظریه کنترل زمینه‌ای است بین رشته‌ها که راه‌های کنترل و تحت سیطره درآوردن عملکرد سیستم‌های دینامیکی را مورد مطالعه قرار می‌دهد. هرچند، تولد و پیدایش آن از مهندسی و ریاضیات آغاز شد، به‌مرور، نظریهٔ کنترل راه خود را به سمت کاربردهای نوین در عرصه‌های پیچیده‌تری مثل علوم اجتماعی و در زمینه‌هایی ازآن نظیر روان‌شناسی و جامعه‌شناسی هم پیدا کرده‌است.

سامانه‌های دینامیکی یا سیستم‌های دینامیکی (Dynamical systems) به سامانه‌هایی اطلاق می‌گردد که حالات آن‌ها با زمان تغییر می‌کند

تعریف

منظور از کنترل یک پدیده، دخالت در رفتار آن است، به‌طوری‌که، نتایج مطلوب حاصل گردد. این عمل بدین صورت انجام می‌گردد:

مقدار مورد نظر برای یک سیستم یا همان مقدار مطلوب به عنوان مرجع در نظر گرفته می‌شود. هنگامیکه یک یا چند تا از خروجی‌های سیستم باید برای رسیدن به مقدار مطلوب عمل نمایند، کنترلر با دستکاری ورودیها سیستم را ناچار به رسیدن به مقدار مطلوب می‌نماید.[۱]

مباحث وابسته خودکارسازی کنترل فرایندها سروومکانیسم توابع شعاعی پایه مهندسی کنترل کنترل هوشمند

1.      ↑ سیستمهای پویا: اصول و تعیین هویت ↑ System Dynamics: Principles and Identification

2.      ↑ کنترل خطی

‫یکی از مدل‌های کنترلی است که بطور گسترده‌ای در مهندسی کنترل استفاده می‌گردد. کنترل خطی به عنوان پیش نیاز سایر دروس در مهندسی کنترل می‌باشد.

پیش‌زمینه‌های مورد نیاز کنترل خطی، ریاضیات مقدماتی، جبر خطی و معادلات دیفرانسیل است. کنترل خطی شامل تحلیل سیستم‌ها در حوزه زمان و حوزه فرکانس می‌باشد. مباحث اصلی کنترل خطی عبارتنداز: ۱- جبر خطی. ۲- تبدیل لاپلاس. ۳- نمایش سیستم‌های خطی. ۴- بررسی پایداری سیستم‌های خطی از طریق ابزارهای: آرایه روث، جدول هرویتز، نمودار بدی، نمودارهای معیار پایداری نایکوئیست، ‫نمودار نیکولز و مکان هندسی ‫ریشه‌ها. ۵- طراحی سیستم‌های کنترل پیش فاز، پس فاز و پیش پس فاز.

کنترل خطی به بررسی سیستم‌های خطی و تغییر ناپذیر با زمان و خطی سازی سیستم‌های غیر خطی تغییر ناپذیر با زمان می‌پردازد.

پایداری سیستمهای کنترل خطی

جواب همگن متناظر با پاسخ گذرای سیستم به ریشه‌های معادله مشخصه بستگی دارد . اساساً طراحی سیستمهای کنترل خطی را می توان به عنوان مسئله مرتب کردن مکان قطبها و صفرهای تابع تبدیل حلقه بسته در نظز گرفت . به طوری که سیستم نظیر مطابق مشخصات معین عمل کند .

در میان صورتهای مختلف مشخصات عملکرد که در طراحی سیستمهای کنترل به کار می‌رود ، مهمترین آنها این است که سیستم باید پایدار باشد . به طور کلی سیستم ناپایدار ، سیستم بیهوده‌ای است . تعریف پایداری در مورد سیستمهای مختلف خطی ، غیر خطی ، متغیر با زمان و نامتغیر با زمان فرق می‌کند .

کنترل چندمتغیره شاخه‌ای از مهندسی کنترل می‌باشد که بررسی و کنترل سیستمهایی می‌پردازد که بیش از یک متغیر ورودی و خروجی دارند. روشهای به کار رفته برای تحلیل و کنترل این سیستمها تعمیمی از روشهای موجود در کنترل خطی و کنترل مدرن می‌باشد. بطور کلی می‌توان کنترل سیستمهای چند متغیره را به دو گروه کنترل متمرکز و کنترل غیر متمرکز تقسیم بندی کرد. در روش کنترل متمرکز که اکثرا بر پایه استفاده از روشهای فضای حالت می‌باشد یک کنترل کننده مرکزی تمام متغیرهای سیستم را کنترل کرده و به همین دلیل از پیچیدگی زیادی برخوردار می‌باشد. در روش کنترل غیرمتمرکز از چندین کنترل کننده مجزا برای کنترل متغیرهای سیستم استفاده می‌شود. کنترل غیرخطی

کنترل غیر خطی کنترل یکی از زمینه‌های مهندسی کنترل است که با سامانه غیرخطی یا سیستم های متغیر با زمان یا هر دو سر و کار دارد. تحلیل‌ها و تکنیک‌های طراحی بسیاری برای سامانه های غیرخطی وجود دارد اما کنترلر یا سیستم تحت کنترل یا هر دوی آنها در حالت کلی ممکن است که سامانه ی غیرخطی نباشند و تکنیک‌های کنترل خطی را نمی‌توان به صورت مستقیم به آنها اعمال کرد. موضوع اصلی کنترل غیر خطی آن است که به چه ترتیب می‌توان تکنیک‌های کنترل خطی را در مورد سیستم‌های غیر خطی به کار برد. همچنین از روش‌های کنترلی جدیدی می‌توان استفاده کرد که با تحلیل خطی نمی‌توان به آنها رسید. کنرلرهای غیر خطی ویژگی‌های جالب تری نسبت به یک کنترلر خطی دارند مانند افزایش سرعت، کاهش انرژی و نیز کابرد ساده تر آنها. اما کنترلرهای غیر خطی نیازمند تحلیل‌های ریاضی پیچیده تری هستند.

انواع روش ها

از روش های کنترل غیر خطی می توان به

  • روش تابع تعریف
  • روش صفحه ی فاز
  • تحلیل پایداری لیاپونوف
  • روش اختلال تکینه
  • روش پوپوف
  • نظریه مانیفولد مرکزی

سامانه غیرخطی

در ریاضیات،سیستم‌های غیر خطی (Nonlinear systems) به سیستم‌هایی اطلاق می‌شود که از اصل برهم نهی پیروی نکند و یا اینکه خروجی یا پاسخ مستقیما نسبتی با ورودی نداشته باشد؛ در حالیکه یک سیستم خطی این شرایط را برآورده میکند. به بیان دیگر، یک سیستم غیر خطی در جایی تعریف میشود که متغیر(ها) به شکل ترکیبی خطی از اجزاء مستقل غیر قابل نوشتن باشند. یک سیستم غیرهمگن، که باوجود تابعی از متغیرهای مستقل خطی تلقی میشود، مطابق شرایط تعریف شده غیر خطی است، اما چنین سیستمی معمولا در کنار سیستمهای خطی مورد مطالعه قرار میگیرد، زیرا که میتوان آنها را در یک سیستم خطی با چندین متغیر قرار داد.

آِشنایی با ساخت موشک

 اجزای موشک

امروزه تعداد متنوعی از موشکها موجود است و اغلب آنها اختلاف عمده‌ای باهم دارند. با این وصف ، موشکها در قسمتهای اصلی تشکیل دهنده شبیه به هم هستند. هر موشک از چهار قسمت اصلی به نام سازه (AIRFAME) ، سیستم هدایت موشک (GUIDANCE SYSTEM) ، کلاهک یا سرجنگی (WarHead) ، بخش پیشران) Prou plision unit) یا موتور که نیروی لازم را برای هدایت موشک به جلو و سمت هدف تامین می‌نماید، تشکیل شده است.
اجزای اصلی موشک بدنه موشک قطعات بدنه موشک شامل اسکلت که الحاق کننده یا محافظ و نگهدارنده سایر قسمتهای موشک می‌باشد و در واقع اتصال قسمتهای مختلف موشک و استواری آن در حین پرواز در هوا به این قسمت متکی است. شاسی ، خود از بخشهای دیگر به نام بدنه اصلی موشک (Missils Main Body) با بالها و بالچه‌ها تشکیل شده است. سیستم هدایت ، موشک را به سوی هدف یا محوطه آن سوق می‌دهد.
وقتی موشک به شعاع مشخصی از هدف رسید، سرجنگی که قسمت از موشک و حاوی مقدار مشخصی از مواد منفجره می‌باشد ، منفجر و باعث انهدام و صدمه زدن به هدف می‌شود. بدنه اصلی موشک معمولا به شکل لوله از جنس محکم و از فلز سبک مانند آلومینیوم با دیگر فلز است که در مقابل درجه حرارت زیاد و فشارهای بالا (که در حین پرواز در هوا به موشک وارد می‌شود.) مقاوم باشد، ساخته می‌شود.
بالهای موشک (Wings) بالها در اطراف و بیرون بدنه اصلی قرار گرفته‌اند و نیروی اصلی جهت پرواز در هواست تامین می‌نماید. لبه جلویی بالها به لبه مقاوم ، لبه عقبی آن به لبه فرار (Trailing EDGE) و بالای آن تیپ (TIP) گفته می‌شود.
بالکهای موشک (FINS) بالکها کوچکتر از بالها بوده و بطور معمول در قسمت عقب موشک قرار می‌گیرند، ولی در بعضی از موشکها در قسمت جلو بدنه طراحی شده است. هدف از به کارگیری بالک ، متعادل نگهداشتن موشک و تامین پدیداری آن (انطباق محور موشک با زاویه حرکت) ، در مسیر پرواز می‌باشد به همین علت به بالکها ، تثبیت کننده نیز اطلاق می‌شود.
سیستم هدایت و کنترل موشک (Guidance and control system) سیستم هدایت یکی از بخشهای عمده موشک است و کار هدایت موشک از محل روانه‌ سازی و پرتاب تا بخشی از مسیر و یا هدف را به عهده دارد. بعضی از موشکها از هدایتهای مختلفی ، در قسمتهای مسیر استفاده می‌کنند. سیستمهای هدایت جهت انجام وظایف مربوط ، دارای قسمتهای زیر می‌باشد
هدایت حساسه این قسمت به انواع مختلف انرژی نظیر حرارت ، روشنایی ، امواج الکترومغناطیسی ، صدا و یا حرکت مکانیکی را تشخیص می‌دهند. این وسایل (حساسه‌ها) انرژی دریافتی را تجزیه و تحلیل کرده و به شکلی بکارگیری در می‌آورند و آنها را به قسمتهای مربوطه نظیر شتاب ‌سنجها به کامپیوتر ارجاع می‌دهند.
کامپیوتر اطلاعات را از حساسه‌ها دریافت و آنها را پردازش می‌نمایند. خروجی به نحوی است که قابل دریافت و واکنش مناسب بوسیله قسمتهای کنترل باشد. این قسمت در واقع مغز موشک تلقی می‌شود. زیرا اطلاعات لازم برای قسمتهای داخلی و سطوح کنترل از این بخش صادر می‌شود.
کلاهک یا سرجنگی سرجنگی که به آن کلاهک جنگی گفته می‌شود، از مهمترین بخشهای موشک بوده و هدف از طراحی موشک یا راکت ، (به عنوان تسلیحات نظامی) در واقع رساندن این قسمت به هدف و یا نزدیک آن است که با انجام عمل هدف آسیب یا منهدم می‌شود. اغلب محل قرار گرفتن این بخش جلو مورد نظر است. در صورتی که وقتی بحث کلاهک جنگی در اینگونه سلاحها باشد، محلی غیر از دماغه موشک مورد نظر است.
این بخش در موشک‌ها اکتشافی یا عملی شامل تجهیزاتی است که برای مثال به منظور جمع‌آوری اطلاعات جوی ، عکسبرداری جمع‌آوری اطلاعات علمی و سرانجام عملیاتی نظیر قرار دادن ماهواره در مدار زمین می‌باشد که به علت اهمیت این بخش شاخه علمی به نام «بالستیک انتهایی» بوجود آمده و موضع آن طراحی سرجنگی‌های مختلفی با توجه به اهداف متفاوت است.
انواع سرجنگی متعارف سرجنگی انفجاری سرجنگی متلاشی یا ترکشی سرجنگی با خرج شکل‌دار پیشران (موتور) موتور یکی از بخشهای عمده موشک است که نسبت به سایر قسمت‌ها هزینه و دقت زیادی صرف تکمیل آن شده است. کار این قسمت ایجاد نیروی محرکه لازم (برای اینکه موشک مسافت مشخصی را طی نماید) می‌باشد. انواع موتور موشکها با توجه به سوخت و مکانیزم طراحی و ساختشان به قسمتهای مختلف تقسیم می‌شود.
تعداد زیادی از موتورهای موشک برای تولید نیرو اکسیژن مصرف می‌کنند این اکسیژن ممکن است مستقیما از اتمسفر که پرواز می‌کنند دریافت کنند و یا از اکسیژن تحت فشار که با خود حمل می‌کنند و یا از اکسیژن مواد سوختی (سوخت جامد) دریافت می‌کنند. این عامل سبب می‌شود که موشکها در خارج از جو نیز حرکت کنند.

