Архив рубрики: Технические системы

АППРОКСИМАЦИЯ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НА СЕТИ


УДК 517.927
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.30.3.003

О.Р. Балабан


В работе рассматриваются вопросы аппроксимации математических моделей сетеподобных эволюционных процессов переноса применительно к дифференциальным системам с распределенными параметрами на сети (графе). Указан подход, использующий применение теории классических вычислительных методов, состоящий в сведении исследуемой задачи к системам алгебраических уравнений (вспомогательных конечномерных задач), в которых неизвестными являются значения сеточных функций в точках разбиения ребер графа. При этом наличествует достаточно широкая возможность для выбора разного типа сходящихся разностных схем, существенно отличающихся друг от друга: явные разностные схемы, неявные разностные схемы, аналоги разностных схем Кранка-Николсона (ниже, чтобы не загружать исследование техническими сложностями, используются явные разностные схемы). Следует отметить характерную особенность изучаемых математических моделей, наследуемую реологической структурой графа – наличие особых точек графа, в которых дифференциальное уравнение не определяется (узлы или вершины графа) и заменяется обобщенными условиями Кирхгофа. Формализмы последних описывают закономерности переноса сплошных сред в этих точках и требуют отдельного подхода в вопросах аппроксимации (в работе для простоты изложения используются классические разностные отношения). Следует также отметить, что использование при аппроксимации неявной разностной схемы или схемы Кранка-Николсона требует дополнительного анализа вспомогательных конечномерных задач (разрешимость, равномерная ограниченность приближений к решению исходной задачи), но при этом существенно увеличивает точность вычисления приближений. Использование явной разностной схемы освобождено от изучения некоторых из указанных вопросов, однако (и это при анализе некоторых прикладных задач может быть существенным препятствием в использовании) дает достаточно большую погрешность определения решения исходной задачи. Приведенные частные примеры прикладного характера иллюстрируют пути численного анализа дифференциальных систем с носителями на произвольной сети (графе). Полученные результаты достаточно просто переносятся на изучение численными методами волновых процессов и явлений колебания в процессах переноса.

Ключевые слова: эволюционные процессы переноса на сетях, аппроксимация, разностная схема, особенности в узлах сети, численные методы

Полный текст статьи:
Balaban_3_20_1.pdf

СПОСОБ ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ДЕСТРУКТИВНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ, ОСНОВАННЫЙ НА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ МОДУЛЯЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В СЕТЯХ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ


УДК 654.16
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.039

Гилев И.В, Канавин С.В, Попов А.В, Хохлов Н.С. Способ


В статье рассмотрен способ противодействия деструктивным электромагнитным воздействиям, основанный на переносе спектра сигнала при помощи вейвлет-преобразований в сетях связи специального назначения (СС СН), функционирующих на основе стандарта мобильного широкополосного доступа WIMAX. В качестве модели деструктивного электромагнитного воздействия, оказывающего влияние на работу сети связи специального назначения выбран гауссовский биполярный импульс. При воздействии помехи такого типа на сигнал системы WIMAX, нарушается режим нормального функционирования СС СН. В качестве модулирующей функции был выбран MHAT-вейвлет, поскольку он описывается в частотно-временной полуплоскости и его параметры зависят от определенных коэффициентов масштабирующего множителя и временного сдвига. Таким образом, можно менять параметры модулированного сигнала путем изменения коэффициентов вейвлет-функции, которой он модулируется. MHAT-вейвлет, получается в результате двукратного дифференцирования функции Гаусса. Данный способ находит свое применение в первую очередь из-за того, что вейвлет функционирует в частотно-временной полуплоскости и его параметры зависят от определенных коэффициентов (масштабирующего множителя и временного сдвига). Таким образом, можно менять параметры модулированного сигнала путем изменения коэффициентов вейвлет-функции, которой он модулируется. Результатами данного способа являются перенос спектра сигнала WIMAX в другую полосу частот, где так же функционирует СС СН, с помощью модуляции вейвлет-функцией, а также увеличение его мощности и расширение спектра

Ключевые слова: широкополосная система связи; системы связи стандарта WIMAX; моделирование функционирования в условиях деструктивных электромагнитных воздействиях; способ противодействия деструктивным электромагнитным воздействиям с применением вейвлет-преобразования, MHAT-вейвлет.

