«БУДУЩЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ НАУКИ Сборник материалов XIII Международной молодежной научно-технической конференции Нижний Новгород, 23 мая 2014 г. Нижний Новгород 2014 УДК 62 ББК 30 Б 903 Будущее технической науки: сборник ...»

Следует отметить изменения в общей системе сертификации продукции, которые распространяются и на программное обеспечение. Основное отличие старого и нового подхода при обязательной сертификации продукции состоит в следующем. Система сертификации ГОСТ Р (старая система сертификации соответствия) устанавливала единые подходы для сертификации продукции, независимо от вида продукции, единый подход при выборе схем сертификации, единые правила отбора образцов, сроки действия сертификатов и деклараций соответствия и т.д. Для подтверждения соответствия могли использоваться только национальные стандарты – обязательные для исполнения ГОСТы. Список продукции, подлежащий обязательной сертификации соответствия или обязательному декларированию соответствия, утверждался постановлением правительства дважды в год.

Новый подход подтверждения соответствия предполагает, что обязательные правовые требования и технические нормы содержатся в разных документах. Таким образом, на каждый вид продукции, технический регламент устанавливает свои обязательные правовые требования, такие как перечень продукции, которая является объектом технического регулирования, схемы обязательной сертификации продукции и схемы обязательного декларирования продукции, сроки действия документов и т.д. Проведение обязательной сертификации устанавливается законодательно и правительство утверждает список ГОСТов, используемых для установления обязательных требований на продукцию. Такая продукция в большинстве случаев влияет на безопасность людей, их имущество и окружающую среду.

Таким образом, при обязательной сертификации товара у изготовителя и потребителя появляется уверенность безопасности потребления. Так же установлен список для декларирования соответствия на добровольной основе. Сравнительный анализ показал, что происходит развитие и расширение ИТ-фирм наряду с интенсивным расширением количества организаций, предоставляющих услуги по добровольной сертификации программного обеспечения. Это обстоятельство, прежде всего, связано с тем, что в результате сертификации ГОСТ Р добровольный сертификат соответствия подтверждает показатели надежности, эффективности, сопровождаемости, мобильности, корректности и заявленные потребительские свойства программного обеспечения. При сертификации программного обеспечения подтверждается совместимость с различными операционными системами, устойчивость работы, возможность восстановления после различных сбоев, таких как отключение электропитания, программные сбои, потеря сети и пр.

Большинство указанных показателей оказывает конкретное влияние на информационную безопасность систем, в которых предполагается использование сертифицированного программного обеспечения.

УДК

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

СИСТЕМЫ УЧЕТА ГАЗА

Арзамасский политехнический институт (филиал) НГТУ им. Р.Е. Алексеева В настоящее время огромное значение имеют вопросы развития внутреннего рынка природного газа, а также технического переоснащения всей системы газоснабжения и газораспределения в РФ. Пристальное внимание уделяется проблеме оптимизации контроля объемов потребляемого газа.

Данная работа посвящена разработке алгоритмов и программного обеспечения, входящего в состав комплексной автоматизированной системы коммерческого учета газа (КАСКУГ) в промышленном и бытовом секторах.

Система КАСКУГ призвана решить следующие задачи:

1) автоматизация сбора и передачи информации с приборов учёта;

2) получение оперативной и достоверной информации о потребленных объёмах газа;

3) сигнализация о несанкционированном воздействии на приборы учёта газа;

4) сокращение затрат персонала на обслуживание приборов учета;

5) анализ показаний расхода газа и составление отчётов.

В рамках реализации КАСКУГ спроектирован ряд архитектурных и алгоритмических решений по сбору и обработке данных с узлов учёта. Обработка данных включает в себя следующие задачи: хранение информации в центральной базе данных (БД), перенос информации между БД филиалов, использование данных учёта для анализа и отчётности.

Разработанное программное обеспечение состоит из следующих приложений:

1) Themis Manager – автоматизирует сбор данных с бытовых счетчиков через сеть GPRS, а также позволяет выполнять задания и создавать отчеты;

2) «СОДЭК-Считывание данных» – осуществляет считывания данных с промышленных узлов учёта газа как непосредственно на объектах, так и удалённо – через различные коммуникационные сети;

3) «СОДЭК-Обработка данных» – выполняет функцию записи данных, полученных после считывания, в базу данных;

4) «СОДЭК-Анализ данных» – предоставляет потребителю накопленную в базе данных информацию в виде таблиц и графиков, позволяет составлять отчеты.