 

ىآمتدولوژی مهندسی معکوس آشناتر شویم

متدولوژی مهندسی معکوس آشناتر شویم

مهندسی معكوس یكی از روشهاییست كه شركتها با بكارگیری آن ، فرایند تكوین محصول خود را سرعت می‌بخشند . این روش بویژه در كشورهای درحال‌توسعه كه از نظر دانش طراحی محصول و فناوری تولید عقب‌تر از كشورهای پیشرفته هستند ، پاسخی به افزایش توان طراحی و تسریع فرایند تكوین است .

ایجاد یك روش منطقی و سیستماتیك برای تعیین میزان كمبود اطلاعات فنی برای پشتیبانی از تولید یك محصول و سپس انجام یك كار تیمی منسجم برای تكمیل این اطلاعات ، مجموعه عملیاتی است كه در فرایند مهندسی معكوس بوقوع می‌پیوندد . سطحی از اطلاعات فنی موردنیاز كه كلیه تلاشها در راستای تشخیص میزان كمبود آن و سپس رفع این كمبود اطلاعاتی است ، بسته اطلاعات فنی (Technical Data Package) نامیده می‌شود .

 به رغم ظرافت و نیاز به دقت بسیار زیاد در مهندسی معكوس ، كاهش زمان عملیات امری بسیار مهم در این زمینه است . در اینجا شرح مختصری از فرایند كلی مهندسی معكوس و متدولوژی آن بیان می‌كنیم :
مرحله اول - تجزیه‌وتحلیل عملكردی - اقتصادی : این فعالیت شامل 2 بخش است :
الف - هدف‌گذاری و جمع‌آوری اطلاعات :
در این مرحله توسعه محصول ، رفع عیب محصول و خودكفایی معرفی و سپس هدف از انجام پروژه درمورد هر یك تبیین می‌شود . هدف از فاز جمع‌آوری اطلاعات این است كه كلیه مستندات جمع‌آوری شده و تولید اطلاعات و مستندات فنی در حین اجرای مهندسی معكوس آسان گردد . با روشهایی چون شناسایی موارد مشابه ، جمع‌آوری اطلاعات در زمینه تولیدكنندگان و مورد بررسی قراردادن قطعات و مجموعه‌های مونتاژی یك سطح بالاتر كه اطلاعات موجود در مورد عوامل خروجی و ورودی ، قطعات مجاور و مصرف نهایی را مشخص می سازد ، مشخصات و توضیحات مربوط به خرید قطعات ، فهرست قطعات و شماتیكها كه اطلاعات اولیه برای بررسی پیكربندی یك قطعه و یا یك مجموعه را در اختیار قرار می‌دهند ، می‌توان بسته اطلاعات فنی را بدست آورد . طبیعی است كه با طبقه‌بندی سطح اطلاعاتی در فرایندهای مهندسی ، این فعالیت جامع‌تر و سیستماتیك‌تر انجام می‌شود و از دوباره‌كاریهای احتمالی جلوگیری و در هزینه‌ها صرفه‌جویی به عمل خواهد آمد .

ب - ارزیابی اطلاعات و برنامه‌ریزی :
هدف از انجام این فاز ، مشخص كردن سطح اطلاعات ناقص موردنیاز و نیز تخمین هزینه انجام مهندسی معكوس است . باتوجه به این سطح تخمین زده شده ، برآوردهای اولیه روی تخصصها ، آزمایشات ، تجهیزات و مواردی ازین دست برای اجرای مهندسی معكوس صورت می‌گیرد و پس از تخمین هزینه ، تخصیص منابع و برآورد زمان معقول برای تولید این اطلاعات در جهت كامل كردن بسته اطلاعات فنی ، نمودار گانت اجرایی پروژه ارائه می‌شود و یك نقشه برای روند كار حاصل می‌آید .

مرحله دوم - آنالیز عملكرد و دمونتاژ مورد :
هرمـــوردی می‌تواند متشكل از چند جزء (مكانیسم‌ها و اجزای مختلف) باشد كه هر یك وظیفه خاصی را بر عهده دارند و برایند آنها وظیفه موردنظر را برای مورد بوجود می آورد . در این مرحله از فرایند ، تیم مهندسی معكوس باید بتواند پارامترها و مشخصه‌های مهم ورودی و خروجی هر جزء را شناسایی كند ؛ پس از شناسایی اجزاء و ورودی و خروجیهای آن (با استفاده از قضاوت مهندسی ، طراحی آزمایشات ، شبیه‌سازی رایانه‌ای و ...) باید عملكرد اجزاء با مدارك فنی موجود ممیزی شود تا مغایرتهای آن مشخص شود (فاز FCA یا ممیزی عملكرد فنی اجزاء) . در ادامه اطلاعات فنی موردنیاز اجزاء ازطریق آزمایش استخراج می‌شود  (فاز PCA یا ممیزی فیزیكی اجزاء) . تفكیك و مونتاژ اجزاء ، درصورتیكه قابل‌تجزیه به اجزای سطح پایین‌تر باشند می‌تواند تا رسیدن به سطح قطعه ادامه یابد تا اینكه یك سطح برای مونتاژ بیان شود . درتفكیك بایـــد وظیفه عملكردی اجزای پایین‌تر شناسایی شود تا ممیزی عملكرد فنی اجزاء و ممیزی فیزیكی اجزاء بر روی آنها نیز صورت گیرد .

در انتهای این مرحله بسته‌های اطلاعات فنی كه طی عملیات ممیزی عملكرد فنی اجزاء و ممیزی فیزیكی اجزاء ایجاد و تكمیل شده‌اند پس از صحه‌گذاری ، اطلاعات لازم درباره تهیه نقشه‌های سطح یك (كه چگونگی حركت مكانیسمها و انتقال عملكرد به اجزای دیگر را كاملا مشخص می كنند) را فراهم خواهندآورد .

مرحله سوم - آنالیز سخت‌افزاری و نرم‌افزاری :
این فعالیت كه مهمترین بخش مهندسی معكوس است شامل موارد زیر است :
الف) آنالیز مواد :
با آنالیز شیمیایی و متالورژیك ، مطالعه لایه‌های سطحی ، اندازه‌گیری خواص مكانیكی ، بررسیهای ساختاری و عیوب انجام می‌گیرد .
ب) بررسی فرایند ساخت :
باتوجه به نوع سطوح فیزیكی در قطعه ، فرایند ممكن برای تولید این سطوح ، بررسی تنشهای سطحی و ساختار میكروسكوپی و اندازه گیری بعضی از ویژگیهای غیـــربحرانی مانند صافی سطح كه به طور فرعی در تشخیص فرایند ساخت كمك می كند ، انجام می‌شود .
ج) آنالیز ابعادی :
كه مشتمل بر مراحلی چون اندازه‌گیری ابعادی ، آنالیز تلرانس و آنالیز حساسیت است .
د) آنالیز الكتریكی - الكترونیكی درصورت نیاز :
باتوجه به مشخصه‌های خروجی مدار ، مسیر مدارها ، مواد ، روشهای زدودن پوششها ، اتصالات موردنیاز برای تولید مجدد مورد بررسی قرار می‌گیرند . نتایج حاصل از این قسمت در نقشه‌های سطح دو ثبت و ترسیم می شوند .
مرحله چهارم - بهبود محصول و آنالیز ارزش :
با استفاده از اطلاعات جدید تهیه شده هنگام فرایند و انجام بازنگری مهندسی ارزشی در كاندیداهای درنظر گرفته شده برای مهندسی معكوس ، می‌توان برخی از حوزه‌های پرهزینه مثل عیوب طراحی ، طراحی اضافی ، عملكرد بهبود ، محدودیتهای بیش از حد در مورد تلرانسها ، نیازمندیهای بیش از اندازه برای عملكردها و مواردی این چنینی را آشكار و آنها را قبل از تكمیل فرایند اصلاح كرد .

مرحله پنجم - برنامه‌ریزی فرایند تولید و تهیه ملزومات تضمین كیفیت :

در این مرحله كلیه بسته‌های اطلاعاتی كه تاكنون كامل شده از دیدگاه قابلیت تولید و فرایندهای ساخت موردتوجه قرار می‌گیرند ؛ به طور خلاصه خروجی این مرحله به ایجاد نقشه‌های سطح سه منجر می‌شود كه ملزومات ضروری و موردنیاز واحدهای طراحی ، مهندسی ، ساخت و كنترل كیفیت را برای دستیابی یا ساخت آیتم موردنظر شامل می‌شود .