Полный текст статьи:
GilevSoavtors_2_20_1.pdf

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ПРОТОКОЛА МАРШРУТИЗАЦИИ В БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ


УДК 681.518
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.038

В.О. Ключников


В связи с бурным развитием беспроводных технологий, оптимальный выбор типов сетей и протоколов маршрутизации является актуальной задачей. Рассматривается современное состояние моделей трафика с точки зрения протоколов маршрутизации в беспроводных сенсорных сетях (БСС). Класс соответствующих сетей с низким энергопотреблением (LLN) обеспечивает эффективную маршрутизацию при передаче пакетов данных в небольших локальных сетях. Протокол динамической маршрутизации AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) в БСС минимизирует длину маршрута трафика. Моделирование трафика в БСС рассмотрено на примере передачи цветных изображений. Для агрегированных разнородных потоков трафика в сети применен критерий Колмогорова, и получены зависимости позволяющие рассчитать коэффициент Хёрста с помощью анализа вариации дисперсии H=0,768. Этот же параметр рассчитан как оптимальный для пакета изображений на сенсорном поле 50×50 м2 в зависимости от количества передающих узлов и равен . Для БСС рассмотрены различные варианты подключений с азличными вариантами подключения клиента и оператора при наличии или отсутствии базовой станции. Также для беспроводных сенсорных сетей выполнено сравнение протоколов RPL и AODV путем моделирования. Показано, первый является оптимальным. С точки зрения перспектив сетей
5-го поколения возможно применение D2D (device-to-device) подключения. В этом варианте из двух протоколов (AODV, DSDV) AODV более предпочтителен как по минимуму времени общей задержки, так и по минимуму количества шагов при передаче данных. Развитие беспроводных сетей 5-го поколения выведет трафик на уровень широкополосного проводного Интернета и обеспечит качественно новый уровень возможностей для клиентов этих сетей.

Ключевые слова: беспроводная сенсорная сеть, RPL-протокол, AODV-протокол, D2D-подключения, коэффициент Хёрста, критерий Колмогорова, сеть 5G

Полный текст статьи:
Klyuchnikov_2_20_1.pdf

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ СИНТЕЗА ЦВЕТОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ МЕТАЛЛОПЛАСТМАССОВЫХ ЗУБНЫХ ПРОТЕЗОВ


УДК 004:621.391(004:9)
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.036

К.А. Гафуров


Современная медицинская практика характеризуется всеобщим применением технических средств диагностики и лечения заболеваний. Одним из наиболее бурно развивающихся направлений в медицине является стоматология, в частности эстетическая стоматология. Наиболее ключевое место в эстетической стоматологии занимает подбор адекватной цветовой составляющей зубных протезов. Для решения данной задачи была разработана информационная модель синтеза цветовых составляющих металлопластмассовых зубных протезов. Был разработан граф выбора компонентов составляющих массы красителей подбора заданной спектральной составляющей лицевой части протезируемого зуба. В качестве основного метода анализа процесса синтеза порошков был использован регрессионный анализ, являющийся инструментом анализа данных, позволяющим исследовать влияние одной или нескольких независимых переменных на зависимую переменную. Таким образом, была разработана математическая модель регрессионного типа, в которой изменение цветовых составляющих происходит в корреляционной зависимости, поэтому возможно составление интерполяционных уравнений, а на их основе анализ и рассмотрение единой системы для всех подуровней цветовых градаций. Для проверки работы разработанной информационной модели были созданы алгоритм и специализированное программное обеспечение. Проведенные клинические исследования показали полную адекватность разработанной модели.

Ключевые слова: моделирование, информатика, граф, регрессионная модель, алгоритм, стоматология, зубной протез, эстетика.

