Том 30, № 1 (2022)
Информатика, вычислительная техника и управление
Аналитическая аппроксимация и численное моделирование ликвидусов для неравновесных многокомпонентных эвтектических систем
Аннотация
В первой части статьи рассматриваются способы аналитической аппроксимации кривых ликвидуса для двухкомпонентных и трехкомпонентных систем и их визуализации средствами компьютерной графики. Для двухкомпонентных систем предлагается методика приближенного построения кривых ликвидуса, основанная на аппроксимации их полиномами первой и второй степени. Сравниваются диаграммы плавкости, полученные с помощью решения системы Шредера Ле Шателье и кривых ликвидуса, построенных на основе их приближения полиномами. Приводится значение максимального отклонения этих аппроксимаций друг от друга. Отдельно рассматриваются погрешности диаграмм плавкости двух систем: Ba(ClO4)2–KClO4 и BaF2–BaSO4, полученных экспериментальным путем и построенных с помощью системы уравнений Шредера Ле Шателье и аппроксимации их полиномами первой и второй степени. Во второй части статьи предлагается методика построения поверхностей ликвидусов для трехкомпонентных систем, основанная на предложенных авторами приближенных формулах вычисления характеристик эвтектик двухкомпонентных и трехкомпонентных систем и линейной аппроксимации изотерм трехкомпонентных систем. На основе предложенной процедуры аппроксимации созданы программы расчета состава и температуры эвтектики для двухкомпонентных систем и построения изотерм трехкомпонентных систем в визуальной среде программирования Delphi с пользовательским интерфейсом. Приводится таблица погрешностей расчетов характеристик эвтектик для трехкомпонентных систем. Представлены результаты визуализации численного моделирования поверхностей ликвидуса для трехкомпонентных эвтектических систем и сравнения их с экспериментально полученными образцами поверхностей кристаллизации для двух систем: Ba(ClO4)2–KClO4 и BaF2–BaSO2.
6-19
Разработка моделей, методов и средств создания цифровой платформы согласованного планирования целевого применения гетерогенных группировок малых космических аппаратов дистанционного зондирования земли
Аннотация
Работа посвящена разработке моделей, методов и средств создания цифровой платформы согласованного планирования целевого применения гетерогенных орбитальных группировок малых космических аппаратов (МКА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Гетерогенность группировок МКА предполагает включение аппаратов ДЗЗ разного типа, от более простых и дешевых – до более точных и дорогих. Цифровая платформа ДЗЗ при этом отличается от обычной системы планирования тем, что в ней в качестве пользователей могут работать как потребители услуг ДЗЗ, так и производители МКА, предлагающие свои услуги на различных условиях, а также владельцы наземных станций, причем сами группировки могут включать в себя от нескольких десятков до сотен МКА. Такие группировки МКА создаются как ответ на многократное увеличение нагрузки на действующие системы ДЗЗ, вызванной все более возрастающей потребностью различных отраслей экономики. Суть разрабатываемых мультиагентных моделей, методов и алгоритмов планирования работы группировок МКА заключается в том, что решение задачи получается в результате проведения аукционоподобных переговоров между агентами заявок на съемку и агентами МКА, направленных на выявление и разрешение конфликтов путем взаимных уступок. Формируемое расписание работы группировки считается построенным при достижении состояния «конкурентного равновесия» на виртуальном рынке мультиагентной системы, когда ни один из агентов заявок и ресурсов более не может улучшить свое состояние. Новизна предлагаемого метода по сравнению с разработанным методом сети потребностей и возможностей (ПВ-сети) состоит в том, что в качестве ориентира для поиска идеального решения каждому агенту заявки дается возможность независимо оценить предельный глобальный лучший вариант своего размещения, к которому далее агент будет стремиться.
В статье предлагается постановка задачи и описание разработанного метода, позволяющего реализовать процессы обработки заявок на съемку большого числа объектов наблюдения, поступающих в реальном времени. Рассматриваются основные функции и архитектура разработанного прототипа цифровой платформы для управления группировками МКА, а также виды экранов пользовательского интерфейса. Кроме того, приведены результаты экспериментальных исследований, демонстрирующих эффективность разработанного мультиагентного метода при решении данной задачи по сравнению с традиционными методами и средствами. Обсуждаются полученные результаты и перспективы дальнейшего развития и применения разработанного подхода как для решения сложных задач адаптивного управления группировками МКА в центрах управления полетами на Земле, так и для создания распределенной космической системы «Рой МКА» для работы в открытом космосе.