به طوركلی نقشه‌های سطح سه نتیجه فرایند مهندسی معكوس بوده كه شامل كلیه پارامترهای مستندسازی شده لازم جهت تولید یك آیتم خواهند بود و هدف از انجام آن تصدیق و تایید دقت بسته اطلاعات فنی برای پشتیبانی از تولید قطعات است تا از این طریق اطمینان كافی از صحت و دقت و كامل بودن نقشه‌ها و مشخصه‌های ایجاد شده توسط فرایند مهندسی معكوس حاصل شود .مرحله ششم - تهیه مستندات نهایی :
درهنگام ساخت و تست محصول تولیدی در فاز تولید نمونــــه ، بسیاری از نقشه‌های مهندسی و رویه‌های تست چندین بار بازنگری و اصلاح می‌شوند كه تمام سطوح بازنگری شده از سطح صفر تا آخرین نتایج باید در بسته اطلاعات فنی قرار داده شوند ؛ با اضافه شدن اطلاعات بدست آمده از بازرسی‌ها و اطمینان كیفیتِ نمونه‌های تولید شده به بسته اطلاعات فنی ، یك بستـــه اطلاعات فنی كامل شده بدست می‌آید و پس از مطابقت با استانداردهای بسته‌های اطلاعات فنی ، در انتها یك بسته اطلاعات فنی نهایی كامل در ارتباط با محصول كه هدف فراینـــــد مهندسی معكوس است ، بدست می‌آید

مديريت استراتژيك چيست؟

مديريت استراتژيكمديريت استراتژيك چيست؟

هنر و علم تدوين ، اجرا و ارزيابي تصميمات وظيفه‌اي چندگانه‌اي كه سازمان را قادر مي‌سازد به هدفهاي بلندمدت خود دست يابد

مراحل مديريت استراتژيك : 

تدوين استراتژيها (برنامه‌ريزي)

اجراي استراتژيها

ارزيابي استراتژيها

مزاياي برنامه‌ريزي استراتژيك : 

پيش‌بيني مشكلات احتمالي

 علاقه‌ مندكردن مديران به سازمان

 پيش‌بيني تغييرات و پيشنهاد عكس‌العملهاي لازم

 روشن كردن هدفهاي واقعي سازمان

 تبيين بسترهاي مناسب براي دستيابي به اهداف

 ايجاد درك روشني از وضعيت سازمان

 شناخت فرصتها و تهديدات آتي

 هدفمند كردن مديريت

 ارائه روشي براي ارزيابي مداوم عملكرد

 اولويت‌بندي فعاليتها براي تخصيص منابع

 هماهنگ كردن قسمتها در راستاي اهداف مشخص

مأموريت سازمان : 

جملات و عباراتي كه اهداف نهايي سازمان، فلسفه وجودي، ارزشهاي حاكم بر سازمان و نحوه پاسخگويي به نياز مخاطبين را مشخص مي‌كند. علاوه براين، اختلافات درون سازماني را مرتفع ساخته و بستر بحثها و فعاليتهاي سازنده مؤثر را هموار مي‌كند.

توافق بر سر مأموريت سازمان تمام فعاليتهاي أن را همسو مي‌سازد و انگيزش و توجه مخاطبين سازمان خصوصاً كاركنان آن را افزايش مي‌دهد.

بيانيه مأموريت بيانگر چشم‌اندازهاي بلندمدت سازمان است در قالب آنچه كه مي‌خواهد باشد و كساني كه مي‌خواهد به آنها خدماتي را ارائه نمايد.

مأموريت سازماني مبناي اولويتها، استراتژيها، برنامه‌ها و وظايف كاري است و تفاوت ما با سازمانهاي مشابه را نشان مي‌دهد.

بيانيه مأموريت سازمان بايد داراي ويژگيهاي زير باشد:

سازمان را آنگونه كه هست و آنچه كه در نظر دارد بشود معرفي نمايد.

به اندازه‌اي محدود  باشد كه برخي از فعاليتها را حذف نموده و به اندازه اي وسيع باشد كه اجازه رشد خلاقيت و نوآوري بدهد.

سازمان را از ساير سازمانها متمايز نمايد.

به عنوان چارچوبي عمل كند كه بتوان بوسيله آن فعاليتهاي كنوني و آينده را ارزيابي كرد

بررسي عوامل خارجي :

شناسايي و ارزيابي روندها و رويدادهاي خارج از كنترل سازمان جهت تدوين استراتژيهاي مناسب مواجهه با آنها.

عوامل خارجي به دو دسته كلي تقسيم مي‌شود:

فرصتها: :تحولات و روندهاي خارجي كه استفاده از آنها باعث ايجاد مزيت قابل ملاحظه‌اي براي سازمان مي‌شود.

تهديدها: شرايط و تحولات خارجي كه بروز آنها موجب ايجاد فشارها و مشكلاتي براي سازمان مي‌گردد

عوامل داخلي به دو دسته كلي تقسيم مي‌شود: 

نقاط قوت : تواناييها و استعدادهاي داخلي كه بكارگيري آنها باعث ايجاد مزيت قابل ملاحظه‌اي براي سازمان مي‌شود.

نقاط ضعف : مشكلات و كمبودهايي كه وجود آنها باعث ايجاد فشارها و مشكلاتي براي سازمان مي‌گردد.

استخراج استراتژيها : 

در اين مرحله بايد مجموعه‌اي از استراتژيها خلق كرد كه سازمان و عوامل داخلي آن را به نحوه مؤثر با عوامل خارجي مرتبط سازد.

  استراتژي : مقايسه‌اي كه سازمان بين مهارتها و منابع داخلي و فرصتها و ريسكها مي‌نمايد.

 استراتژي : شكلي از اهداف، سياستها، برنامه‌ها، اقدامات، تصميمات يا تخصيص منابع كه تعريف مي‌كنند سازمان چيست و چه مي‌كند.

  استراتژي : مسير و روش رسيدن به اهداف سازمان

مهمترين ابزار براي استخراج استراتژيها است :  SWOTماتريس

) Wنقاط ضعف(

 

(S) نقاط قوت

 

 

SWOT ماتريس

 

استراتژيهای   WO

(حذف نقاط ضعف با استفاده از فرصتها)

 

SO استراتژيهاي (بهره‌گيري از فرصتها با استفاده از نقاط قوت)

 

) Oفرصتها(

 

WT استراتژيهاي (كاهش نقاط ضعف و پرهيز از تهديدها)

 

ST استراتژيهاي (احتراز  از تهديدات با استفاده از نقاط قوت)

 

)T( تهديدها

 

 

تعيين برنامه‌ها : 

اگر فرض كنيم كه استراتژيها مسيرهاي رسيدن به هدف هستند، برنامه‌ها را مي‌توان گامهايي دانست كه در طول اين مسيرها برداشته مي‌شود. به عبارت ديگر استراتژيها براي عملي شدن نيازمند ترجمه به زبان طرحها و اقدامات اجرايي هستند كه مديران بتوانند از اين طريق وظيفه خود را تشخيص داده و اجرا نمايند.  براي هر استراتژي تعدادي برنامه پيشنهاد مي‌شود كه مي‌تواند به صورت فعاليتهاي اجرايي، تحقيقاتي، اداري مالي و پشتيباني وباشد.

تعيين اهداف كمي :

در مرحله بعد براي هريك از برنامه‌ها بايستي هدف مقداري و مشخصي را تعيين نمود و مراحل و هزينه‌ها و منافع برنامه‌ها را نيز مشخص كرد. اين امر خود يك روش سلسله مراتبي است

مديريت ريسک

مديريت ريسك به چه معناست ؟

مديريت ريسك يعني استفاده از مهارتهاي افراد و يا گروهها به منظور حصول اطمينان از شناسايي تمام ريسك‌ها ، اندازه‌گيري و اجراي آنها در پروژه .

هركسي كه با مديريت پروژه و يا فعاليتهاي مياني پروژه‌ها سروكار دارد ، بايستي بداند كه مديريت ريسك چه كاري مي‌تواند انجام دهد .

تلقي افراد از ريسك ، عمدتا تاثير منفي آن بر زمانبندي و هزينه پروژه است . در غالب اوقات ، ريسك معرف اثر منفي بر پروژه تلقي مي‌گردد ؛ در صورتي كه ريسك مي‌تواند دريچه‌اي بر فرصتها ، توسعه ، بهبود و يا تفكر جديد نيز باشد .

در راهنماي پيكره دانش مديريت پروژه PMBOK ، مديريت ريسك شامل چهار فرايند به شرح زير معرفي گرديده است :

1- شناسايي و تعيين ريسك .

2- تجزيه و تحليل ريسك .

3- واكنش به ريسك .

4- كنترل واكنش به ريسك .

هريك از فرايندهاي فوق در مديريت ريسك داراي مجموعه‌اي از وظايف و مسئوليتها هستند . اجازه دهيد با تعريف يك مجموعه از ريسك ، مطلب را آغاز كنيم :

يك مجموعه از ريسك عبارت است از گروه‌بندي رويدادهاي ريسك بر حسب نوع و يا پروژه .

 مفاهيم ديگري در PMBOK به شرح زير ارايه شده است :

1- رويداد ريسك ؛ رخدادهاي گسسته با اثرات مثبت و يا منفي بر پروژه .

2- شناسايي ريسك ؛ تعيين ريسك‌هاي محتمل كه بر پروژه اثرگذارند و مستندسازي ويژگيهاي هريك از آنها .

3- كمي كردن ريسك ؛ ارزيابي ريسك‌ها و تبادل آنها به منظور ارزيابي محدوده نتايج پروژه .