Прикладные программы разрабатывались на языке Object Pascal в среде программирования Delphi XE.

В качестве платформы хранения данных выбрана открытая СУБД Firebird.

Использование КАСКУГ предоставляет поставщику газа возможность точного и своевременного учета расхода газа абонентами. Доступ к месту установки прибора становится не обязательным, так как данные передаются по беспроводным сетям. Таким образом, поставщик имеет возможность оперировать актуальными показаниями счетчиков, что позволяет использовать их при расчете с потребителем за поставленный газ.

УДК 681.3.06.

ИНТЕРАКТИВНАЯ ОБУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА ПО КУРСУ «БАЗЫ ДАННЫХ»

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева При изучении одного из базовых курсов «Базы данных» актуальной задачей является сформирование у студента концептуальных представлений об основных принципах построения реляционных баз данных, методиках их реализаций и управления с помощью SQL-запросов. Поэтому была поставлена задача: создать интерактивную обучающую систему, представляющую собой Web-приложение, состоящее из html страниц, которые предоставляют пользователю обратную связь. Система работает с тестовой базой данных, запущенной на компьютере пользователя. В отличие от обычной учебной литературы студент получает не только теоретические знания, но также имеет возможность закрепить их на практике.

Интерактивность реализуется через возможность самостоятельного написания запросов на языке SQL. Почти в каждый раздел встроены специальные поля ввода тестовых данных для демонстрационных примеров, сопровождаемых инструкциями и последовательным описанием элементов запроса. Основная часть таблиц в системе формируется автоматически при открытии необходимой страницы. В описании таких таблиц выводится информация о запросе, количестве полученных из базы данных элементов и время его выполнения. Написанные студентом SQL-запросы выполняются без перезагрузки страницы. Таблица с результатами автоматически обновляется, студент сразу видит внесенные им изменения, последствия своих действий, он может их исправить или произвести другие.

Основной целью данной системы является ознакомление студентов с понятием нормализации, различных ее форм и основами языка SQL. Основным источником материалов для данного продукта является курс лекций кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве» прослушанный на третьем курсе, а также практический опыт, полученный при выполнении реальных задач в сфере баз данных. В результате анализа программных средств для реализации необходимой функциональности был выбран программный пакет Denwer. Он включает: Apache, PHP, MySQL. Это предоставляет широкие возможности для работы с базой данных в режиме реального времени. Denwer и инструменты, входящие в него, имеют свободную лицензию на использование. Имеется возможность запуска почти на любом компьютере под управлением систем семейства Windows. При этом на компьютере происходит развертывание виртуального web-сервера с установленными средствами работы с базами данных.

Сам справочник представляет собой проект, состоящий из динамических web – страниц, написанных на языке php.

Система имеет несколько путей применения и распространения:

1. На лабораторных работах в учебном классе. Развернув справочник на учебном компьютере, студент может быстро ознакомиться и понять необходимый ему материал;

2. На домашнем компьютере. Программное обеспечение, входящее в систему, свободно для распространения, студент может взять систему и запустить ее на любом доступном ему компьютере. Это позволит ему иметь постоянный доступ к необходимой информации, более подробно ознакомиться с материалом, закрепить свои знания, применив их на практике за счет интерактивных элементов системы, ознакомиться с работой программных продуктов, используемых для работы с базами данных, расширить свой кругозор и пополнить свои знания.

УДК

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МНОГОПОТОЧНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Арзамасский политехнический институт (филиал) НГТУ им. Р.Е.Алексеева При разработке многопоточных приложений ставится вопрос разделения общих данных между потоками. Для решения этого вопроса применяется синхронизация потоков. В настоящее время наиболее распространена блокирующая синхронизация, основанная на применении таких примитивов, как: мьютексы, семафоры, критические секции, условные переменные и др.

Широкое распространение блокирующей синхронизации обусловлено невысокой сложностью её алгоритмов. Основной проблемой такой синхронизации является то, что при большом количестве потоков и больших объемах разделяемых данных происходит блокирование выполнения потоков, которые пытаются захватить данные, но не могут этого сделать по причине того, что эти данные заблокированы другим потоком. Это ведет к снижению производительности системы или в критическом случае к зависанию и остановке работы приложения. Использование такого метода синхронизации при разработке систем реального времени является неоптимальным по причине того, что в приложениях реального времени необходимо минимизировать какие-либо тайм-ауты в работе, в частности блокирование потоками друг друга. К тому же необходимо учесть, что приложения, написанные с использованием блокирующей синхронизации, плохо масштабируются. На практике возникают случаи, когда приложение работает быстрее на одноядерном процессоре, чем на многоядерном.