20-45
Интеллектуальная система адаптации типовых законов автоматического регулирования с функцией идентификации структуры и параметров объекта
Аннотация
Разработана и описана структура интеллектуальной системы адаптации типовых законов автоматического регулирования с функцией идентификации структуры и параметров объекта. Разработанная система решает комплекс взаимосвязанных задач: идентификация структуры и параметров объекта, расчет и выбор типа регулятора, определение в замкнутом контуре управления параметрических возмущений. Интеллектуальная система состоит из трех контуров: контур идентификации, контур проектирования САР, исполнительный контур. К задачам контура идентификации относятся: идентификация структуры и параметров объекта методом наблюдения временной характеристики объекта при ступенчатом воздействии на входе; определение наличия параметрического возмущения методом сравнительной оценки переходных процессов эталонной модели и реального объекта управления. По результатам идентификации структуры и параметров объекта проектируется регулятор – выполняется расчет параметров и выбор типа регулятора. Исполнительный контур представлен замкнутой системой управления. Инструментом реализации подсистемы идентификации и подсистемы проектирования регулятора были выбраны нейронные сети. В качестве прототипа объекта управления были выбраны типовые динамические звенья и их соединения. В статье приводятся: описание структуры интеллектуальной системы адаптации типовых законов регулирования, описание подсистем идентификации и проектирования регулятора, структурные и графические схемы, результаты моделирования.
46-62
Глубокая нейронная сеть для диагностики элементов железнодорожного рельсового пути
Аннотация
Задачи повышения скорости железнодорожных перевозок и обеспечения их надежности связана с постоянным мониторингом состояния рельсовых путей. Современные вагоны-путеизмерители оснащены видеоаппаратурой и компьютерной техникой для обработки получаемой информации. Однако ручная обработка данных операторами в реальном времени невозможна в связи с большим объемом информации. Предложена глубокая конволюционная нейронная сеть для автоматического распознавания и классификации дефектов рельсовых стыков на изображениях рельсового пути. Массив изображений формируется в процессе видеосъемки рельсов при проходе вагона-путеизмерителя по участку железной дороги. Описано формирование классов рельсовых стыков. Рассматриваются обычные рельсовые стыки с соединителем, изолирующие стыки и сварные стыки. Выделены дополнительные классы, соответствующие различным аномальным конфигурациям рельсовых стыков на изображениях. Построена модифицированная структура предварительно обученной глубокой конволюционной сети. При подготовке обучающих выборок выполнено дополнение реальных изображений рельсовых стыков искусственными изображениями, полученными аффинными преобразованиями. Описан процесс обучения и тестирования классификатора на базе разработанной конволюционной сети. Для обучения нейронной сети используется метод переноса обучения. В результате экспериментов получена точность классификации рельсовых стыков и выявления дефектов не менее 96 %.
63-74
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
Сглаживание хроматографических сигналов путем их аппроксимации в базисе функций Чебышева – Эрмита
Аннотация
Целью настоящей работы является оценка применимости аппроксимационного алгоритма сглаживания хроматографических сигналов в базисе функций Чебышева – Эрмита. Для аппроксимации используется алгоритм, подразумевающий вычисление коэффициентов сдвига и масштаба для функций базиса, а также деление сигнала на фрагменты. Рассматривается погрешность сглаживания модельного сигнала при его аппроксимации в выбранном базисе в сравнении с цифровым фильтром скользящего среднего. Также исследуется погрешность сглаживания производной сигнала и положения на производной экстремумов, производится сравнение, как и в прошлом случае, с цифровым фильтром скользящего среднего. В рамках экспериментального исследования в работе подвергаются обработке девять наиболее характерных хроматографических пиков, извлеченных из реальных хроматограмм. Для оценки качества сглаживания сравниваются среднеквадратичные отклонения шума и остатка, а также определяется закон распределения остатка. По результатам исследования устанавливаются ограничения по максимально допустимому значению коэффициента асимметрии обрабатываемых хроматографических пиков. Благодаря использованию выбранного аппроксимационного подхода удается решить задачу сглаживания хроматографических сигналов без ослабления полезной составляющей. Для вычислений и графического представления результатов моделирования использована система компьютерной алгебры Wolfram Mathematica 11.3.
75-89
Электротехника
Разработка и исследование системы индукционного нагрева в технологических комплексах транспортировки нефти
Аннотация
Рассматривается проблема разработки и исследования индукционной системы для нагрева вязких неэлектропроводных жидкостей в процессе транспортировки по трубопроводам. Специфической особенностью объекта исследования является сочетание процессов нагрева ламинарного потока жидкости в цилиндрическом индукторе и перемешивания в трехфазном индукторе – смесителе. Выполнены исследования взаимосвязанных электромагнитных, тепловых и электромеханических процессов в системах нагрева и перемешивания. Представлены результаты численного расчета электромагнитных и тепловых полей и электромагнитного момента вращения ротора в нагреваемой жидкости. Установлена связь между тепловой мощностью, выделяемой в элементах системы, и мощностью, идущей на вращение ротора. Приведены электромеханические (регулировочные) характеристики индукционного смесителя. Показано, что при соответствующем выборе конструктивных и режимных параметров индукционной системы можно найти требуемое соотношение между тепловой мощностью, выделяемой в элементах системы, и мощностью, идущей на перемешивание жидкости. Результаты проведенных исследований предназначены для решения задач проектирования конструкции индукционных систем для нагрева вязких жидкостей и эффективного управления процессом нагрева.