4- توسعه واكنش به ريسك ؛ عكس‌العمل نسبت به تغييرات ريسك در طول دوره پروژه

اصول فكري و ديدگاهها در مهندسي صنايع

اساس مهندسي در هر گرايشي طراحي مبني بر اندازه گيري، محاسبه و تحليل با استفاده از علوم رياضي و تجربي شكل ميگيرد. در نتيجه حرفه مهندسي كاملاً ديد فني و ماشيني دارد كه موجب محدوديت ديدگاه در ابعاد خاص شده و برخي موضوعات مانند يافتن بهترين روشهاي مديريتي و ارتباطات انساني در ديدگاه محض مهندسي ناديده گرفته ميشود. مهندسي صنايع با در برداشتن نگرش سيستماتيك و فراگير ارتباط تخصصهاي مختلف و نهاد مديريت سازمان را ايجاد نموده و امور برنامه ريزي، سازماندهي، هدايت و نظارت بر امور اجرايي با هماهنگي بيشتري دنبال مي گردد. اين نگرش استمرار همان سير تفكر تيلور و هم عصران وي ميباشد كه با تلاش تك تك آنان مجموعه اصول و نگرشهاي مديريت علمي موجوديت يافت. مديريت علمي همان نگرش سنتي مهندسي صنايع است. با پيشرفت مديريت علمي، مهندسي صنايع با تفكري بر مبناي علوم رياضي، فيزيكي، اجتماعي و اقتصادي در عرصه صنعت و خدمات ظهور كرد كه به معني ايجاد يك تفكر فراگير و سيستماتيك بود. نگاه مهندسي صنايع به مسائل از زوايا و ديدگاههاي مختلف همانند توجه به خروجي و محصول سيستم، توجه به مشتري ويا نگرش به بهره وري سازمان قابل طرح و پيگيري مي باشد كه بر مبناي اصول فكري تقريباً يكساني دنبال ميگردد. اكنون بايد ديد كه اصول فكري مهندسي صنايع بر چه عواملي استوار است. در اين راستا بطور خلاصه اصول فكري مهندسي صنايع ذيلاً ارائه شده است.
1- خلاقيت
فعاليت اصلي هر مهندس صنايع ارائه طرح براي بهبود سيستمهاي جاري و يا ارائه طرح جديد مي باشد كه به همين منظور قوياً نياز به خلاقيت و نوع آوري جهت ارائه طرحهاي نو و بديع ميباشد. در واقع با توجه به گستردگي مسائل، مهندسي صنايع همانند اقيانوسي از فنون و علوم مختلف به عمق نيم متر با برخورداري از زمينه خلاقيت و ابتكار به مهندسين صنايع اين امكان را ميدهد كه در جهت حرفه كاربردي مورد نظر به تعميق دانش خود پرداخته و فرصتي فراهم ميشود تا ايده هاي جديد و خلاق در زمينه هاي مربوطه مطرح گردد.
2- تفكر فراگير
نگرش سيستماتيك و فراگير برجسته ترين خصوصيت مهندسي صنايع است و اطلاق مهندسي صنايع و سيستمها به اين رشته بي ارتباط با اين نگرش نيست. نگرش فراگير موجب مي شود مسائل از كل به جز و تعامل اجزا با هم مورد بررسي دقيق قرار گرفته و مدل كاملي از سيستمهاي مورد نظر تهيه و مسائل مورد نظر آن به بهترين شكل طرح و بررسي ميگردد.
3- رهبري گروه
هر سيستمي كه طرح ميشود اگر بدرستي اجرا نشود منتج به نتيجه نخواهد شد بلكه حسن اجرا سيستم طراحي شده يك ضرورت مهم تلقي مي شود. لذا آشنايي با كليت سيستم مورد نظر و نقش اجزا در كاركرد صحيح آن اين امكان را فراهم مي آورد كه هدايت و رهبري گروه كاري مجري سيستم با انگيزه بيشتري دنبال گردد و در واقع علاوه بر طراحي سيستم مورد نظر، مهندسي صنايع سيستمهاي پياده سازي و اجرا را نيز پيريزي نموده و نقش رهبري گروههاي كاري را موثرتر دنبال مينمايد.
4- مديريت زمان
انجام كار بدون توجه به ظرف زماني و تحويل به موقع خروجي مورد نظر سيستم، ارزش زيادي نميتواند داشته باشد. امروزه اهميت زمان و فرصتهاي آن با توجه به عرصه تنگاتنگ رقابت اقتصادي براي همگان واضح و بديهي است. در اين خصوص مهندسي صنايع با درك موضوع تكنيكهايي را بكار ميگيرد كه عامل زمان اجراي اجزاي كاري را در تمامي فرايندها مورد توجه و مديريت قرار ميدهد.
5- ارتباط بهره وري و بهبود مستمر
اعتقاد به ارتقا بهره وري و بهبود مستمر يك اصل با ارزش در مهندسي صنايع است. اكتفا به وضعيت فعلي جز در جا زدن نتيجه ديگري نخواهد داشت. لذا مهندسي صنايع با پذيرش اين مطلب كه سطح دانش و مهارتها يك مقوله نسبي همواره سعي در افزايش بهره وري و بهبود وضعيت كاري نموده و سعي ميشود همواره امور اثر بخشتر و كاراتر شود. نگرش بهبود مستمر اين امكان را ميدهد كه هر روز به فكر ارتقا هر چند به اندازه كوچك باشيم.
6- ذهن كنجكاو و يادگيري
يادگيري فرايندي است كه نميتوان بر آن حد و مرز تعيين كرد. مهندسي صنايع به منظور مطالعه و پيگيري مسائل همواره به اين نكته توجه دارد كه هر مورد را ، منحصر به فرد بررسي نمايد و جهت شناخت آن فرض بر اين است كه از تصورات ذهني دوري نموده و سعي بر تعيين كشف واقعيتهاي حاكم بر اجزا و كل سيستم ميباشد. لذا عدم وجود تعصب خاص به ماهيت فني امور موجب ميشود ذهنيت كنجكاو براي كشف حقايق نهفته در پديده ها تقويت شود و مهندس صنايع با ذهن دژم كمتر ميتواند راه حلهاي ابتكاري و راهگشا براي مسائل مورد نظر ارائه نمايد

ساختار کلی زبان++C

++C عموماً از سه بخش تشکيل شده است:

- محيطی برای نوشتن برنامه و ويرايش آن.
- کامپايلر ++C.
- کتابخانه استاندارد ++C.

يک برنامه زبان ++C برای رسيدن به مرحله اجرا از شش مرحله عبور می کند.

مرحله اول : برنامه نويس، برنامه را در محيط ويرايشگر می نويسد و آن را بر روی ديسک ذخيره می کند.

مرحله دوم : برنامه پيش پردازنده، خطوط برنامه را از لحاظ ايردات نگارشی بررسی می کند، و در صورت وجود اشکال در برنامه پيغام خطائی داده می شود، تا برنامه نويس نسبت به رفع آن اقدام نمايد.

مرحله سوم : کامپايلر، برنامه را به زبان ماشين ترجمه می کند و آن را بر روی ديسک ذخيره می نمايد.

مرحله چهارم : پيوند دهنده، کدهای زبان ماشين را، به فايلهای کتابخانه هايی که مورد استفاده قرار گرفته اند پيوند می دهد و يک فايل قابل اجرا بر روی ديسک می سازد.

مرحله پنجم : بار کننده برنامه را در حافظه قرار می دهد.

مرحله ششم : واحد پردازش مرکزی کامپيوتر دستورات برنامه را اجرا می کند.

نکته : همانطور که گفته شد پيش پردازنده ايرادات برنامه را بررسی می کند و در صورتی که برنامه مشکلی نداشت در نهايت به زبان ماشين ترجمه می شود و قابليت اجرا پيدا می کند اما در هنگام اجرای برنامه نيز ممکن است خطايی بروز کند به عنوان مثال تقسيم بر صفر بوجود آيد. اين خطا قابل تشخيص توسط پيش پردازنده نيست و در زمان اجرای برنامه رخ می دهد و باعث خروج ناگهانی از برنامه می شود. به اينگونه خطاها، خطای زمان اجرا گفته می شود. تقسيم بر صفر جزء خطاهای مهلک است. خطای غير مهلک خطايی است که اجازه اجرای ادامه برنامه را می دهد ولی ممکن است نتايج غير صحيحی را به ما بدهد.

 

Solving Robust Inventory

Problems

by

f. s

Submitted in partial ful_llment of the

requirements for the degree

of Doctor of Philosophy

in the Graduate School of Arts and Sciences

COLUMBIA UNIVERSITY

2006

ABSTRACT

Solving Robust Inventory Problems

In this work we consider setting the optimal inventory control policies for a single

bu_er when demand is uncertain, in a robust framework. Unlike traditional inventory

models we do not assume that the demand is random with a known distribution.

Instead, demand can take values from a given uncertainty set. Our objective is to

_nd the policy that minimize the maximum cost that is attainable by the demand

vectors in our uncertainty set. We consider the problem for two di_erent types of

policies which are very common in practice and present a family of algorithms based

on decomposition that scale well to problems with hundreds of time periods. We also

present theoretical results on more general models.

Contents

1 Introduction 1

1.1 Literature review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Our model and contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.1 Generic algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 The Static Problem 15

2.1 Prior work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 Demand uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3 The decision maker's problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4 The adversarial problem under the risk budgets model . . . . . . . . 24

2.4.1 A special case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.2 The adversarial problem as a mixed-integer program . . . . . 31

2.5 The adversarial problem in the bursty demand model . . . . . . . . . 33

2.6 Computational results for the static problem . . . . . . . . . . . . . . 34

i

3 The Basestock Problem 39

3.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2 The decision maker's problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3 The adversarial problem under the risk budgets model . . . . . . . . 48

3.3.1 Handling M. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3.2 Handling B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.3.3 Handling F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.4 The algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.5 The approximate adversarial algorithm . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.6 Integral budgets case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.3.7 A bounding procedure for the risk budgets model . . . . . . . 63

3.4 The adversarial problem under the bursty demand model . . . . . . . 64

3.5 Experiments with the basestock model . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.5.1 The risk budgets model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.5.2 The bursty demand model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.6 Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.6.1 Polyhedral uncertainty sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.6.2 Robust safety stocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.6.3 Ambiguous uncertainty sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.6.4 Model superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.6.5 More comprehensive supply-chain models . . . . . . . . . . . . 93

ii

3.7 Summary of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4 The Dynamic Problem 95

4.1 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.2 Characterization of optimal policies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.3 Risk budgets model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.3.1 A special case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.4 Bursty demand model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Appendices 109

A An alternative approach for solving PM 109

B NP-completeness proofs 116

B.1 Proof of Theorem 3.4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

B.2 Proof of Theorem 3.6.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

C Algorithms for the discrete budgets model 121

C.1 Proof of Theorem 3.6.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

C.2 Proof of Theorem 3.6.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

iii

List of Figures

2.1 Example with many steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1 % error in basestock vs. % error in cost . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.2 E_ect of scaling peaks on optimum basestock . . . . . . . . . . . . . 79

iv

List of Tables

2.1 Solving the adversarial problem as a mixed-integer program . . . . . 32

2.2 Parameters for data generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.3 Running time and number of iterations . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4 Running time and number of iterations for the budgets model . . . . 38

3.1 Performance of algorithm for risk budgets (T = 100). . . . . . . . . . 69

3.2 Error in the basestock produced by using early termination. . . . . . 69

3.3 Performance statistics { integral budgets . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.4 Ratio of adversarial time to total running time for the budgets model 71

3.5 Static vs Basestock Policies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.6 % increase in average cost of dynamic and static policies over the rolling

horizon basestock policy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.7 Behavior of algorithm for bursty demand model under a constant basestock

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

3.8 Impact of window size on a 300-period model . . . . . . . . . . . . . 76

v

3.9 Impact of initial inventory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.10 Variance vs Optimal Basestock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

vi

CHAPTER 1. INTRODUCTION 1

Chapter 1

Introduction

Designing an e_cient supply chain and operating it e_ciently is one of the most important

issues for a large number of modern organizations. For the past three decades,

increasing economic and competitive pressure has forced manufacturers to create better

ways to control every single step in their supply chain, from supplier contracts to

distribution channels. Due to recent uctuations in the economy, matching supply to

demand has become even more challenging. Nowadays, there is a growing need for

more robust supply chains that are responsive to the changes in market conditions.

This work was inspired by a project carried out with an industrial partner and it concerns

the optimal stock ordering policies for a bu_er in a supply chain in an uncertain

environment.

