متحكم PID رتيب-جزئي محسن هجين بواسطة خوارزميات البجع والذئب الرمادي لتحسين أداء مرشحات الطاقة النشطة الهجينة

لماذا تهم الكهرباء الأنظف

تعتمد المنازل والمستشفيات ومراكز البيانات والمصانع على كهرباء تصل على شكل موجات ناعمة ومنتظمة. لكن الأجهزة الحديثة مثل الحواسيب والإضاءة LED ومحركات القطاع الصناعي تسحب الطاقة بطريقة متقطعة، مما يحقن «ضوضاء كهربائية» تُعرف بالتوافقيات مرة أخرى في الشبكة. هذه التشوهات تهدر الطاقة، وتجهد المعدات، وقد تتسبب حتى في فصل أنظمة الحماية. تستعرض هذه الورقة طريقة أذكى لتنظيف تلك الكهرباء في الزمن الحقيقي، باستخدام مزيج من مرشحات متقدمة وطريقة ضبط تشبه الذكاء الاصطناعي للحفاظ على جودة الطاقة مرتفعة رغم تغير الأحمال.

دمج طريقتين لتنقية الطاقة

غالبًا ما يستخدم المهندسون استراتيجيتين عامتين لإزالة التوافقيات غير المرغوب فيها: مرشحات سلبية مبنية من لفائف ومكثفات، ومرشحات نشطة تعتمد على إلكترونيات طاقة سريعة. المرشحات السلبية متينة وبسيطة لكنها تستهدف ترددات محددة فقط. المرشحات النشطة قادرة على التكيف فورًا لكنها أكثر تعقيدًا في التحكم. تركز الدراسة على مرشح طاقة نشط هجيني يمزج بين النهجين. تتعامل الأجزاء السلبية مزدوجة الضبط مع أكثر درجات التوافقيات إزعاجًا، بينما يتعامل العاكس النشط مع التشوه المتبقي عن طريق حقن تيارات «تنظيف» متعاكسة في الخط.

إعطاء المرشح دماغًا أذكى

جوهر المرشح الهجين هو نظام التحكم الذي يقرر بالضبط مقدار التيار التصحيحي الذي يجب حقنه. تتحسس المتحكمات التقليدية من نوع PID، المستخدمة على نطاق واسع في الصناعة، أمام السلوك شديد اللاخطية والمتشابك لمرشحات الطاقة. استخدم المؤلفون بدلاً من ذلك متحكم PID رتيب-جزئي، الذي يضيف مقبسين إضافيين يسمحان للمتحكم بتشكيل استجابته بشكل أدق زمنيًا وتردديًا. هذه المرونة الإضافية قد تجعل النظام أكثر استقرارًا واستجابةً، لكنها تجعل الضبط أصعب بكثير: يجب تعديل خمسة معلمات معًا، والاختيارات الضعيفة قد تؤدي إلى استجابة بطيئة أو حتى عدم استقرار.

كيف تساعد البجع والذئاب الافتراضية على الضبط

لحل تحدي الضبط، تقدم الورقة طريقة تحسين هجينة مستوحاة من سلوك الحيوانات. تستكشف خوارزمية مستندة إلى البجع أولاً كامل فضاء إعدادات المتحكم المحتملة، بتصرف يشبه سربًا يبحث على نطاق واسع عن الطعام. تُسلم أفضل الحلول لديها بعد ذلك إلى مُحسّن مستوحى من الذئاب الرمادية، الذي يقلد كتيبة صيد تقترب من الفريسة. يوازن هذا المخطط ذي المرحلتين بين الاستكشاف العريض والتنقيح الدقيق. الهدف هو تقليل مقياس خطأ التحكم على مدى الزمن، مع الحفاظ على جهد مخزن الطاقة الداخلي للمرشح ثابتًا حتى يتمكن المرشح النشط من الاستجابة سريعًا لتغير الأحمال.

ماذا تكشف المحاكاة

باستخدام محاكاة مفصلة في MATLAB/Simulink، يختبر المؤلفون المتحكم الجديد في ظل أحمال متوازنة ومقصودة غير متوازنة. أولاً، تقلل المرشحات السلبية وحدها تشويه التيار من نحو 28 في المائة إلى ما يزيد قليلاً عن 6 في المائة. عندما يُضاف المرشح النشط الهجين ويُضبط متحكمه الرتيب-الجزئي بواسطة خوارزميات مفردة، يتحسن الأداء أكثر لكنه يظل محدودًا. مع تركيب البجع–الذئب الرمادي المقترح، ينخفض التشويه في تيار التغذية إلى حوالي 4.3 في المائة، مما يفي بسهولة بأهداف جودة الطاقة الدولية. كما يستقر المتحكم المحسّن إلى جهده الهدف أسرع، مع تجاوز أقل، ويحافظ على تيارات المصدر شبه الجيبية حتى مع تبدّل الأحمال بين سيناريوهات غير خطية ومتوازنة وغير متوازنة.

لماذا هذه المقاربة واعدة

للقارئ، الرسالة الأساسية هي أن التحكم الأذكى، وليس زيادة الأجهزة فحسب، يمكن أن يجعل الكهرباء أنظف وأكثر موثوقية. من خلال إقران متحكم رتيب-جزئي مرن بطريقة ضبط هجينة مستوحاة من الطبيعة، يبيّن المؤلفون أن إعداد مرشح واحد يمكن أن يتكيف مع العديد من ظروف العالم الحقيقي دون إعادة ضبط مستمرة. تشير نتائجهم إلى مسار عملي نحو أنظمة توزيع «تتعافى ذاتيًا» أكثر مرونة، وهو أمر مهم خصوصًا مع زيادة الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية ومصادر الطاقة المتجددة في المدن. ورغم أن العمل مُظهر حاليًا في المحاكاة، إلا أنه يمهد الطريق لاختبارات حقيقية في الزمن الفعلي وتصاميم مستقبلية تحافظ تلقائيًا على جودة الطاقة ضمن حدود صارمة، غير مرئية إلى حد كبير للمستخدم النهائي لكنها حاسمة للحفاظ على إضاءة وتشغيل كل ما وراءها بسلاسة.

الاستشهاد: Salah Eldeen, R.S., Elkoshairy, A.D., Mageed, H.M.A. et al. A hybrid pelican-GWO optimized fractional order PID controller for enhanced performance of hybrid active power filters. Sci Rep 16, 12461 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45958-4

الكلمات المفتاحية: جودة الطاقة, تنقية التوافقيات, التحكم الرتيب-الجزئي, تحسين باستخدام التحسينات الاستدلالية, الشبكة الذكية