Skip to main content
SUPERVISOR
Reza Tikkani,Saeed Behbahani
رضا تیکنی (استاد مشاور) سعید بهبهانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Leila alsadat Pezeshki najafabadi
لیلاالسادات پزشکی نجف آبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Concurrent design of mechatronic systems using the integration of bond graph and genetic programming
In the traditional design methods for mechatronic systems, different subsystems are designed sequentially. It must be mentioned that due to complicated interactions between the subsystems in a mechatronic system, optimum operation of the connected subsystem resulted by using traditional design methods is under question. In recent mechatronic design literature, it is proposed that these systems need a concurrent and integrated design methodology in order to achieve the optimum operational features. There have been efforts for automation of the design process, and to incorporate more intelligence in the new proposed methods for concurrent design of mechatronic systems. In this work, an automatic design methodology, which is resulted from the integration of bond graphs and genetic programming is utilized for the concurrent optimum design of the topology and parameters of mechatronic systems. First, the fundamentals of the integration of bond graphs and genetic programming, and the procedure of the composition of the first random generation of the solutions are explained. Also, different steps and required elements for solving a design problem with this integrated tool are defined. In order to improve this optimization method, a memory scheme is incorporated in exploration tool. Similar topologies that may be created during the design process can be recognized by this mean. By eliminating the repetitive topologies from the next levels of design (i.e. simulation, derivation of the state space equations and optimization of the parameters for each created solution), the time needed for the design process is reduced effectively. In the next step, in order to represent a more intelligent tool, the dynamic tuning capability for the fundamental parameters in the fitness evaluation is developed. Thus, further modifications that are needed for the evaluation of fitness for each created solution are implemented automatically during the design process, and as a result, all the operational criteria and conditions that are considered for the system design are concurrently optimized. The idea of dynamic tuning is applicable on different evolutionary algorithms. This capability is utilized for the concurrent design of a 3-DOF pick and place robotic manipulator using genetic algorithm. The structural parameters, controller gains and the desired trajectory equations for this robot are optimized concurrently. The dynamic tuning capability is used in order to adjust the changing range of the several involved criteria in the fitness function. Optimizing the parameters and topology concurrently for mechatronic systems is a higher level of automatic design for these systems. In the last step, the mechatronic design methodology using the integration of bond graph and genetic programming is utilized for the first time to automatically evolve and synthesis the topology and sizing of a hydraulic engine mount. As the result, several novel hydraulic engine mount models are proposed that the notch frequency and the amount of dynamic stiffness in this frequency are kept unchanged, while the peak frequency is eliminated. Because of these remarkable improvements in the operational behavior of the new models, two solutions have been chosen as the best ones according to practical criteria, and the proper physical models are proposed for these models. Keywords: Mechatronic systems, Automatic and concurrent design, Bond graph, Genetic programming, Genetic algorithm, Hydraulic engine mount.
در روش های طراحی سنتی سیستم های مکاترونیکی، قسمت های مختلف سیستم به صورت متوالی طراحی می شوند، در حالی که به دلیل برهم کنش های پیچیده ی موجود بین زیرسیستم های یک سیستم مکاترونیکی، بهینه بودن نتیجه حاصل از این روش زیر سوال خواهد بود. بنابراین، به تازگی ایده ی طراحی توأمان و یک پارچه ی سیستم های مکاترونیکی با هدف دست یابی به عملکرد بهینه در این سیستم ها مطرح شده است. در روش های پیشنهادی برای طراحی توأمان، تلاش فراوانی برای هوشمندسازی روند طراحی از طریق انجام این فرآیند به صورت خودکار انجام شده است. در این پژوهش روش طراحی خودکار حاصل از ترکیب ابزار مدل سازی باندگراف و ابزار جستجوی برنامه نویسی ژنتیک به منظور طراحی بهینه ی توپولوژی و مقادیر عددی به صورت توأمان برای سیستم های مکاترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. ابتدا چگونگی ترکیب این ابزارها و روند ایجاد حل های تصادفی و همچنین مراحل و اجزاء مورد نیاز برای حل یک مسئله ی طراحی با استفاده از این روش تبیین می شوند. سپس، با هدف بهبود فرآیند طراحی از طریق روش ترکیبی مورد نظر، اقدام به ایجاد حافظه ی کلی برای ابزار جستجو می گردد. به این ترتیب با شناسایی توپولوژی های یکسانی که در طی فرآیند طراحی ایجاد می شوند و حذف این حل ها از مراحل بعدی طراحی (شبیه سازی و استخراج معادلات مربوط به هر حل و بهینه سازی پارامترهای عددی)، از اتلاف وقت در روند حل مسئله به صورت مؤثری جلوگیری می شود. در گام بعدی، برای هوشمندسازی روش طراحی مورد استفاده، قابلیت تنظیم دینامیک برای پارامترهای اساسی در تعیین تابع برازندگی ایجاد می شود. به این ترتیب اصلاحات مورد نیاز در روند تعیین برازندگی برای هر حل، در حین انجام فرآیند طراحی و به صورت خودکار اعمال می شوند، و در نتیجه می توان گفت که همه ی معیارها و شرایط مطلوب برای عملکرد سیستم به صورت یک پارچه بهینه سازی می گردند. ایده ی قابلیت تنظیم خودکار ویژگی های مختلف در این روش طراحی به گونه ای است که می توان آن را برای اغلب الگوریتم های تکاملی به صورت مطلوبی اعمال نمود. در ادامه ی پژوهش، به مسئله ی طراحی توأمان سازه و کنترل برای یک ربات سه درجه آزادی با استفاده از الگوریتم ژنتیک با قابلیت تنظیم خودکار پارامترهای مؤثر در تعیین تابع برازندگی، پرداخته می شود. پارامترهای ساختاری، بهره های کنترلی و معادله ی مسیر حرکت ربات به صورت توأمان و با یک پارچه در نظر گرفتن کل سیستم بهینه سازی می گردند. با وجود محدوده ی تغییرات بسیار متفاوت برای معیارهای عملکردی مختلف مورد نظر در این مسئله، به دلیل استفاده از قابلیت تنظیم خودکار پارامترها در تابع برازندگی، همه ی معیارها با روند نسبتاً مشابهی در فرآیند طراحی بهبود یافته اند. در نهایت بهینه سازی هم زمان توپولوژی و پارامترهای عددی، که بالاترین سطح از فرآیند طراحی توأمان برای سیستم های مکاترونیکی محسوب می شود، در قالب حل مسئله ی طراحی بهینه ی سیستم های دسته موتور هیدرولیکی با استفاده از روش ترکیبی معرفی شده مطرح می گردد. چندین مدل مختلف از دسته موتورهای هیدرولیکی با ساختارهای جدید و خلاقانه بصورت کاملا اتوماتیک طراحی می شوند، که ویژگی های عملکردی در این پاسخ ها به صورت قابل توجهی بهبود یافته است. مهم ترین ویژگی عملکردی در اکثر مدل های نوین حاصل از طراحی خودکار، حذف فرکانس قله بدون ایجاد تأثیر نامطلوب در فرکانس فاق است. به همین دلیل با توجه به معیارهای کاربردی دو پاسخ برتر برگزیده شده اند و در پایان مدل های فیزیکی متناسب با این پاسخ ها ارائه گردیده است. کلمات کلیدی: 1- سیستم های مکاترونیکی 2- فرآیند طراحی توأمان و خودکار 3- مدل سازی باندگراف 4- برنامه نویسی ژنتیک 5- الگوریتم ژنتیک 6- دسته موتور هیدرولیکی.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی