Том 28, № 4 (2020)
Информатика, вычислительная техника и управление
Параметрическая идентификация в обратных задачах теплопроводности в условиях интервальной неопределенности на основе нейронных сетей
Аннотация
Работа посвящена развитию методов параметрической идентификации, применяемых для решения обратных задач технологической теплофизики в условиях интервальной неопределенности параметров. При решении таких задач в условиях действия возмущающих факторов использование искусственных нейронных сетей, воспроизводящих структуру оператора прямой задачи при небольшой размерности искомого вектора параметров, позволяет получить удовлетворительные результаты. На примере граничной обратной задачи теплопроводности предложен вариант построения нейронной сети для решения задачи с известной структурой математического оператора, характеризующегося небольшим числом параметров. Метод позволяет использовать априорную информацию о допустимом диапазоне принадлежности идентифицируемых характеристик или их параметров. Входными данными для нейросетевой модели являются все возможные реализации температурных состояний, полученные как реакции на входное воздействие, в качестве которого выступает идентифицируемая характеристика, удовлетворяющая всем допустимым вариантам сочетания параметров.
Решение задачи представляет итерационную процедуру, на каждом шаге которой с помощью нейронной сети уточняется значение одного из параметров, задающих параметрическое представление искомой величины. Сочетание нейросетевых технологий с качественной информацией о закономерностях протекания процессов нестационарной теплопроводности позволяет повысить точность решения задачи параметрической идентификации в условиях действия возмущений. Продемонстрированы варианты решения граничной обратной задачи теплопроводности при одно- и двухпараметрическом представлении искомой характеристики в условиях действия возмущений. Исследована точность решения задачи в зависимости от интенсивности возмущающего воздействия.
6-18
Двухканальное оптимальное по быстродействию управление нестационарным процессом теплопроводности с учетом инерционности граничных управляющих воздействий
Аннотация
Предлагается постановка и метод расчета алгоритмов оптимального по быстродействию управления процессом нагрева неограниченной пластины с двумя внешними сосредоточенными управляющими воздействиями по величине тепловых потоков на ее поверхностях в нагревательной установке с внешним теплообменом. Основная особенность задачи заключается в учете инерционности обоих управляющих воздействий, создаваемой за счет динамики процессов теплопередачи в рабочем пространстве печи. Рассматриваемая задача формулируется в условиях заданной точности равномерного приближения конечного температурного распределения по толщине пластины к заданному. Для решения данной задачи предлагается известный подход, использующий предварительную параметризацию управляющих воздействий на основе аналитических условий оптимальности в форме принципа максимума Понтрягина. На следующем этапе предлагаемый метод сводится к редукции исходной задачи оптимального управления к математической задаче полубесконечной оптимизации, решение которой находится с помощью альтернансного метода. Альтернансные свойства конечного результирующего температурного состояния в конце оптимального процесса приводят к специальной системе уравнений, которая при наличии дополнительной информации о форме кривой пространственного температурного распределения сводится к системе уравнений, составляемой для результирующего температурного поля в точках достижения предельно допустимых отклонений от заданной температуры и разрешаемой относительно всех искомых неизвестных. Приводится пример задачи оптимального по быстродействию управления температурным полем неограниченной пластины в печах с внешним теплообменном, результаты ее решения и их анализ.
19-31
Адаптивная система поддержания качества промысловой подготовки нефти с идентифицируемой моделью
Аннотация
В статье рассмотрены вопросы создания адаптивной системы поддержания качества промысловой подготовки нефти. В основе предложенной системы лежит математическая модель процесса подготовки нефти, позволяющая прогнозировать показатели качества товарной продукции. Для предотвращения отклонения показателей качества товарной нефти от нормативных значений система прогнозирует новые значения параметров технологического режима и время их корректировки. Математическая модель процесса реализована в программном продукте для моделирования и расчета процессов и аппаратов «МиР ПиА Процесс». В предложенной системе постоянно корректируется математическая модель на основании данных информационно-измерительной аппаратуры о реальном режиме работы установки, а также периодических результатов лабораторных анализов.
32-49
Синтез релейной системы с переменным гистерезисом как альтернатива скользящему режиму управления
Аннотация
Предложены и исследованы алгоритмы управления релейными системами с отрицательным переменным гистерезисом в статической характеристике управляющего устройства и переменной структуре, которые обеспечивают упрощение регулирующего устройства за счет исключения переменной времени из закона управления. Проведено сравнение со скользящим режимом управления, использующим производную в законе управления. Описанные алгоритмы управления рассмотрены на примере системы вентиляции и отопления с трехпозиционным клапаном в качестве управляющего устройства. Цифровое моделирование разработанных алгоритмов подтверждает эффективность их использования применительно к широкому классу управляемых объектов по целому ряду качественных показателей функционирования релейных систем автоматического регулирования. Показано, что переходные характеристики систем автоматического управления при одинаковых начальных условиях имеют монотонный характер и одинаковое время переходного процесса. При этом управление с отрицательным переменным гистерезисом проще в реализации и последующей настройке
50-61
Модели оценки эффективности технического обслуживания роботизированных транспортных средств
Аннотация
При создании и эксплуатации системы беспилотных автомобилей для агротехнических предприятий большое значение имеет организация технического обслуживания и ремонта. В статье предлагается методика оценки эффективности функционирования роботизированных транспортных средств с точки зрения эксплуатации и технического обслуживания. Предложено использовать метод анализа среды функционирования, базирующийся на моделях дробно-рационального программирования. Определены параметры роботизированных транспортных средств, по которым проводится сравнительная оценка. Основными показателями эффективности системы технического обслуживания и ремонта являются: коэффициент простоя при техническом обслуживании, коэффициент сходов автомобиля с линии, надежность узлов автомобиля, остаточный ресурс, пробег в месяц, удельная стоимость эксплуатации и технического обслуживания. Базовыми моделями выбраны модели Купера – Чарнеса – Роудса и Банкера – Чарнеса – Купера с использованием построения границы суперэффективности. Выполнен анализ решений для различных подмножеств параметров роботизированных автомобилей. Построены диаграммы множества производственных возможностей и определены целевые изменения параметров автомобилей и системы технического обслуживания для достижения границы эффективности. Проведена оценка развития системы технического обслуживания с использованием индекса Малмквиста, выявлены причины неудовлетворительной эксплуатации роботизированных автомобилей. Сделаны выводы по улучшению организации системы технического обслуживания.
62-76
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
Сенсорные сети – распределенные информационно-измерительные и информационно-управляющие системы
Аннотация
Рассматриваются задачи контроля и управления территориально распределенными объектами. Рассмотрены сенсорные сети, работающие по технологии ZigBee. Приведены характеристики стандарта 802.15.4 ZigBee. Показаны преимущества этой технологии при построении сетей, мало критичных к задержкам трафика. Рассмотрены элементы такой сети, первичные преобразователи, применяемые в этих сетях и их энергетические характеристики. Рассмотрены вопросы уменьшения и компенсации задержек в цепях управления. Показана целесообразность применения при управлении распределенными системами методов прогнозирования, которые основаны на предметно ориентированных моделях.
77-88
Вычисление коэффициентов асимметрии и эксцесса хроматографических пиков с применением функций чебышева–эрмита и рядов грама–шарлье
Аннотация
Цель работы заключается в разработке алгоритма, позволяющего по коэффициентам разложения в базисе функций Чебышева – Эрмита оценить коэффициенты асимметрии и эксцесса для хроматографического пика, заданного рядами Грама – Шарлье. Исследуется возможность прямого перехода от коэффициентов кодирования в базисе функций Чебышева – Эрмита к весам при членах ряда Грама – Шарлье с дальнейшим выражением интересующих коэффициентов асимметрии и эксцесса. С помощью алгоритма кодирования сигналов в базисе функций Чебышева – Эрмита применительно к рядам Грама – Шарлье формируется линейное уравнение относительно коэффициентов асимметрии и эксцесса, система таких уравнений решается методом Крамера для вычисления значений искомых коэффициентов. Приводятся примеры вычисления искомых коэффициентов для сигнала, заданного рядом Грама – Шарлье. Производится анализ погрешностей алгоритма, зависимости погрешностей вычисленных коэффициентов асимметрии и эксцесса от погрешностей определения сдвига и среднеквадратической ширины исследуемого хроматографического пика. Благодаря использованию полученных формул расчета коэффициентов асимметрии и эксцесса удается построить быстрые вычислительные алгоритмы обработки, в том числе решение задачи разделения совмещенных хроматографических пиков. Для вычислений и графического представления результатов моделирования использована система компьютерной алгебры Wolfram Mathematica 11.3.
89-105
Электротехника
Моделирование и исследование системы электропитания мультигенераторной установки свч-нагрева
Аннотация
Поставлена задача исследования электромагнитных процессов в системе электропитания установки диэлектрического нагрева, в которой СВЧ-колебания создаются группой пакетированных магнетронов промышленного назначения. В среде Matlab с пакетом расширения Simulink разработана имитационная модель, которая позволяет получить информацию о мгновенных и интегральных значениях напряжений и токов в системе электропитания, рассчитать ее энергетические характеристики. Моделирование проведено для случая, когда источниками СВЧ-колебаний являются пакетированные магнетроны 2М164. По результатам моделирования определено влияние параметров сетевого напряжения на режим работы СВЧ-установки и показана необходимость его стабилизации для обеспечения заданного режима работы установки. Показано, что импульсный режим работы магнетронов является причиной искажения потребляемых токов и протекания тока в нейтральном проводе.
106-117
Оптимизация режима работы распределительных сетей с активно-адаптивными элементами
Аннотация
Как правило, электроснабжение потребителей обеспечивается от собственных источников электроэнергии или от имеющихся электрических сетей. Поэтому важной задачей является разработка мер для поддержания качества электрической энергии на шинах конечного потребителя. Распределенное производство электроэнергии предполагает строительство дополнительных источников электрической энергии в непосредственной близости от потребителей. В настоящее время основными интересами потребителей являются возможности резервирования за счет экономии уменьшения расходов, увеличенный КПД совместной генерации тепла и электроэнергии. Различные энергетические компании начали активнее полагаться на уже имеющуюся поддержку от источников распределенной генерации во время пиковых нагрузок, на применение собственных мощностей для уменьшения потерь и совершенствования параметров работы сети. Альтернативная генерация может стать дополнительным источником активной мощности. На объекты распределенной генерации в настоящее время в России приходится порядка семи процентов от всего объема выработки электрической энергии. Этот показатель в два раза меньше, чем показатели мирового масштаба, но как явление распределенная генерация уже состоялась в России, и эта отрасль активно развивается. Значительный износ основных средств в энергетических комплексах, большая аварийность, плановые и внеплановые отключения являются одними из весомых проблем энергетической сферы России. Возобновляемая энергетика является направлением альтернативной энергетики, которое основано на применении практически неисчерпаемых ресурсов для выработки электроэнергии (солнечной, ветряной, речной, морской, геотермальной и др.). У возобновляемой энергетики есть как преимущества, так и недостатки. Газовая распределенная генерация является наиболее эффективной технологией энергетики. Популярность распределенной генерации, внедрение «умных» сетей имеют много предпосылок. Выгоды, которые получает владелец распределенной генерации, очевидны.