Одним из решений этого вопроса является использование неблокирующей синхронизации.

Основное преимущество такой синхронизации – разделяемые данные не блокируются и при необходимости любой поток в любое время может к ним обратиться. Также к преимуществам можно отнести улучшенную, по сравнению с блокирующей синхронизацией, масштабируемость.

Это является немаловажным в период бурного развития многоядерной технологии.

Выделяют три уровня неблокирующей синхронизации: wait-free, lock-free и obstructionfree. Потокозащищенность такой синхронизации обеспечивается не блокировками, а низкоуровневыми атомарными аппаратными примитивам, такими как: атомарные операции, барьеры памяти, сравнение и замена (compare and swap) и др. Cуществует достаточно большое количество библиотек для различных языков программирования, реализующих некоторые примитивы неблокирующей синхронизации. К недостаткам неблокирующей синхронизации следует отнести возможное состояние гонки и сложность реализации высокоэффективных неблокирующих алгоритмов. Неблокирующие алгоритмы трудно придумывать, сложно реализовывать и почти невозможно отлаживать.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что рациональным является применение комбинирования блокирующих и неблокирующих алгоритмов синхронизации. При этом при проектировании основных (высокоприоритетных) потоков нужно стремиться к уменьшению блокировок.

УДК 621.

РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ КАСКУГ

Арзамасский политехнический институт (филиал) НГТУ им. Р.Е. Алексеева На современном этапе огромное значение имеют вопросы, связанные с совершенствованием и приведением к мировым стандартам внутреннего рынка газа, а также с техническим переоснащением всего процесса газоснабжения в РФ, включая создание автоматизированной системы коммерческого учета газа (АСКУГ).

В практике поставки природного газа имеет место крупная экономическая и научнотехническая проблема под названием «небаланс». «Небаланс» – разница между учтенным количеством вещества, поступившим в трубопроводную сеть и отобранным из нее участниками коммерческого учета за сутки или за отчетный период. Для того чтобы объективно оценить величину небаланса необходимо иметь в обслуживании систему сбора и анализа информации с узлов учета энергоресурсов.

Разработка структуры КАСКУГ строится на создании и объединении систем сбора данных с оптовых потребителей (промышленный сектор) и розничных потребителей (бытовой сектор) в единый центр сбора информации. Тем самым это позволяет проследить объемы, отпущенные поставщиком, и объемы полученные потребителем – т.е. определить небаланс газа, и на основе полученных данных принимать решение о том, как решить проблему и что является ее корнем.

Система КАСКУГ предназначена для автоматического считывания, обработки и анализа данных, поступающих с электронных корректоров объема газа EK270, ТС производства ООО «ЭЛЬСТЕР Газэлектроника» и Elster GmbH (далее - корректоров) и счетчиков BK с модулем themis alpha. Обработка данных включает задачи сохранения информации в БД на ПК и серверах локальной сети с целью последующего просмотра, анализа, генерирования отчетов, и экспорта данных во внешние программы.

Предлагается следующие этапы построения комплексной АСКУГ:

1. На промышленном узле учета, состоящего из промышленного счетчика и электронного корректора, устанавливается блок телеметрии БПЭК-02. Блоки телеметрии необходимы для передачи по GSM-каналу архивных и текущих данных с корректора на центр сбора информации.

2. В качестве бытовых узлов учета используются счетчики BK Themis alpha. Передача данных со счетчика выполняется с помощью модема по каналу связи GPRS. Модем с SIMкартой устанавливается в коммуникационный отсек головы счетчика. В счетчике настраивается IP-адрес сервера, на который автоматически с заданной периодичностью будут передаваться показания счетчика, архивные данные, информация о состоянии клапана и прочее. Периодичность передачи данных настраивается поставщиком газа и может быть установлена: ежедневно, еженедельно, ежемесячно. Счетчик автоматически выходит на связь с сервером и передает данные.

3. Автоматический опрос узлов учета выполняется в центре сбора информации. Для организации хранения данных используется сервер базы данных (БД). Сервер предназначен для обработки и хранения в нем всех полученных с узлов учета данных, создания отчетов о потреблении (выставление счета), табличного и графического отображения данных БД.