CHAPTER 1. INTRODUCTION 2

1.1 Literature review

The origins of Supply Chain/Inventory Management can be found as early as the

beginning of 20th century when Harris [H13] derived the Economic-Order-Quantity

formula that applies when the demand is assumed to be constant over time. Over

the few decades preceding his work numerous authors elaborated di_erent variations

of Harris' EOQ model. Although pioneers of the _eld were aware of the uncertainties

associated with the problem, the study of the problem in a stochastic setting was

only started in the 1950's, with the seminal papers by Arrow, Harris and Marschak

[AHM51] and Dworetzky, Kiefer and Wolfowitz [DKW52]. Since then, supply chain

optimization problems have been studied extensively under stochastic settings using

di_erent methodologies such as dynamic programming and stationary analysis. We

refer the reader to Zipkin [Z00] for a comprehensive discussion of various models in

supply chain/inventory management.

One of the most important advancements in supply chain management took place

when Clark and Scarf [CS60] proved the optimality of basestock policies for serial systems

using dynamic programming, a powerful technique that would later be used by

many other authors to derive structural results about optimal inventory control policies.

Subsequently, basestock policies became increasingly popular and were proved

to be optimal for many other inventory models. For further work on basestock policies

see Iglehart [I63a, I63b], Veinott [V66], Ehrhart [E84] and Muharremoglu and

CHAPTER 1. INTRODUCTION 3

Tsitsiklis [MT01]. While such a policy is not necessarily optimal, it may be preferable

over optimal policies since it is easy to implement and often performs very well. Due

to its simplicity it is widely used in practice and _nding optimal basestock levels itself

has drawn a lot of attention by both practitioners and researchers.

Traditional models for supply chain management are often criticized by practitioners

for their strong assumptions, among which is full knowledge of the underlying

demand distribution. In most real world applications, especially in industries with

short product life cycles, paucity of historical demand data makes it very hard to

determine a demand distribution that _ts the observed data. In such situations the

inventory controller should make decisions using partial information, such as inaccurate

forecasts, about future demand, and estimates for the error in these forecasts.

To the best of our knowledge the _rst work on distribution free supply chain

management problems is due to Scarf [S58] who considered a single period newsvendor

problem and determined the orders that maximize the minimum expected pro_t over

all possible demand distributions for given _rst and second moments. Later, Gallego

and Moon [GM93, MG94] provided concise derivations of his results and extended

it to other cases. Gallego, Ryan and Simchi-Levi [GRS01] considered the multiperiod

version of this problem with discrete demand distribution and proved the

optimality of basestock policies. Recently, Bertsimas and Thiele [BT04] and Ben-Tal

et. al. [BGNV05] studied some supply chain management problems with limited

demand information using the robust optimization framework. The central di_erence

CHAPTER 1. INTRODUCTION 4

of their work from previous work is that instead of assuming partial information about

the distribution of the demand, they assume that uncertain demand is explicitly

represented by a set that de_nes all possible demand values. In Chapter 2 we provide

a detailed discussion of their results. Also see [BGGN04] and [T05].

Robust Optimization is an increasingly accepted way to handle uncertainty. It

addresses parameter uncertainties in deterministic optimization problems. Unlike

Stochastic Programming it does not assume that the uncertain parameters are random

variables with known distributions, instead it represents uncertainty in parameters

using deterministic uncertainty sets in which all possible values of these parameters

reside. Typically, Robust Optimization adopts a min-max approach that guarantees

the feasibility of the obtained solution for all possible values of the uncertain

parameters in the given uncertainty sets.

Although the underlying ideas are older, the classical references for Robust Optimization

are Ben-Tal and Nemirovski [BN98, BN99, BN00] where they studied a

group of convex optimization problems with uncertain parameters and showed that

they can be formulated as conic programs which can be solved in polynomial time.

Since then, there has been a large amount of research dealing with various aspects of

Robust Optimization. For example, Bertsimas and Sim [BS03] proposed a new polyhedral

uncertainty set that guarantees feasibility with high probability for general

distributions for the uncertain parameters. They show that Linear Programs with

this uncertainty framework can be reformulated as Linear Programs with a small

CHAPTER 1. INTRODUCTION 5

number of additional variables. Also see [AZ05], where robustness is introduced in

the context of a combinatorial optimization problem.

Robust Optimization methodology was originally developed to deal with static

problems in which all of the decision variables are set prior to resolution of any uncertainty.

However, in most real life applications, the dynamic nature of the problems

allows decision makers to revise their decisions as more information about the uncertain

parameters becomes available. This is especially true for multi-period decision

making problems where static robust optimization models are unable to capture the

fact that the decision maker knows the values of uncertain parameters in the preceding

periods and can exploit this information when making his decisions. Recognizing

the need for incorporating the dynamic nature of the multi-period decision making

problems into Robust Optimization models, Ben-Tal et. al. [BGGN04], recently

proposed A_nely Adjustable Robust Counterpart models which feature the idea of

dynamically determining decision variables as a_ne functions of the portion of the

uncertain data that has been realized. By restricting the decisions to a_ne functions

of the past data they managed to produce tractable formulations for uncertain

Linear Programs. Ben-Tal et. al. [BGNV05] applied these ideas to a supply chain

management problem to get a polynomial time solvable formulation. We will review

this work more closely in Section 2.1.

Another _eld that deals with uncertainty in optimization problems is Adversarial

Queuing, which was _rst considered by Borodin et. al [BKRSW96]. They studied

CHAPTER 1. INTRODUCTION 6

packet routing over queuing networks when there is only limited information about

demand. Following an approach similar to Robust Optimization, they adopted a

worst case approach and proved some stability results that holds for all realizations

of the demand. They used a demand model that is _rst introduced by Cruz [C91] to

capture the burstiness of inputs in communication networks. Later, Andrews et. al.

[AAFKLL96] considered a similar problem with di_erent network protocols.

1.2 Our model and contributions

In this thesis we develop procedures for setting the stock ordering policies for a bu_er

in a supply chain subject to uncertainty in the demands. As mentioned before, our

work is motivated by experience with an industrial partner in the electronics industry

who faced the following di_culties: short product cycles, a complex supply chain

with multiple suppliers and long production leadtimes, a paucity of demand data

and a very competitive environment. The combination of these factors produced a

signi_cant exposure to risk, in the form of either excessive inventory or shortages. The

supply chain of our industrial partner consisted of a network with multiple bu_ers;

however, in this work we consider a system made up of a single bu_er.

We consider a bu_er evolving over a _nite time horizon. For t = 1; 2; : : : ; T,

the quantity xt denotes the inventory at the start of period t (possibly negative to

indicate a shortage) with x1 given. We also have a (per unit) inventory holding cost

CHAPTER 1. INTRODUCTION 7

ht, a backlogging cost bt, and a production cost ct. The dynamics during period t

work out as follows:

(a) First, one orders (produces, etc) a quantity ut _ 0, thereby increasing inventory

to xt + ut, and incurring a cost ctut,

(b) Next, the demand dt _ 0 at time t is realized, decreasing inventory to xt+1

:=

xt + ut 􀀀 dt,

(c) Finally, at the end of period t, we pay a cost of maxfhtxt+1;􀀀btxt+1g.

This model can be extended in a number of ways, for example by considering

capacities, setup costs, or termination conditions. These features can easily be added

to the algorithms described in this thesis.

We are interested in operating the bu_er so that the sum of all costs incurred

between time 1 and T is minimized. In order to devise a strategy to this e_ect,

we need to make precise steps (a) and (b). In what follows, we will refer to the

minimum-cost problem as the \basic inventory problem".

In general, we are given a set D (the uncertainty set). Each element of D is a

vector (d1; d2; : : : ; dT ) of demands that is available to an adversary. At time t, having

previously chosen demand values ^ di (1 _ i _ t 􀀀 1), the adversary can choose any

demand value ^ dt such that there is some vector ( ^ d1; : : : ; ^ dt􀀀1; ^ dt; dt+1; : : : ; dT ) 2 D.

Given an uncertainty set D, we need a strategy to produce orders ut so as to minimize

the maximum cost that can arise from demands in D. To make this statement

CHAPTER 1. INTRODUCTION 8

precise, we need to specify how (a) is implemented. In other words, for each time t

we need to describe a decision rule, such that the decision maker observes the current

state of the system (e.g. the current inventory xt) and prior actions on the part of

the adversary, and chooses ut appropriately. A policy is the the sequence of such

decision rules and we denote the set of all available policies by _. Typical examples

of policies are the basestock policy in which our decision rule in each period is given

by the function maxf_t 􀀀 xtg for a given basestock level _t and the static policy in

which the decision maker determines the orders in advance independent of the state

of the system or actions of the adversary.

The main focus of this thesis concerns how to pick the optimal policy in the robust

setting, under various demand uncertainty sets D. In the succeeding three chapters we

consider the \basic inventory problem" for three di_erent variants of _. We propose

a generic methodology and using this methodology we develop algorithms to compute

the optimal stock ordering policies.

The inventory problem in the robust setting can be described as follows:

min

_2_

max

d2D

cost(_; d); (1.1)

where for _ 2 _ and d 2 D,

cost(_; d) =

XT

t=1

( ctut(_; d) + maxf htxt+1(_; d) ; 􀀀btxt+1(_; d)g ) (1.2)

where ut(_; d) denotes the order that would be placed by policy _ at time t under

demands d1; d2; : : : ; dt􀀀1, and xt(_; d) would likewise denote the inventory at the start

CHAPTER 1. INTRODUCTION 9

of period t. Here, the quantity x1 (the initial inventory level) is an input and once

the demand variables (d1; d2; : : : ; dt􀀀1) 2 D and the policy _ have been chosen, ut

and xt are uniquely determined, for 1 _ t _ T. Notice that cost(_; d) is the cost

corresponding to policy _ and demand pattern d; and worst-case the cost arising

from applying policy _ is given by

max

d2D

cost(_; d): (1.3)

We call (1.3) the adversarial problem.

In Section 1.2.1 we discuss a generic algorithm for solving (1.1) for di_erent types

of policies and demand uncertainty sets (for di_erent sets _ and D). The algorithm

is based on a common approach, Benders' decomposition [B62], and extensive experimentation

shows it to be quite fast for the cases that are considered in this thesis.

Although we consider a speci_c inventory management problem, our methodology is

general and can be used to solve many other minmax type problems.

In Chapter 2, we limit our policy space to static policies. We assume that in each

period t, the order quantity is determined in advance and _xed regardless of the state

of the system, i.e. our decision rule is de_ned by a constant function of the state of the

system and the past actions by the adversary. We develop an algorithm to compute

the optimal static policy. We numerically prove the e_ciency of our algorithm by

testing it on many large examples.

The static policy does not allow the inventory controller to dynamically use the

CHAPTER 1. INTRODUCTION 10

information that becomes available as the uncertainty in the system is resolved. However,

this is unrealistic since in real world applications the decision maker can make

dynamic decisions. In Chapter 3 we consider the basestock policies as a tool to incorporate

the dynamic nature of the problem into our methodology. We construct our

policy space with constant basestock policies, i.e. policies such that for 1 _ t _ T and

for a real constant _, the order quantity in period t is equal to maxf_ 􀀀 xt; 0g where

xt denotes the inventory on-hand at the beginning of period t. Notice that when

using a basestock policy, the inventory controller determines an order-up-to level and

if the on-hand inventory is less that that level he places an order to push it back up

to its ideal level. Although basestock policies have their own limitations, the e_ect of

uncertainty on inventory levels (therefore inventory cost) is not as severe as under a

static policy because of the cap it places on inventory level. In Chapter 3 we present

a numerical comparison of optimal basestock policies with optimal static policies.