90-105
Учет провисания проводов в пролете ВЛ 220 кВ при определении тока, наведенного в грозозащитном тросе магнитными полями токов фаз
Аннотация
Грозозащитный трос по сравнению с проводами ВЛ 220 кВ наиболее подвержен гололедообразованию. Применяемые в эксплуатации схемы плавки гололеда на грозозащитном тросе, использующие специальный источник электроэнергии, имеют технические ограничения и требуют отключения ВЛ. Альтернативой плавке гололеда является профилактический подогрев грозозащитного троса до положительной температуры индукционным способом от электромагнитных полей проводов ВЛ 220 кВ в рабочем режиме. Приведен краткий обзор индукционных способов подогрева грозозащитного троса ВЛ 220 кВ. Математические модели индукционного подогрева грозозащитного троса не учитывают влияние провисания проводов и грозозащитного троса ВЛ 220 кВ на параметры электромагнитного поля и схемы замещения контура «грозотрос – земля». Поэтому применение на практике индукционного способа подогрева грозозащитного троса на участке ВЛ 220 кВ требует разработки адекватной математической модели. Рассматривается способ индукционного подогрева грозотроса двухцепной ВЛ 220 кВ в специально созданном замкнутом контуре «грозотрос – дополнительный проводник» для предотвращения гололедообразования на нем. Разработана математическая модель для расчета величины тока, индуктированного (наведенного) в контуре «грозозащитный трос – дополнительный проводник» магнитными полями токов ВЛ 220 кВ в рабочем режиме. Приведена оценка влияния провисания проводов и грозозащитного троса двухцепной ВЛ 220 кВ на параметры электромагнитного поля и схемы замещения контура «грозозащитный трос – дополнительный проводник». Применение математической модели позволяет оценить величину наведенного тока для предотвращения гололедообразования на грозозащитном тросе двухцепной ВЛ 220 кВ в рабочем режиме.
106-117
Определение количества витков и схемы соединения катушек вторичной обмотки трехфазно-многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз
Аннотация
В статье перечислены различные технические устройства и системы, для работы которых необходимы трансформаторные преобразователи числа фаз. Увеличение числа фаз позволяет существенно улучшить показатели и характеристики таких устройств и систем. Разработан подход для определения минимального количества витков катушек вторичной обмотки трехфазно-многофазного трансформаторного преобразователя, каждая фаза вторичной обмотки которого состоит из трех последовательно соединенных между собой катушек, размещенных по одной на каждом из трех стержней сердечника. Количество витков можно рассчитать для вторичной обмотки, число фаз которой больше двух. Рассмотрен пример для определения количества витков катушек вторичной обмотки трехфазно-пятифазного трансформаторного преобразователя. Приведена схема соединения вторичной обмотки такого устройства, выполнен расчет полной мощности катушек вторичной обмотки для заданной многофазной нагрузки, соединенной в многолучевую звезду. Составлена имитационная модель трехфазно-пятифазного преобразователя в среде моделирования Matlab Simulink. Необходимая схема соединения обмоток реализована с использованием однофазных трансформаторов с различными коэффициентами трансформации. В качестве выходных данных модели получена симметричная пятифазная система напряжений. Предложен коэффициент, который позволяет оценить количество витков, необходимых для формирования одной фазы вторичной обмотки преобразователя. С использованием этого коэффициента выполнено сравнение количества витков катушек вторичной обмотки устройств с различным числом фаз.
118-129
Влияние параметров сети оперативного постоянного тока на работу системы контроля изоляции на землю
Аннотация
Система постоянного оперативного тока представляет совокупность электротехнических приборов и устройств, включающих источники энергии, необходимые для функционирования основных технологических комплексов предприятий. Особенностями систем постоянного тока являются значительная пространственная распределенность, подверженность сильным электромагнитным наводкам и помехам. Частой неисправностью в системах постоянного оперативного тока, изолированных от земли, является повреждение изоляции одного полюса на землю. Данная неисправность не сопровождается большими токами, однако может вызвать ложную работу электротехнического комплекса. В данной работе рассматривается метод поиска поврежденного участка, проводится анализ возникновения помех в работе системы поиска. Усовершенствованная система поиска, основанная на методе наложения внешнего опорного напряжения, подтвердила свою работоспособность в реальных объектах.
130-142