УДК 004.

РЕАЛИЗАЦИЯ ЗЕРКАЛЬНОГО ОТОБРАЖЕНИЯ

В CAD ПРИЛОЖЕНИИ SCHEMATIC

Арзамасский политехнический институт (филиал) НГТУ им. Р.Е. Алексеева Идея практической реализации технических объектов может возникать у человека внезапно, в любое время, где бы он ни находился. Жизнь в наши дни настолько насыщенна, а ритм ее настолько высок, что мобильные устройства для современного человека зачастую становятся потребностью первой необходимости. Однако большинство современных CADсистем ориентированы исключительно на PC-платформу. Именно по этой причине автор разработал мобильное приложение Schematic, предназначенное для выполнения графики конструкторской документации и проектирования РЭС.

Приложение было опубликовано в магазине приложений Google Play и получило от пользователей много ценных замечаний. Одним из пожеланий пользователей было добавление функции зеркального отображения графических объектов. Растровые графические редакторы попиксельно отображают изображение относительно оси симметрии.

Однако данное решение не подходит для приложения, которое позволяет работать с чертежами и электрическими схемами, так как в таком случае мы бы получили отражённое изображение текстовых полей, которое не соответствует требованиям к выполняемым работам. По этой причине был разработан алгоритм зеркального отображения геометрических фигур. Рассмотрим его на примере горизонтального отражения группы фигур, которые подаются на вход функции отражения в виде списка.

1. Вычисляем координату оси симметрии по оси абсцисс и обозначаем её как centerX.

Для этого сначала вычисляем прямоугольник, ограничивающий входящие фигуры, делим его ширину пополам и складываем с крайней левой X координатой прямоугольника.

Особенность состоит в том, что для текстовых объектов учитываются только координаты начала объекта, а не все координаты прямоугольной области, ограничивающей текстовый объект, что позволяет получать правильные координаты оси симметрии, не зависящие от содержимого текстового объекта.

2. Проходим по списку фигур и в зависимости от типа фигуры преобразуем координаты следующим образом:

а) если текущая фигура является точкой (узлом), линией, полигоном, кривой Безье, прямоугольником, эллипсом или текстом, то каждой вершине фигуры задаём новую координату X, вычисляемую по формуле где newX – новая координата вершины по оси X; oldX – предыдущая координата вершины по оси X; centerX – X-координата оси симметрии;

б) если текущая фигура является прямоугольником, эллипсом или текстом, то изменяем выравнивание текста: выравнивание по левому краю изменяем на выравнивание по правому краю; выравнивание по правому краю – на выравнивание по левому краю;

выравнивание по центру не изменяется;

в) если текущая фигура является пользовательским объектом, представляющим собой набор простых геометрических фигур, то для этого набора выполняем последовательность действий, начиная с п. 1;

г) если текущая фигура является текстом или пользовательским объектом, то дополнительно изменяем угол поворота фигуры по формуле где newAngle – новый угол поворота фигуры; oldAngle – предыдущий угол поворота.

Полученное решение успешно внедрено в мобильное приложение Schematic.

УДК Т.А. УХАБОВА, М.А. СУСЛОВА, В.В. МУСОНОВ, Ю.С. ЕГОРОВ

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИСПОЛНЯЕМЫХ

ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНЫХ УСЛУГ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева В настоящее время предприятия жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) испытывают значительные трудности, связанные с острым дефицитом финансов, слабой материально-технической базой, недостаточной квалификацией кадров, отсутствием продуманной жилищной политики и низким уровнем взаимодействия с органами власти и потребителями. Наличие перечисленных проблем обусловливает необходимость повышения качества жилищно-коммунальных услуг (ЖКУ), снижения издержек и затрат ограниченных природных ресурсов, создания условий для эффективной коммуникации поставщиков и потребителей ЖКУ.

Внедрение информационной системы управления ЖКУ (ИСУ ЖКУ) на уровне потребителей (собственников жилья) и предприятий ЖКХ позволит получить эффективный инструмент контроля исполнения поручений потребителей, что будет способствовать повышению уровня качества ЖКУ. В рамках реализации проекта по созданию ИСУ ЖКУ разработана подсистема контроля качества исполняемых услуг (ПКК ИСУ ЖКУ). С целью организации совместного доступа и обеспечения контроля исполнения поручений потребителей в ПКК ИСУ ЖКУ используется оригинальная система управления содержимым (CMS). Несмотря на то, что в настоящее время существует большой выбор разнообразных CMS, таких как Joomla, WordPress, Drupal, NetCat, HostCMS, 1С-Битрикс, в полном объеме реализовать функции контроля исполнения ЖКУ удалось только за счет разработки собственной CMS.