Part of the reason for our focus on basestock policies is that they have acquired

very wide use and can be shown to be optimal under stochastic inventory models.

Further, though basestock policies may not always be optimal, they are viewed as

producing easily implementable policies for practitioners. In Chapter 3 we propose

an algorithm to pick the optimal basestock level for an inventory bu_er under several

robust uncertainty models. Extensive experimentation shows that our algorithm

proves to be very e_cient.

At the other extreme we may consider making decisions dynamically. Instead of

CHAPTER 1. INTRODUCTION 11

determining the policy at the very beginning of the horizon, the inventory controller

can delay the ordering decision in each period t until the beginning of period t,

which makes it possible to use all of the information that becomes available by period

t. Naturally, such a policy performs very well under uncertainty since it gives the

inventory controller greater freedom to set the orders. We call this problem the

dynamic problem, and in Chapter 4 we give a characterization of the optimal policies

and show how to compute them.

1.2.1 Generic algorithm

Our generic algorithm, given next, maintains a working list ~D of demand patterns

{ each member of ~D is a demand vector (d1; d2; : : : ; dT ) 2 D. The algorithm also

maintains an upper bound U and a lower bound L on the value of problem (1.1).

This algorithm can be viewed as a form of Bender's decomposition. [B62]

Note that the decision maker's problem is of the same general form as the generic

problem (1.1) { however, the key di_erence is that while D is in general exponentially

large, at any point ~D has size equal to the number of iterations run so far. One

of the properties of Benders' decomposition is that, when successful, the number of

iterations until termination will be small. In experimental testing, this number turned

out quite small indeed, as we will see.

In fact, the decision maker's problem proves to be quite tractable: roughly speakC

HAPTER 1. INTRODUCTION 12

ing, it amounts to an easily solvable convex optimization problem. For example, in

the case of static policies the problem can be formulated as a linear program with

O(Tj~Dj) variables and constraints.

Algorithm 1.2.1 GENERIC ALGORITHM

Initialize: ~D = ;, L = 0 and U = +1.

1. Decision maker's problem. Let ~_ be the solution to the problem:

min_2_ maxd2 ~D cost(_; d).

Set L   maxd2 ~D cost(~_; d).

2. Adversarial problem. Let _ d be the solution to the problem:

maxd2D cost(~_; d).

Set U   min

n

U ; cost(~_; _ d)

o

.

3. Termination test. If U 􀀀 L is small enough, then EXIT.

4. Formulation update. Otherwise, add _ d to ~D and return to Step 1.

On the other hand, the adversarial problem is non-convex. In at least one case we

can show that it is NP-hard. The problem can be also modeled as a mixed-integer

program, but tackling this mixed-integer program directly turns out not to be the best

approach. Instead, we devise simple combinatorial algorithms that prove e_cient.

Benders' decomposition algorithms have long enjoyed popularity in many conC

HAPTER 1. INTRODUCTION 13

texts. In the case of stochastic programming with large number of scenarios, they

prove essential in that they e_ectively reduce a massively large continuous problem

into a number of much smaller independent problems. In the context of non-convex

optimization (such as the problem handled in this paper) the appeal of decomposition

is that it vastly reduces combinatorial complexity.

Benders' decomposition methods can be viewed as a special case of cutting-plane

methods. As is the case for cutting-plane methods for combinatorial optimization,

there is no adequate general theory to explain why Benders' decomposition, when

adequately implemented, tends to converge in few iterations. In the language of our

algorithm, part of an explanation would be that the demand patterns _ d added to ~D

in each execution of Step 4 above are \important" or \essential", as well as being

\extremal".

A _nal point regarding Algorithm 1.2.1 is that neither Step 1 nor Step 2 need be

carried out exactly, except in the last iteration (in order to prove optimality). When

either step is performed approximately, then we cannot update the corresponding

bound (U or L) as indicated in the blueprint above. However, for example, performing

Step 2 approximately can lead to faster iterations, and at an early stage

an approximate solution can su_ce since all we are trying to do, at that point, is

to quickly improve the approximation to the set D provided by the existing (and

much smaller) set ~D. Our implementations run the exact adversarial problem only

at certain iterations, as will be discussed in Chapter 3.

CHAPTER 1. INTRODUCTION 14

1.3 Notation

Notation 1.3.1 In what follows, for any time period t, and any value z, we write

Wt(z) = maxf htz ; 􀀀btz g:

We will refer to the inventory holding/backlogging cost in any period as the inventory

cost.

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 15

Chapter 2

The Static Problem

In this chapter we consider the static robust inventory problem, which is de_ned by:

min

u_0

XT

t=1

ctut + K(u) (2.1)

where for u = (u1; u2; : : : ; uT ) _ 0,

K(u) = max

XT

t=1

Wt(xt+1) (2.2)

s.t. xt+1 = xt + ut 􀀀 dt; 1 _ t _ T;

(d1; d2; : : : ; dT ) 2 D:

Here (2.2) is the adversarial problem: given orders u, the adversary chooses demands

d so as to maximize the total inventory cost. We study problem (2.1) not only because

it is of interest on its own right, but because it serves as a proof-of-concept for our

basic algorithmic ideas. In addition, by running the static model at every period

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 16

in a rolling horizon fashion, we obtain a dynamic strategy, though of course not a

basestock strategy. Our algorithms are especially e_ective on the static problem,

solving instances with thousands of time periods in a few seconds, and consequently

extensions of the static problem should also prove e_ciently solvable.

2.1 Prior work

In recent work, Bertsimas and Thiele [BT04] studied robust supply chain optimization

problems. One particular contribution lies in how they model the demand uncertainty

set D. In their model there are, for each time period t, numbers 0 _ _t _ _t and 􀀀t,

such that 0 _ 􀀀1 _ 􀀀2 _ : : : _ 􀀀T and 􀀀t _ 􀀀t􀀀1 + 1 (for 1 < t _ T). A vector

of demands d is in D if and only if there exist numbers z1; z2; : : : ; zT , such that for

1 _ t _ T,

dt = _t + _tzt; (2.3)

zt 2 [􀀀1; 1]; (2.4)

Xt

j=1

jzjj _ 􀀀t: (2.5)

Here, the quantity _j is the \mean" or \nominal" demand at time j, and the model allows

for an absolute deviation of up to _j units away from the mean. Constraints (2.5)

constitute non-trivial requirements on the ensemble of all deviations. The method in

[BT04] handles startup costs and production capacities, but it is assumed that costs

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 17

are stationary, e.g. there are constants h, b and c such that ht = h; bt = b, and ct = c

for all t. If we extend the model in [BT04] to the general case, the approach used in

[BT04] formulates our basic inventory problem as the following linear program:

C_ = min

XT

t=1

( ctut + yt ) (2.6)

s.t.

yt _ ht

0

@x1 +

Xt

j=1

(uj 􀀀 _j) + At

1

At = 1; : : : T; (2.7)

yt _ bt

0

@􀀀x1 +

Xt

j=1

(_j 􀀀 uj) + At

1

At = 1; : : : T; (2.8)

u _ 0;

where for t = 1; : : : T,

At = max

Xt

j=1

_j_t

j (2.9)

s.t.

Xt

j=1

_t

j _ 􀀀t;

0 _ _t

j _ 1; 1 _ j _ t:

Thus, LP (2.9) computes the maximum cumulative deviation away from the mean

demands, by time t, that model (2.3)-(2.5) allows. If we denote by ^_t

j (1 _ j _ t) the

optimal solution to LP (2.9), then constraint (2.7) yields the inventory holding cost

that would be incurred at time t if the demands at time 1; 2; : : : ; t took values

_1 􀀀 _1^_t

1 ; _2 􀀀 _2^_t

2 ; : : : ; _t 􀀀 _t^_t

t ;

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 18

whereas constraint (2.8) yields the backlogging cost that would be incurred at time t

if the demands at time 1; 2; : : : ; t took values

_1 + _1^_t

1 ; _2 + ^_2_t

2 ; : : : ; _t + _t^_t

t ;

e.g. in each case the deviations maximize the respective cost (see the discussion

following equation (13) in [BT04]). Also, note that when computing At and At0 for

t 6= t0 we will in general obtain di_erent implied demands, e.g. ^_t

i 6= ^_t0

i for i _ t; t0.

Linear program (2.6) should be contrasted with the \true" min-max problem:

R_ = min

u_0

R(u) (2.10)

where for u = (u1; u2; : : : ; uT ) _ 0,

R(u) = max

d;z;x

XT

t=1

( ctut + maxf htxt+1 ; 􀀀btxt+1g ) (2.11)

s.t.

xt+1 = xt + ut 􀀀 dt; 1 _ t _ T;

dt = _t + _tzt;

zt 2 [􀀀1; 1];

Xt

j=1

jzjj _ 􀀀t; 1 _ t _ T:

We have that R_ _ C_ and the gap can be large. However, [BT04] empirically shows

that in the case of stationary costs (2.6) provides an e_ective approximation to (2.10).

This is signi_cant because (2.11) is a non-convex optimization problem.

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 19

In addition, again in the case of stationary costs, it is shown in [BT04] that LP

(2.6) is essentially equivalent to an inventory problem with known demands, and as

a result the solution to the LP amounts to a basestock policy with basestock _t =

_t + b􀀀h

b+h(At􀀀At􀀀1), with A0 = 0. In fact, LP (2.6) can be solved \greedily" (every yt

simultaneously minimized) in the stationary case. Although the non-stationary case

is not considered in [BT04], we can say that the results from the stationary case do

not directly apply.

Next we review the results in [BGNV05] in the context of our basic inventory

problem. There are three ingredients in their model. First, motivated by prior work

[GW74], and by ideas from Control Theory [GSc71], the authors propose an a_ne

control algorithm. Namely, the algorithm in [BGNV05] will construct for each period

1 _ t _ T parameters ^_j

t (0 _ j _ t 􀀀 1) and impose the control law:

ut = ^_t

0 +

Xt􀀀1

i=1

^_t

idi; (2.12)

in addition to nonnegativity of the ut (this extends the methodology described in

[BGGN04]). When used at time t, the values dj in (2.12) are the past demands.