Полный текст статьи:
Gafurov_2_20_1.pdf

ИНЖЕНЕРНАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЁТА УРОВНЕЙ СИГНАЛОВ ПРИ ЗАГОРИЗОНТНОМ ТРОПОСФЕРНОМ РАСПРОСТРАНЕНИИ РАДИОВОЛН УКВ И СВЧ ДИАПАЗОНОВ С УЧЁТОМ ВЫСОТ ПОДНЯТИЯ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ И ПРИЁМНОЙ АНТЕНН


УДК 537.87
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.025

А.Л. Ханис, С.В. Беспалько, В.А. Ханис, А.А. Ханис


Актуальность статьи обусловлена практическими потребностями расчёта уровней сигналов при загоризонтном тропосферном распространении радиоволн при отсутствии детальных данных о состоянии тропосферы и поверхности земли. В настоящее время существует ряд численных компьютерных моделей расчётов уровней сигналов в условиях загоризонтного распространения радиоволн с учётом высот поднятия излучающей и приемной антенн, но они требуют большого объема исходной информации в виде детальных данных метеонаблюдений, прогнозов состояния атмосферы, а также данных о рельефе и состоянии поверхности Земли, которые обычно недоступны. Существующие приближённые инженерные модели не требующие детальных данных об условиях распространения радиоволн разработаны применительно к расположению излучающей и приёмной антенн на поверхности Земли. Предлагаемая в данной работе модель основана на введении усредненного множителя ослабления для стандартных условий в тропосфере, передающей и приёмной антенн, размещенных на лётно-подъемных средствах и разбиении трассы распространения на участки прямой видимости и загоризонтного распространения. Цель исследования заключается в разработке и описании модели расчёта уровней сигнала (множителя ослабления) в условиях загоризонтного тропосферного распространения радиоволн, применительно к случаю размещения излучающей и приёмной антенн на лётно-подъёмных средствах. Задачи, решаемые для достижения цели, состоят в анализе трассы распространения радиоволн и оценки множителя ослабления на трассе в виде суммы множителей, характеризующих потери на участках трассы различного вида – прямой видимости, зоны дифракции и дальнего тропосферного распространения. Метод оценки множителя ослабления на трассе заключается в использовании в качестве базовой модели расчёта известного инженерного метода для стандартных условий дальнего тропосферного распространения. Результатом работы являются математические выражения для инженерного расчёта уровней сигналов при загоризонтном тропосферном распространении радиоволн с учётом высот поднятия излучающей и приёмной антенн. Предложенная модель основана на введении усредненного множителя ослабления для стандартных условий в тропосфере, передающей и приёмной антенн, размещенных на лётно-подъемных средствах и разбиении трассы распространения на участки прямой видимости и загоризонтного распространения и может быть использована для приближённой оценки уровней принимаемых сигналов при загоризонтном тропосферном распространении радиоволн без детальных данных о состоянии тропосферы и поверхности Земли.

Ключевые слова: множитель ослабления радиоволн, загоризонтное тропосферное распространение радиоволн, расчёт уровней сигналов на трассах распространения радиоволн, передающая антенна, приёмная антенна, лётно-подъёмные средства, рефракция, дифракция, прямая видимость.

Полный текст статьи:
KhanisSoavtors_2_20_1.pdf

КУСОЧНО-НЕЙРОННАЯ МОДЕЛЬ НА БАЗЕ РАСЩЕПЛЕННЫХ СИГНАЛОВ
ДЛЯ МЕМРИСТОРОВ БЕРНУЛЛИ


УДК 519.65; 621.3.01
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.016

Е.Б. Соловьева, А.А. Гарчук


Актуальность исследования обусловлена сложностью математического моделирования нелинейных динамических устройств, поскольку аналитические решения систем нелинейных дифференциальных уравнений высокой размерности не всегда удается получить, а численные решения часто сопровождаются проблемой плохой обусловленности. В данной ситуации эффективно поведенческое моделирование, когда объект исследования представляется в виде «черного или серого ящика», и его математическая модель строится с применением множеств входных и выходных сигналов. Поведенческое моделирование важно в условиях ограниченности информации о новых элементах и технологиях, а также при сложности и разнообразии моделей, построенных на компонентном уровне. В статье рассмотрено поведенческое моделирование мемристивных устройств, активно развиваемых с использованием нанотехнологий для энергосберегающей техники. Предложен метод поведенческого моделирования передаточных характеристик мемристивных устройств с помощью кусочно-нейронных моделей на базе расщепленных сигналов. Для понижения размерности задачи аппроксимации нелинейных операторов и, следовательно, для упрощения математических моделей применены: аппарат нейронных сетей, метод расщепления сигналов, позволяющий адаптировать модель к классу входных сигналов, а также способ кусочной аппроксимации операторов нелинейных динамических систем. На основе предложенного метода построена кусочно-нейронная модель, включающая пять трехслойных нейронных сетей простой структуры (3x2x1, 100 параметров) и обеспечивающая существенно более высокую точность моделирования передаточной характеристики мемристоров, динамика тока в которых описывается дифференциальным уравнением Бернулли, по сравнению с двухслойной кусочно-нейронной и кусочно-полиномиальной моделями. Материалы статьи представляют практическую ценность для поведенческого моделирования мемристоров и мемристивных устройств различного функционального назначения, а также других нелинейных динамических систем, поскольку развивают универсальный аппарат аппроксимации нелинейных операторов на основе нейронных сетей.