Для технической реализации выбран локальный (виртуальный) сервер Apache, язык программирования php, фреймворк для создания веб-форума phpBB и база данных MySQL.

В результате ПКК ИСУ ЖКУ будет представлять собой сайт, состоящий из совокупности «личных кабинетов» с определенными ролями пользователей.

На данном этапе ПКК ИСУ ЖКУ обеспечивает:

возможность для пользователя отправить заявление на оказание услуги в удобный для него момент времени без ожидания ее принятия;

автоматическое оповещение пользователей по электронной почте;

автоматическое распределение заявок по сотрудникам предприятия ЖКХ в соответствии с выполняемым комплексом работ;

автоматическая фильтрация данных о заявках пользователей в зависимости от критерия выбора;

возможность изменения сотрудником предприятия ЖКХ статуса заявки согласно сложности ЖКУ;

возможность изменения срока исполнения заявки;

создание истории изменения состояния и срока исполнения работ, а также контроль заявителя за ними.

Конкурентоспособность предприятий ЖКХ и их инновационное развитие во многом обусловлены не только их способностью оказывать традиционные услуги, но и потенциалом улучшения их качества. Внедрение ПКК ИСУ ЖКУ в составе информационной системы управления ЖКУ будет способствовать повышению уровня качества исполнения ЖКУ, а также точности и скорости обмена информацией между поставщиками и потребителями ЖКУ благодаря использованным при разработке современным информационным технологиям.

УДК 532.

ДВИЖЕНИЕ ДИСКА ДИПОЛЕЙ НАД ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА ДВУХ ЖИДКОСТЕЙ

С РАЗЛИЧНЫМИ ПЛОТНОСТЯМИ

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева Рассматривается линейная задача о генерации поверхностных волн при движении диска диполей над поверхностью раздела двух жидкостей с различными плотностями. Диск диполей D – генератор известного скачка давления – имеет радиус R (рис. 1). Координаты его центра O1 известны и заданы в системе координат Oxyz, связанной с поверхностью раздела жидкостей с различными плотностями 1 и 2 (рис. 1). Диск движется в направлении положительных значений оси x с постоянной скоростью v 0. Ось диска наклонена к направлению его движения под углом.

Рис. 1. Постановка и геометрия задачи поверхностью раздела жидкостей с плотностями 1020 и 1,225 кг/м3 (что соответствует разделу сред вода-воздух). Угол в расчетах брался равным 10, сила тяги – 1,7 кН.

Результаты расчетов представлены на рис. 2.

УДК 543.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС

ОБУЧЕНИЯ, С ПОМОЩЬЮ КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА

Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых На процесс обучения учащегося влияют множество факторов, как положительно, так и отрицательно. Для определения влияния факторов, на процесс обучения, используется корреляционный анализ.

При создании многофакторной корреляционной модели необходимо отбирать самые значимые факторы, которые оказывают решающее воздействие на процесс обучения.

Все выбранные факторы должны быть количественно измеримы, то есть иметь единицу измерения, и информация о них должна содержаться в учете и отчетности.

Для определения влияния факторов на процесс обучения были выбраны самые значимые факторы:

1. Черты характера/особенности памяти, поведение.

2. Самоорганизация (способность к самостоятельным организациям).

3. Наличие свободного времени.

4. Желание/нежелание учиться.

5. Наличие других каких-либо интересов, несвязанных с учебной деятельностью.

6. Факультативная деятельность.

7. Общение с другими студентами и преподавателями.

8. Поддержка/отсутствие поддержки со стороны окружающих, родителей.

9. Состояние здоровья.

10. Материальное положение.

С помощью корреляционного анализа было определено взаимное влияние факторов.

Для этого были рассчитаны коэффициенты корреляции по формуле:

где фактор Х – фактор 1, 2, 3…, 9; Y – фактор 2, 3, 4…, 10; X Y – среднее значение произведения квадратов двух факторов; X – среднее значение факторов 1, 2, 3…, 9; Y – среднее значение факторов 2, 3, 4…, 10; ( X ), (Y ) – среднеквадратичное отклонение.