Using (2.12), the inventory holding/backlogging cost inequalities for time t become:

yt _ ht

0

@x1 +

Xt􀀀1

i=1

0

@

Xt

j=i+1

^_j

i 􀀀 1

1

Adi 􀀀 dt +

Xt

j=1

^_j

0

1

At = 1; : : : T; (2.13)

yt _ bt

0

@􀀀x1 +

Xt􀀀1

i=1

0

@1 􀀀

Xt

j=i+1

^_j

i

1

Adi + dt 􀀀

Xt

j=1

^_j

0

1

At = 1; : : : T; (2.14)

In addition, [BGNV05] posits that the quantities yt can be approximated (or at least,

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 20

upper-bounded) by a_ne functions of the past demand; the algorithm sets parameters

^ _t

j (0 _ j _ t􀀀1) with yt =

Pt􀀀1

j=1

^ _t

jdj + ^ _t

0 . Inserting this expression into (2.13), and

rearranging, we obtain:

0 _ htx1 +

Xt􀀀1

i=1

0

@ht

0

@

Xt

j=i+1

^_j

i 􀀀 1

1

A 􀀀 ^ _t

i

1

Adi 􀀀 htdt + ht

Xt

j=1

^_j

0 􀀀 ^ _t

0; (2.15)

which can be abbreviated as

0 _

Xt

i=1

Pt

i (^_; ^ _) di + Pt

0(^_; ^ _); (2.16)

where each Pt

i (^_; ^ _) is an a_ne function of ^_ and ^ _ (and similarly with (2.14)). The

algorithm in [BGNV05] chooses the ^_ and ^ _ values so that (2.15) holds for each

demand in the uncertainty set. This set is given by dt 2 [_t 􀀀 _t ; _t + _t], where

0 _ _t _ _t are known parameters. Thus, (2.16) holds for each allowable demand if

and only if there exists values ^_t

i , 1 _ i _ t, such that

0 _

Xt

i=1

_

Pt

i (^_; ^ _) _i + ^_t

i _i

_

+ Pt

0(^_; ^ _); (2.17)

􀀀^_t

i _ Pt

i (^_; ^ _) _ ^_t

i ; 1 _ i _ t: (2.18)

Inequalities (2.17) and (2.18), which are linear in ^_; ^ _; ^_ make up the system that is

enforced in [BGNV05] (there is an additional set of variables, similar to the ^_, that is

used to handle the backlogging inequalities (2.14)). Notice, as was the case in [BT04],

that this approach is conservative in that we may have _t

i 6= _t0

i for some i and t 6= t0,

i.e. the demands implied by some inequality (2.17) for some t may be di_erent from

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 21

those arising from some other period t0. Thus, the underlying min-max problem (over

the uncertainty set dt 2 [_t 􀀀 _t ; _t + _t] for each t) is being approximated.

Partly in order to overcome this conservatism, [BGNV05] introduces its third

ingredient. Given that the orders and the holding/backlogging costs are represented

as a_ne functions of the demands, the total cost can be described as an a_ne function

of the demands; let us write the total cost as Q0 +

P

t Qtdt where each Qt = Qt(^_; ^ _)

is itself an a_ne function of ^_; ^ _. To further limit the adversary, [BGNV05] models:

cost = max

(

Q0 +

X

t

Qtdt : d 2 E

)

; where (2.19)

E = fd : (d 􀀀 _)0S(d 􀀀 _) _ g : (2.20)

Here, ' denotes transpose, S is a symmetric, positive-de_nite T _ T matrix of known

values,  > 0 is given and _ is the vector of values _t. Thus, (2.20) states that the

demands cannot simultaneously take values \far" from their nominal values _t. As

shown in [BGNV05], the system (2.19), (2.20) is equivalent to the problem:

cost = minE; (2.21)

subject to: Q0 +

X

t

_tQt +

_

Q0 S􀀀1 Q

_1=2

􀀀 E _ 0: (2.22)

In this inequality, Q is the vector with entries Qt.

In summary, the approach used in [BGNV05] to handle the robust basic inventory

model solves the optimization problem with variables E, ^_, ^ _ and ^_; with objective

CHAPTER 2. THE STATIC PROBLEM 22

(2.21), and constraints (2.22), (2.17) and (2.18) (and nonnegativity of the orders,

اشنایی با اتوماسیون

اتوماسیون صنعتی به بهره گیري از رایانه ها بجاي متصدیان انسانی براي کنترل دستگاه ها و فرایندهاي صنعتی گفته میشود. اتوماسیون یک گام فراتر از مکانیزه کردن است . مکانیزه کردن به معنی فراهم کردن متصدیانانسانی با ابزار و دستگاه هایی است که ایشان را براي انجام بهتر کارشان یاري میرساند. نمایانترین و شناخته شده ترین بخش اتوماسیون صنعتی ربات هاي صنعتی هستند.امروزه کاربرد اتوماسیون صنعتی و ابزار دقیق در صنایع و پروسه هاي مختلف صنعتی به وفور به چشم می خورد . کنترل پروسه و سیستمهاي اندازه گیري پیچیده اي که در صنایعی همچون نفت ، گاز ، پتروشیمی ،صنایع شیمیایی ، صنایع غذایی ، صنایع خودرو سازي و غیره بکار می آید نیازمند ابزارالات بسیار دقیق وحساس می باشند . پیشرفتهاي تکنیکی اخیر در کنترل فرایند و اندازه گیري پارامترهاي مختلف صنعتی از قبیل فشار ، دما ، جریان و غیره باعث افزایش کیفیت محصولات و کاهش هزینه هاي تولید گردیده است .به طور کلی برخی از مزایاي اتوماسیون صنعتی از این قبیل اند:ا

 اتوماسیون صنعتی

اتوماسیون صنعتی چیست؟

اتوماسيون صنعتي به مجموعه اي از عمليات و فرآيندها گفته مي شود كه منجر به اتوماتيك شدن خط توليد خواهد شد. انواع سيستم هاي PLC,PID propration intecrated difrasial  ,PIC   با برنامه نويسي هاي متنوع، اتوماسيون كارخانجات را مقدور كرده است. به طوري كه كمتر شركتي بدون بهره گيري از آنها فعاليت مي كند.

در دنياي امروز، فن آوريهاي ميكرونانو، اين سيستم ها را پيشرفت و توسعه داده است. كنترل بخش هاي مختلف يك كارخانه با استفاده از سيستم مونيتورينگ و دستوردهي به ماشين آلات و دستگاه هاي خط توليد از ويژگي هاي بارز آن محسوب مي شود. در اين ميان نوع تكنولوژي و مدل ارائه شده توسط دستگاه اهميت دارد. به عبارتي ديگر اگر اپراتور مربوطه با جزئيات PLC   آشنا نباشد، تعمير و نگهداري آن دشوار خواهد بود. بنابراين آموزش هاي مقطعي براي پرسنل اهميت به سزايي دارد. هر يك از اين سيستم ها، مدل هاي متنوعي دارند كه بر اساس خط توليد و زمينه فعاليت كارخانه تعريف مي شوند. معمولا از اتوماسيون زيمنس در ايران بهره گرفته مي شود. چرا كه اين شركت آلماني نزديك به 30 سال است در داخل كشور فعاليت كرده و به قولي شناخته شده است. از طرفي ديگر تكنولوژي هاي آن نسبت به همتاهاي كره اي و امريكايي سازگارتر است.

از آنجايي كه صنعت بسته بندي، يكي از صنايع تكميلي كارخانجات است، نوع و مدل اتوماسيون صنعتي بررسي كارشناسي مي طلبد. در اين نوشتار نگاهي كوتاهي به كاربردهاي PLC   در بسته بندي خواهيم داشت.

 PLC   مخفف عبارت programmable logic control   به معني كنترل منطقي برنامه ريزي شده است به عبارتي ديگر اين سيستم بر اساس مجموعه اي از صرف و يك هاي منطقي، برنامه نويسي مي شود. در مدل هاي قديمي، ورود داده ها و اطلاعات و در نهايت پردازش آنها، ساعت ها زمان نياز داشت ولي در نمونه هاي نوين، اين زمان به حداقل كاهش يافته است. كافي است كه فرآيندي آناليز شده و داده هاي مورد نياز به سيتم وارد شود.

 برنامه نويسي ماژول ها

هر اتوماسيوني از 2 بخش سخت افزار و نرم افزار تشكيل شده است كه در بخش نرم افزاري، برنامه نويسي و مديريت داده ها اهميت دارد. آنچه كه به عنون سخت افزار يك سيستم نامبرده مي شود، مجموعه اي از ماژول ها و sector   هاست. اين ماژول ها در بسته اي از سخت افزار كنار يكديگر قرار دارند تا يكسري از اطلاعات را در خود ذخيره كنند. بنابراين اپراتور وظيفه دارد كه از طريق رايانه، سطوح عمليات و فرآيند را تعريف و به سخت افزار انتقال دهد.

 فن آوري روباتيك در PLC

از آنجايي كه روبات ها، بازوان عملياتي يك سيستم اتوماسيون هستند، فرماندهي آنها اهميت دارد. در اين تكنولوژي، داده هاي نزم افزاري به مغز متفكر سيستم انتقال تا عملي صورت گيرد. اين عمل ممكن است ماهيتي توليدي خدماتي و يا جانبي داشته باشد. به طور مثال موتورهاي چند ماشين خط بسته بندي با انتقال يك فرمان، روشن شده و با دوري معين كار مي كنند. در صورت قطعي و بروز مشكلي در آن، سيستم بازي ايستد تا در نهايت رقع اشكال شود. حسن بزرگ PLC   ها، رفع عيب منطقه اي و موضعي است كه منجر به افزايش بهره وري و راندمان مجموعه خواهد شد.

 

كاربرد ربات ها در بسته بندي

در خطوط بسته بندي، روبات ها وظيفه انتقال بطري ها، جعبه ها وساير ملزومات بسته بندي را دارند. در واقع آنها جايگزين نيروي انساني شده تا خطاي كارگري به حداقل رسد. اين روبات ها در سري خط توليد كمار يكديگر قرار گرفته و وظيفه كنترل روند توليد را بر عهده دارند. به عبارتي ديگر آنها با بررسي بسته ها و نوع پر شدن محصولات، عيوب را كنترل و پيشگيري مي كنند كه قطعا توسط سيستم مونيتورينگ نظارت نهايي خواهد شد.

نوآوري هاي اتوماسيون

جديدترين نوآوري هاي ارائه شده در اتوماسيون صنعتي حكايت از تجهيز خطوط توليد به فتوسل ها، دربندي هاي پيشرفته، كاهش خطاي پاكت سازي و جعبه سازي، افزايش سرعت رولينگ و شرينك پك دارد. همچنين در نوع مونيتورينگ سيستم نيز تغييراتي حاصل شده تا نمودار خط توليد با دياگرام هاي بهتري نمايش داده شود. از طرفي ديگر تلاش بر رفع عيوب بسته بندي با كنترل خطي PID HSJ  .

 كاربرد PIC   در بسته بندي

PIC   ها كه كامل تر از سيستم هاي PLC   هستند، مونيتورينگ بهتري ارائه مي دهند. به عبارتي ديگر در اين اتوماسيون صنعتي، ميكروكنترل ها قابليت پردازش و بازيابي اطلاعات و داده ها را خواهند داشت. امروزه در مقوله ميكروپروسسورها، پيشرفت هاي جالب توجه اي شده. به طوري كه با بهره گيري از فن آوري نانو، قدرت كنترل و هدايت ماشين آلات و دستگاه هاي صنعتي بهبود يافته است. اين اميد مي رود كه با ظهور نانو كنترل ها در اتوماسيون صنعتي، انقلابي در صنعت و فن آوري حاصل شود. پيشرفتي كه بدون شك در سال هاي آتي سرعت چند برابري خواهد يافت. به طوري كلي ميكروپروسسور مغز متفكر سيستم محسوب مي شود. قطعه اي كه علاوه بر پردازش و بازيابي اطلاعات، داده ها را با سرعتي جالب توجه انتقال مي دهد. اتوماسيون صنعتي به بهره گيري از رايانه ها بجاي متصديان انساني براي کنترل دستگاه ها و فرايندهاي صنعتي گفته ميشود. اتوماسيون يک گام فراتر از مکانيزه کردن است. مکانيزه کردن به معني فراهم کردن متصديان انساني با ابزار و دستگاه هايي است که ايشان را براي انجام بهتر کارشان ياري ميرساند. نمايانترين و شناخته شده ترين بخش اتوماسيون صنعتي ربات هاي صنعتي هستند.