118-130
Структурно-параметрическая идентификация поворотного стола
Аннотация
Рассматривается вопрос повышения точности воспроизведения сигнала задания поворотным столом, получивший самое широкое распространение как для работы в автономном режиме, так и в составе электромеханических комплексов, например, координатно-расточных станков. Недостаток традиционных конструкций столов – наличие люфта в подаче движения от электродвигателя к планшайбе, устройство фиксации планшайбы, что ограничивает статическую и динамическую точность в положении планшайбы и, следовательно, в обработке детали. В статье рассматривается принципиально новая конструкция стола – в виде мехатронного модуля, в котором электродвигатель и планшайба соединены без редуктора. Это позволило исключить недостатки традиционного поворотного стола и обеспечить высокую статистическую и динамическую точность в воспроизведении сигнала задания.
131-141
Комбинированный магнитный подвес
Аннотация
Повышение энергоэффективности и снижение массогабаритных показателей активных магнитных подшипников – актуальная задача, решение которой позволит повысить конкурентоспособность магнитного подвеса. Использование энергии постоянных магнитов на основе редкоземельных металлов является перспективным направлением совершенствования магнитных подшипников. В статье изложены некоторые вопросы интеграции высококоэрцитивных постоянных магнитов в магнитную систему радиального электромагнитного подвеса. Рассмотрена упрощенная математическая модель и предложен подход к расчету габаритных размеров полюсов с закладными магнитами и управляющих полюсов. По приведенной методике рассчитана геометрия комбинированного магнитного подвеса. Методом численного моделирования уточнено магнитное состояние исследуемых машин, получены тяговые характеристики традиционного и комбинированного магнитного подшипника. Установлено, что в заданных габаритах возможно размещение постоянных магнитов, необходимых для компенсирования основной возмущающей силы – веса ротора, что позволяет снизить токи обмоток электромагнитов и повысить энергоэффективность подвеса за счет снижения потерь в меди. Это в итоге позволит уменьшить стоимость системы управления подвесом и емкость резервных аккумуляторных батарей. Использование постоянных магнитов существенно влияет на эксплуатационные качества подвеса и смещает рабочую точку на тяговой характеристике подшипника, компенсирующего вес ротора, в область средних значений. В тепловом отношении все катушки электромагнитов оказываются нагруженными более равномерно. Рассмотренные особенности гибридного магнитного подвеса положительно влияют на динамические характеристики системы управления.
142-154
Наблюдатель скорости вращения асинхронного двигателя
Аннотация
Статья посвящена математическим основам создания бездатчиковых систем стабилизации скорости асинхронных двигателей со скалярным управлением. Существует большое количество применений электроприводов переменного тока, где требуется именно скалярное управление, а применение датчиков скорости невозможно по техническим или экономическим причинам. Большинство же современных наблюдателей скорости асинхронного двигателя предназначены для электроприводов с векторным управлением и базируются на решении дифференциальных уравнений с применением фильтров Калмана или адаптивной модели асинхронного двигателя. В статье рассматривается новый подход к созданию наблюдателя скорости, основанный на решении алгебраического уравнения механической характеристики асинхронного двигателя. Проанализировано изменение скорости ротора двигателя под действием момента нагрузки и вариации напряжения статора. Введен в рассмотрение коэффициент, связывающий скорость асинхронного двигателя с напряжением. Показано, что его величина зависит от начальных условий и момента нагрузки. Учтена нелинейная связь момента, развиваемого двигателем, с током статора. В результате найдена аналитическая зависимость, связывающая скорость асинхронного двигателя с действующими значениями напряжения и тока статора и частотой этих величин. Проведена оценка адекватности полученной формулы для расчета скорости асинхронного двигателя в системе скалярного частотного управления. Приведены результаты натурных экспериментов, которые показывают, что максимальная погрешность вычисления скорости по найденной аналитической зависимости не превышает 4,3 %. Сделан вывод о целесообразности применения полученной формулы в наблюдателе скорости асинхронного двигателя электропривода со скалярным управлением.
155-166