Архив рубрики: Технические системы

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

АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ ОТВЕТСТВЕННОГО УЗЛА РАДИОТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ПРИ НАЛИЧИИ РЕЗЕРВНЫХ БЛОКОВ В СЛУЧАЕ ОПАСНОСТИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ


УДК 519.217.2
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.28.1.009

Ю.В. Корыпаева, Н.А. Алейникова, Н.Е. Красова


Рассматривается задача дублирования ответственного узла радиотехнического устройства несколькими резервными блоками в случае возможности короткого замыкания или другой потенциальной опасности внезапного отключения устройства. Для исследования подобных ситуаций при моделировании возможного внезапного выхода агрегата из строя вводится малый положительный параметр в знаменателях интенсивностей отказов основного устройства и дублирующих блоков. В связи с этим система уравнений Колмогорова для рассматриваемого случая будет являться сингулярно возмущенной. Для полученной модели найдены основные характеристики надежности устройства: вероятность потери работоспособности, математическое ожидание времени выхода из строя последнего дублирующего блока, дисперсия и опасность отказа агрегата. Аналогичные характеристики найдены для соответствующей задачи без резервирования. На основании сравнительного анализа полученных результатов для характеристик надежности основной задачи и их сравнения с результатами для системы без резервирования выявлен ряд особенностей и сделаны выводы о целесообразности резервирования в рассматриваемом случае. Для конкретных значений числа дублирующих блоков, интенсивностей отказов и малого параметра приведена таблица результатов для математического ожидания времени выхода из строя последнего устройства и сделаны выводы.

Ключевые слова: прогнозирование надежности, резервирование, цепи Маркова с конечным числом состояний, сингулярные возмущения.

Полный текст статьи:
KoripaevaSoavtors_1_20_1.pdf

ДИСКРЕТНАЯ АППРОКСИМАЦИЯ МОДЕЛЕЙ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ


УДК 62-50:532.546
DOI: 10.26102/2310-6018/2020.28.1.006

Л.Б. Афанасьевский, А.Н. Горин, М.А. Чурсин, О.Ю. Лавлинская


Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки математического аппарата приближенного математического описания в виде дискретных передаточных функций для решения задач управления непрерывными системами с распределенными параметрами. В связи с этим, в данной статье рассматривается модель аппроксимации динамических свойств систем. Аппроксимация выполняется в окрестностях рабочего статического режима путем замены производных их разностными аналогами, применимыми к разностной модели дискретного преобразования Карсона, последовательного дифференцирования результатов преобразования по комплексной переменной и перехода к пределу при нулевом значении этой переменной. Ведущим методом к исследованию проблемы управления непрерывными системами с распределенными параметрами является метод аналитического моделирования, позволяющий получить аппроксимацию с достаточной степенью приближения. В статье представлены результаты преобразования модели в виде последовательности уравнений, обеспечивающих рекуррентное вычисление моментов дискретных весовых функций, начиная с момента нулевого порядка. Коэффициенты приближенных дискретных передаточных функций определяются путем решения систем линейных алгебраических уравнений, коэффициенты которых зависят от моментов дискретных весовых функций. Приведен пример расчета для системы, описываемой двумя дифференциальными уравнениями с частными производными. Материалы статьи представляют практическую ценность для специалистов химической промышленности, цветной металлургии и ряда других отраслей промышленности, где широко используются методы аналитического моделирования объектов.

Ключевые слова: системы с распределенными параметрами, преобразование Карсона, моменты дискретных весовых функций, дискретная передаточная функция.

Полный текст статьи:
AfanasievskySoavtors_1_20_1.pdf

ЭВОЛЮЦИЯ СОСТОЯНИЯ НАБЛЮДАТЕЛЯ ОТ ИМПУЛЬСА К ИМПУЛЬСУ В ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ С БЕСКОНТАКТНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА


УДК 621.313.292
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.046

С.А. Винокуров, О.А. Киселёва, Н.И. Рубцов


В работе проводится анализ наблюдателя состояния в электроприводе с бесконтактным двигателем постоянного тока, считая, что система управления в нем построена как гибридная, которой присуща как дискретная, так и непрерывная динамика. Идеальное векторное управления бесконтактным двигателем постоянного тока можно описать теоретически и использовать его как шаблон для определения отклонений при различных способах управления и оценки их эффективности. В работе приведено сравнение идеального управления с дискретным управлением, показаны возможности реализации непрерывных законов управления за счет смещения управляющих импульсов в пространстве и времени. При импульсном управлении, которое используется в электроприводе в настоящее время, вычисляются не только длительности импульсов, но и расстояния между ними, то есть начало следующего импульса, а главное выбирается ведущий базовый вектор. Наблюдатель состояния в такой системе выполняет сложную роль, особенно при наличии в звеньях системы запаздывания, которые могут нарушить устойчивость синхронного режима двигателя с наблюдателем состояния. В работе приведена структурная схема математической модели наблюдателя состояния с детектором полного оборота.

Ключевые слова: бесконтактный двигатель постоянного тока, наблюдатель состояния, гибридное управление, ведущий базовый вектор.

Полный текст статьи:
VinokurovSoavtors_4_19_1.pdf

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАБЛЮДАТЕЛЯ СОСТОЯНИЙ
В БЕСКОНТАКТНОМ ДВИГАТЕЛЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА


УДК 621.313.292
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.045

О.А. Киселёва, Т.В. Попова, О.А. Киселёва


В работе проводится анализ формирования дискретного векторного эквивалента для управления бесконтактным двигателем постоянного тока. Рассмотрены вопросы применения наблюдателей состояния вместо электромеханических датчиков положения ротора. Показана особенность построения наблюдателя состояния, заключающаяся в том, что информация на его вход поступает от непрерывного рабочего токового поля, а на выходе он формирует дискретное вращающее управляющее поле за счет переключений обмоток синхронного двигателя силовым инвертором напряжения, базируясь на параметрах двигателя и исполнительного устройства. Для обеспечения синхронизации необходимо решать вопрос о частоте опроса датчиков и возможности обработки этой информации, что ведет к запаздываниям сигналов. При этом необходимо учитывать не только временные зависимости, связанные с началом и окончанием импульсов, но и пространственные, связанные с чередованием базовых ведущих векторов. Проведена оценка эффективности управления в электроприводах с бесконтактными двигателями постоянного тока и датчиками наблюдения. В некоторых случаях применение наблюдателей скорости в электроприводе приводит к уменьшению диапазона регулирования скорости. Построены графики переходных процессов в электроприводе при различных значениях параметров регулятора скорости.

Ключевые слова: бесконтактный двигатель постоянного тока, наблюдатель состояния, переходные характеристики, управляющее дискретное поле.

Полный текст статьи:
KiselevaSoavtors_4_19_1.pdf

СТРУКТУРИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ


УДК 004.9
DOI: 10.26102/2310-6018/2019.27.4.044

К.А. Федутинов


В статье рассматриваются вопросы разработки управленческих решений по улучшению состояния окружающей среды на основе внедрения геоинформационных технологий, включающих методы оценки и прогнозирования экологической ситуации на основе мониторинговых подходов. Развитие технологий обработки больших данных определило тенденции широкого внедрения систем мониторинга, функционирующих в реальном времени. В связи с этим, задачу мониторинга природных объектов предлагается решать как задачу определения и контроля свойств и состояний сложного объекта в режиме реального времени и активного взаимодействия с окружающей средой, а также выработки управленческих решений и рекомендаций. В качестве математического аппарата для структуризация экологической информации предлагается использовать нейронную сеть Fuzzy ART, хорошо зарекомендовавшую себя при обработке данных в режиме реального времени. Для визуализации получаемой информации и интеграции результатов работы сети сети Fuzzy ART в геоинформационную систему предлагается использовать Python-библиотеку Folium, предназначенную для графического отображения географических данных, и содержащую всю необходимую картографическую информацию. С помощью Folium результаты структуризации экологических данных можно изображать непосредственно на Google-картах, что дает возможность при увеличении масштаба карты визуально определять границы кластеров и возможные буферные зоны.

Ключевые слова: нейронная сеть, кластеризация, машинное обучение, теория адаптивного резонанса, сеть Fuzzy ART, ГИС-система.

Полный текст статьи:
Fedutinov_4_19_1.pdf