Среднеквадратичное отклонение находится по следующим формулам:

предложенными факторами, влияющими на процесс обучения.

Взаимодействие факторов, влияющих на процесс обучения УДК 621.391. АЛГОРИТМ ТЕКУЩЕГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ПАКЕТА MIL-STD-188- Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Пакет, описанный в стандарте MIL-STD-188-110, предназначен для передачи по ионосферному каналу неречевых данных посредствам фазомодулированного сигнала (PSK-8), в общем случае неограниченного по времени. Все фазы применяют PSK-8 с одной 1800 Гц поднесущей. Модуляция должна быть с постоянной скоростью манипуляции 2400 бод. Эффективная скорость передачи составляет 4800, 2400, 1200, 600 или 150 бит/с.

При передаче может использоваться 0,6 или 4,8-секундный блоковый перемежитель.

Пакет состоит из следующих частей: преамбула, информационная часть и блок для определения конца пакета. Преамбула длительностью 0,6 или 4,8 с, необходима для детектирования сигнала, оценки таких параметров канала, как многолучевость, отношение сигнал/шум, расстройка частоты и скорость замираний. Информационная часть представляет собой чередование блоков информационных данных и проб (известных данных).

Соотношения длин блоков данных и проб могут быть 20/20 для скоростей 150-600 бит/с и 32/16 для 2400 и 4800 бит/с. Пробы представляют собой последовательность «нулевых»

символов соответствующей длины, за исключением первой и последней пробы блока перемежителя. Во время передачи таких проб передаются данные о режиме передачи данных (текущая скорость и тип используемого перемежителя). Пробы, как и данные, скремблируются общей псевдослучайной последовательностью длиной 160 символов, что обеспечивает хорошие корреляционные свойства передаваемой последовательности.

Разработанный алгоритм позволяет определять наличие описанного пакета в канале связи и при необходимости максимально быстро переходить на его прием даже в тех случаях, когда на момент включения преамбула была пропущена. В детекторе реализован согласованный с символами проб (с учетом скремблирования) фильтр с некогерентным накоплением проекций сигнала. Полученная таким образом импульсная характеристика позволяет вынести решение о наличии передаваемого сигнала. В случае необходимости приема этого сигнала, на основе полученной таким образом импульсной характеристики можно произвести первичную оценку характеристик канала и выполнить символьную синхронизацию. Обработка информационной части сигнала может начаться только после того, как была детектирована и демодулирована пара проб с информацией о режиме передачи. Только после приема этих двух проб можно точно определить начало блока перемежителя и установить параметры приемника, необходимые для успешного обратного кодового преобразования.

Заметим, что данный алгоритм, несомненно, проигрывает по точности и помехоустойчивости алгоритму «нормального» вхождения в связь (для случая, когда сначала производится поиск и обработка синхропреамбулы). Алгоритм актуален для относительно незашумленных каналов. Велика погрешность первичного определителя характеристик канала, что негативно сказывается на вероятности ошибки сразу после начала приема.

Подстройку измерений приходится производить в текущем режиме, что приводит к увеличению общей инерционности приемника. Однако, поскольку информационная часть пакета, в общем случае, не ограничена по времени, то задача текущего детектирования и возможность быстрого вхождения, когда часть данных уже была передана, являются актуальными.

Подсекция 1. УДК 681.

ФОРМИРОВАНИЕ МЕТОДА ВЕРИФИКАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

НА ОСНОВЕ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева В настоящее время всё более широкое распространение получают биометрические системы идентификации человека. Распознавание человека по изображению лица выделяется среди биометрических систем тем, что не требуется специальное или дорогостоящее оборудование.

Реализованный метод верификации лиц основан на применении искусственных нейронных сетей. Система распознавания, представленная в работе, состоит из трех блоков:

1. Блок предварительной обработки.

На вход блока предварительной обработки подается фотография человека, которого необходимо идентифицировать. Каждое изображение перед подачей на нейронную сеть проходит следующие этапы предварительной обработки: выполняется обнаружение лица с использованием библиотеки OpenCV, полученное изображение масштабируется к размеру на 50 пикселей и производится преобразование в составляющие серого цвета.

2. Блок преобразования и выделения ключевых признаков.

Под геометрическими признаками подразумеваются расстояния между особыми точками лица. Для поиска координат данных точек использовалась библиотека Stasm. В результате работы функций библиотеки Stasm получаем массив координат 72 особых точек лица. Затем вычисляются расстояния между этими точками. В результате получаем биометрический вектор, содержащий 17 значений расстояний.