Ключевые слова: нелинейная динамическая система, математическое моделирование, нелинейный оператор, нелинейная модель, аппроксимация, нейронная сеть, мемристор.

Полный текст статьи:
SolovyevaHarchuk_2_20_1.pdf

КОНТРОЛЛЕР ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С НЕЙРО-АДАПТИВНОЙ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКОЙ УПРАВЛЕНИЯ


УДК 004.67
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.015

Хан Мьо Хтун, А.Н. Якунин


Разработка контроллеров двигательных приводов является актуальной задачей в промышленных и роботизированных манипуляторах. Контроллеры двигателей постоянного тока (ДПТ) могут применяться в различных задачах, так как их использование даёт гибкие возможности для развития алгоритмов управления. Многие известные контроллеры, использующие обратную связь, не могут поддерживать эффективность системы на приемлемом уровне. В работе предлагается разработка нового контроллера ДПТ, который позволяет увеличить эффективность его управления за счёт уменьшения tn (времени нарастания), σ (перерегулирования) и tp (времени регулирования) при сравнении с другими известными котроллерами (пропорционально-интегрально-дифференциальным (ПИД) контроллером и контроллером нечёткой (НЛ) логики). В статье рассматривается разработка контроллера на основе адаптивной системы с нейро-нечеткой логикой (АСНЛ) для эффективного управления скоростью ДПТ с нагрузкой. Реализована математическая модель разработанного контроллера в среде Matlab-Simulink. Сравнение предложенного контроллера с другими известными контроллерами выполнено по следующим критериям: tn, tp и σ. Для подтверждения эффективности предложенного АСНЛ-контроллера выполнено его сравнение с известными контроллерами. Результаты моделирования показали, что разработанный АСНЛ-контроллер снижает tn по сравнению с ПИД-контроллером на 5% и по сравнению с НЛ-контроллером на 17%, tp по сравнению с ПИД-контроллером на 37% и по сравнению с НЛ-контроллером на 17%, и σ по сравнению с ПИД-контроллером на 6% с нагрузкой.

Ключевые слова: двигатели постоянного тока (ДПТ), пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД), нечёткая логика (НЛ), адаптивная система нейро-нечеткого вывода (АСНЛ).

Полный текст статьи:
HanYakunin_2_20_1.pdf

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА В ПАКЕТЕ ПРОГРАММ MATLAB


УДК 519.6, 621.3
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.29.2.012

С.А. Заголило, А.С. Семёнов, М.Н. Семёнова, И.А. Якушев


Рассмотрена многодвигательная система электропривода добычного комбайна. Произведено компьютерное моделирование в пакете программ MatLab при помощи библиотеки блоков Simulink и приложения SimPowerSystems. Для исследования выбран добычной комбайн AM-75. Приведено описание силовой схемы основного электрооборудования комбайна, к которому относятся двигатели стреловидного рабочего органа, поворотного скребкового конвейера, подборщика с двумя нагребающими лапами. Для проведения моделирования в программе Mathcad были рассчитаны дополнительные параметры асинхронных двигателей, к которым относятся активные сопротивления и индуктивности обмоток статора и ротора, взаимоиндукция, приведенная мощность, номинальный ток, конструктивный и обмоточный коэффициенты двигателей. Разработана компьютерная модель прямого пуска всех асинхронных двигателей с взаимосвязью по технологическому процессу. Получены результаты моделирования в виде графиков временных зависимостей основных параметров двигателей: угловой частоты вращения и электромагнитного момента. Были получены графики напряжения и тока питающей сети, а также график потребления активной мощности. Произведена качественная оценка полученных результатов путем определения относительной погрешности смоделированных параметров и рассчитанных данных. В ходе оценки и анализа результатов моделирования выявлены незначительные погрешности в параметрах двигателей, что свидетельствует о точной реализации компьютерной модели и возможность её использования для инженерных расчетов.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, MatLab, Simulink, асинхронный двигатель, многодвигательный электропривод, добычной комбайн, угловая скорость вращения, электромагнитный момент, погрешность.