   امروزه کاربرد اتوماسيون صنعتي و ابزار دقيق در صنايع و پروسه هاي مختلف صنعتي به وفور به چشم مي خورد . کنترل پروسه و سیستمهای اندازه گیری پیچیده ای که در صنایعی همچون نفت ، گاز ، پتروشیمی ، صنایع شیمیایی ، صنایع غذایی ، صنایع خودرو سازی و غیره بکار می آید نیازمند ابزارالات بسیار دقیق و حساس می باشند . پیشرفتهای تکنیکی اخیر در کنترل فرایند و اندازه گیری پارامترهای مختلف صنعتی از قبیل فشار ، دما ، جریان و غیره باعث افزایش کیفیت محصولات و کاهش هزینه های تولید گردیده است .

     به طور کلی برخي از مزایای اتوماسيون صنعتی از اين قبيل اند:

·         تکرارپذيري فعالیتها و فرایندها

·         افزایش کیفیت محصولات تولیدی

·         افزایش سرعت تولید (کمیت تولید )

·         کنترل کيفيت دقيقتر و سریعتر

·         کاهش پسماندهای تولید (ضايعات)

·         برهمکنش بهتر با سیستمهای بازرگاني

·         افزایش بهره وری واحدهای صنعتی

·         بالا بردن ضریب ایمنی برای نیروی انسانی و کاستن از فشارهای روحی و جسمی

     در حال حاضرارتقاء سطح کیفی محصولات تولیدی در صنایع مختلف و در کنار آن افزایش کمی تولید ، هدف اصلی هر واحد صنعتی می باشد و مدیران صنایع نیز به این مهم واقف بوده و تمام سعی خود را در جهت نیل به این هدف متمرکز نموده اند .

لازمه افزایش کیفیت و کمیت یک محصول ، استفاده از ماشین آلات پیشرفته و اتوماتیک می باشد. ماشین آلاتی که بیشتر مراحل کاری آنها به طور خودکار صورت گرفته و اتکای آن به عوامل انسانی کمتر باشد. چنین ماشین آلاتی جهت کارکرد صحیح خود نیاز به یک بخش فرمان خودکار دارند که معمولا از یک سیستم کنترل قابل برنامه ریزی (به عنوان مثال PLC   یا   مدار منطقی قابل برنامه ریزی) در این بخش استفاده می   گردد. بخش کنترل قابل برنامه ریزی مطابق با الگوریتم کاری ماشین، برنامه ریزی شده و می   تواند متناسب با شرایط لحظه ای به عملگر های دستگاه فرمان داده و در نهایت ماشین را کنترل کند .

همانطور که گفته شد بخش کنترل در هر سیستم صنعتی بایستی متناسب با شرایط لحظه ای به عملگرها فرمان دهد بنابراین در یک ماشین یا بطورکلی در یک فرایند صنعتی بخش اول یک چرخه کنترلی، برداشت اطلاعات از فرآیند می باشد .

جمع آوری اطلاعات در فرایندهای صنعتی با استفاده از سنسورها یا حسگرها صورت می گیرد. این حسگرها به منزله چشم و گوش یک سیستم کنترلی عمل می کنند. امروزه در بسیاری از ماشین آلات صنعتی استفاده از سنسورها امری متداول می باشد تا جاییکه عملکرد خودکار یک ماشین را می توان با تعداد سنسورهای موجود در آن درجه بندی کرد. وجود سنسورهای مختلف در فرایند اتوماسیون به اندازه ای مهم می باشد که بدون سنسور هیچ فرآیند خودکاری شکل نمی گیرد بنابراین سنسورها یکی از اجزای لاینفک سیستمهای اتوماسیون صنعتی می باشند .

در گذشته نه چندان دور بسیاری از تابلوهای فرمان ماشین آلات صنعتی، برای کنترل پروسه های تولید از رله های الکترومکانیکی یا سیستمهای پنوماتیکی استفاده می کردند و اغلب با ترکیب رله های متعدد و اتصال آنها به یکدیگر منطق کنترل ایجاد می گردید. در بیشتر ماشین آلات صنعتی، سیستمهای تاخیری و شمارنده ها نیز استفده می گردید و با اضافه شدن تعدادی Timer   و شمارنده به تابلوهای کنترل حجم و زمان مونتاژ آن افزایش می یافت .

اشکال فوق با در نظر گرفتن استهلاک و هزینه بالای خود و همچنین عدم امکان تغییر در عملکرد سیستم، باعث گردید تا از دهه 80 میلادی به بعد اکثر تابلوهای فرمان با سیستمهای کنترلی قابل برنامه ریزی جدید یعنی PLC   جایگزین گردند. در حال حاضر PLC   یکی از اجزای اصلی و مهم در پروژه های اتوماسیون می باشد که توسط کمپانیهای متعدد و در تنوع زیاد تولید و عرضه می گردد. به طور خلاصه سيستمهاي نوين اتوماسيون و ابزار دقيق مبتنی بر PLC   در مقايسه با کنترل کننده هاي رله اي و کنتاکتوري قدیمی دارای امتیازات زیر است :

·         هزينه نصب و راه اندازي آنها پايين مي باشد.

·         برای نصب و راه اندازی آنها زمان کمتری لازم است

·         اندازه فيزيکي کمي دارند.

·         تعمير و نگه داري آنها بسيار ساده مي باشد.

·         به سادگی قابلیت گسترش دارند

·         قابليت انجام عمليات پيچيده را دارند.

·         ضریب اطمینان بالایی در اجرای فرایندهای کنترلی دارند

·         ساختار مدولار دارند که تعويض بخشهاي مختلف آن را ساده مي کند.

·         اتصالات ورودي - خروجي و سطوح سيگنال استاندارد دارند

·         زبان برنامه نويسي آنها ساده و سطح بالاست

·        در مقابل نويز و اختلالات محیطی حفاظت شده اند

·        تغيير برنامه در هنگام کار آسان است

·        امکان ایجاد شبکه بین چندین PLC به سادگی میسر است

·        امکان کنترل از راه دور (به عنوان مثال از طریق خط تلفن یا سایر شبکه های ارتباطی) قابل حصول است

·        امکان اتصال بسیاری از تجهیزات جانبی استاندارد از قبیل چاپگر ، بارکد خوان و ... به PLC ها وجود دارد

 مونیتورینگ یکی دیگر از مباحث مهم و مرتبط با اتوماسیون صنعتی ، مانیتورینگ می باشد. امروزه مانیتورینگ یکی از نیازهای اساسی بسیاری از صنایع به خصوص صنایع بزرگ می باشد. بسیاری از صنایع بزرگ مانند صنایع پتروشیمی، صنایع تولید انرژی، صنایع شیمیایی و ... بدون استفاده از سیستم مونیتورینگ مناسب قادر به ادامه کار خود نیستند. مونیتورینگ عبارت است از جمع آوری اطلاعات مورد نظر از بخشهای مختلف یک واحد صنعتی و نمایش آنها با فرمت مورد نظر برای رسیدن به اهداف ذیل :

·        نمایش وضعیت لحظه ای هر یک از ماشین آلات و دستگاهها

·        نمایش و ثبت پارمترهای مهم و حیاتی یک سیستم

·        نمایش و ثبت آلارمهای مختلف در زمانهای بروز خطا در سیستم

·        نمایش محل خرابی و زمان وقوع ایراد در هر یک از اجزای سیستم

·        نمایش پروسه های تولید با استفاده از ابزارهای گرافیکی مناسب

·        تغییر و اصلاح Set Point ها حین اجرای پروسه تولید

·        امکان تغییر برخی از فرایندهای کنترلی از طریق برنامه مونیتورینگ

·        ثبت اطلاعات و پارمترهای مورد نظر مدیران از قبیل زمانهای کارکرد، میزان تولید، میزان مواد اولیه مصرفی، میزان انرژی مصرفی و ...

 نتيجه در اين نوشتار آموختيم كه سيستم هاي اتوماسيون صنعتي چگونه در صنعت بسته بندي كاربرد داشته و چگونه در بهبود عملكرد سيستم ها و دستگاه ها موثر است. همچنين انواع آن را مورد بررسي قرار داده و مشاهده كرديم كه فن آوري نانو تا چه اندازه در دنياي امروزي توسعه يافته است    مکاترونیک مكاترونيك تركيبي هم افزايانه از مهندسي مكانيك، الكترونيك، رايانه، سامانه‌هاي كنترل و فناوري اطلاعات در طراحي و ساخت محصولات و فرايندهاي صنعتي است. درحقيقت توسط اين علم مي‌توان سيستمهاي مكانيكي را به صورت هوشمند درآورد. نهايت علم مكاترونيك را مي‌توان در رباتها، دستگاههاي CNC و كليه سيستمهاي اتوماسيون مشاهده كرد. هدف از توليد محصولات صنعتي با كيفيت بهتر، هزينه كمتر و زمان توليد كوتاه‌تر می باشد.

 

PID controller

 

A block diagram of a PID controller

A proportional–integral–derivative controller (PID controller) is a generic control loop feedback mechanism (controller) widely used in industrial control systems – a PID is the most commonly used feedback controller. A PID controller calculates an "error" value as the difference between a measured process variable and a desired setpoint. The controller attempts to minimize the error by adjusting the process control inputs.

The PID controller calculation (algorithm) involves three separate constant parameters, and is accordingly sometimes called three-term control: the proportional, the integral and derivative values, denoted P, I, and D. Heuristically, these values can be interpreted in terms of time: P depends on the present error, I on the accumulation of past errors, and D is a prediction of future errors, based on current rate of change.[1] The weighted sum of these three actions is used to adjust the process via a control element such as the position of a control valve, or the power supplied to a heating element.

In the absence of knowledge of the underlying process, a PID controller has historically been considered to be the best controller.[2] By tuning the three parameters in the PID controller algorithm, the controller can provide control action designed for specific process requirements. The response of the controller can be described in terms of the responsiveness of the controller to an error, the degree to which the controller overshoots the setpoint and the degree of system oscillation. Note that the use of the PID algorithm for control does not guarantee optimal control of the system or system stability.

Some applications may require using only one or two actions to provide the appropriate system control. This is achieved by setting the other parameters to zero. A PID controller will be called a PI, PD, P or I controller in the absence of the respective control actions. PI controllers are fairly common, since derivative action is sensitive to measurement noise, whereas the absence of an integral term may prevent the system from reaching its target value due to the control action.