Полный текст статьи:
ZagoliloSoavtors_2_20_1.pdf

МОДЕЛИРОВАНИЕ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА НА РУЛОННЫХ МЕМБРАНАХ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ


УДК 66.081.63
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.28.1.037

А.Б. Голованчиков, М.К. Доан, Н.А. Меренцов


В статье рассматривается процесс ультрафильтрации на мембранах рулонного типа, установленных в роторе фильтрующей центрифуги специальной конструкции, обеспечивающей атмосферное давление в зоне образования фильтрата за мембраной и центробежное давление в зоне фильтрации ретанта до мембраны. Получены уравнения для расчета производительности по фильтрату и пермеату и концентрации в них молекул растворенного вещества. Приведен пример расчета в сравнении с установкой одного слоя листовой мембраны на боковой стенке перфорированного ротора. Результаты численных расчетов основных параметров процесса ультрафильтрации водного раствора ацилазы по разработанному алгоритму при скорости вращения ротора ω = 100 рад/с, радиусе ротора Rн = 0,25 м и ширине мембраны b = 0,5 м показывают, что площадь рулонной мембраны увеличивается в 12 раз, а степень концентрирования раствора почти в 6 раз, при этом расход пермеата возрастает почти в 10 раз по сравнению с листовой мембраной, уложенной в один слой на стенку перфорированного ротора. Однако очистка пермеата в роторе с рулонной мембраной уменьшается почти в 12,5 раза, так как средняя концентрация в пермеате возрастает с 1·10-5 % до 2,6·10-5 %.

Ключевые слова: ультрафильтрация, мембрана рулонного типа, центробежное поле, производительность, ретант, пермеат, концентрация.

Полный текст статьи:
GolovanchikovSoavtors_1_20_1.pdf

ОЦЕНИВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ПАРНОЙ ЛИНЕЙНОЙ РЕГРЕССИИ С ПАРАМЕТРАМИ В ВИДЕ МАТРИЦ ЛИНЕЙНЫХ ОПЕРАТОРОВ ДВУМЕРНОГО ВЕКТОРНОГО ПРОСТРАНСТВА


УДК 519.862.6
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.28.1.015

М.П. Базилевский, Л.Н. Власенко


Ключевой проблемой при построении регрессионной модели является выбор её структурной спецификации, т.е. состава переменных и математической формы связи между ними. Все известные на сегодняшний день спецификации регрессий основаны на том, что их неизвестные параметры представляют собой матрицы линейных операторов одномерного векторного пространства. В данной работе впервые рассмотрены модели парной линейной регрессии с параметрами в виде матриц линейных операторов двумерного векторного пространства. Показано, что такие модели можно использовать для прогнозирования значений объясняемой переменной, причем, для этого исследователю не нужно задавать прогнозные значения объясняющей переменной, поскольку они последовательно определяются по модели. Для оценивания предложенных моделей сформулирована оптимизационная задача, основанная на методе наименьших квадратов с ограничениями. С помощью метода множителей Лагранжа доказано, что решение сформулированной задачи сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений. Рассмотрен пример оценивания предложенных моделей по конкретным данным. В результате сумма квадратов ошибок по разработанной модели оказалась в пять раз меньше, чем сумма квадратов ошибок по классической модели парной линейной регрессии.

Ключевые слова: регрессионная модель, линейный оператор, векторное пространство, прогнозирование, метод наименьших квадратов, метод множителей Лагранжа.

Полный текст статьи:
BazilevskiySoavtori_1_20_1.pdf