3. Блок распознавания.

В данном методе для распознавания используется нейронная сеть Хопфилда. На входы сети подается неизвестный сигнал. Фактически его ввод осуществляется непосредственной установкой значений аксонов, поэтому обозначение на схеме сети входных синапсов в явном виде носит чисто условный характер. На следующем этапе рассчитывается новое состояние нейронов и новые значения аксонов и производится проверка, изменились ли выходные значения аксонов за последнюю итерацию. Если да, то осуществляется расчет нового состояния нейронов и аксонов, иначе (если выходы застабилизировались) – конец.

При этом выходной вектор представляет собой образец, наилучшим образом сочетающийся с входными данными.

Путем сравнения двух векторов (эталонного и полученного в результате работы сети Хопфилда) выдается положительный результат принадлежности фотографии человеку с данным логином в случае совпадения векторов либо отрицательный при несовпадении.

Чтобы оценить степень точности системы, необходимо протестировать её на различных наборах. Для тестирования реализованного алгоритма были использованы две непересекающиеся базы данных изображений лиц.

База данных MIT. Результаты: коэффициент ложного различия – 0,01, коэффициент ложного сходства – 0,12. Среднее время обучения сети – 116,39 с.

База данных CalTech. Результаты: коэффициент ложного различия – 0,16, коэффициент ложного сходства – 0,2. Среднее время обучения сети – 7,96 с.

В данной работе проведено исследование всего цикла построения методов верификации изображений. Полученные результаты могут служить исходными данными для последующих исследований.

УДК 621.

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОНИЖЕНИЯ

СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ В СИСТЕМАХ КОДИРОВАНИЯ РЕЧИ

Задача сжатия речи является частным случаем задачи эффективного кодирования речевого сигнала и представляет собой задачу компактного дискретного представления речевого сигнала в условиях недостаточной априорной информации о его свойствах за счет сокращения или даже полного устранения естественной статистической избыточности, при этом часто осуществляется использование уменьшающих исходный объем данных необратимых преобразований, которые не снижают субъективного качества синтезируемой (восстановленной) речи.

При реализации таких систем низкоскоростного кодирования речи часто используется метод линейного предсказания, в основе которого лежит представление сигнала в виде отклика дискретной системы с постоянными параметрами на локальных временных участках на соответствующий сигнал возбуждения [1, 2], при этом соответствующие множества параметров декомпозиции считаются взаимно несвязанными между собой.

В докладе предлагается выявить существующие зависимости параметров декомпозиции речевого сигнала при линейном предсказании и использовать их для повышения качественных характеристик процедур обработки речевых сигналов.

Использование в качестве математической модели голосового тракта авторегрессионного метода параметрического цифрового спектрального анализа предполагает, что возбуждение формирующего фильтра на приемной стороне осуществляется сигналом, представляющим собой реализации белого шума с математическим ожиданием равным нулю и единичной дисперсией [3].

Точность идентификации математической модели исследуемого процесса напрямую связана с выбором величины ее порядка, в «идеальном» случае она стремится к бесконечности. В качестве критерия настройки модели в предположении о гауссовском законе распределения исходного процесса используется взвешенная среднеквадратическая ошибка. Однако на практике порядок формирующей модели всегда ограничен, применительно к задаче линейного предсказания речи повышение порядка передаточных функций фильтров анализа и синтеза приводит к «обелению» сигнала остатка предсказания, который согласно [2] является наилучшим сигналом возбуждения. Присутствие зависимостей между параметрами, описывающими передаточную функцию голосового тракта на участке квазистационарности и соответствующего сигнала возбуждения, объясняется особенностями постановки и решения обратной задачи цифрового спектрального анализа при фиксированном порядке формирующего фильтра [3, 4].

Использование таких зависимостей на этапе обучения системы кодирования дает возможность не задействовать информационный ресурс канала связи для передачи всех параметров декомпозиции речевого сигнала, а использовать существующие взаимосвязи данных элементов.

1. Быков, С. Ф. Цифровая телефония: учеб. пособие для вузов / С.Ф. Быков, В.И. Журавлев, И.А. Шалимов. – М.: Радио и связь, 2003.– 144 с.

2. Шелухин, О.И. Цифровая обработка и передача речи / О.И. Шелухин, Н.Ф. Лукьянцев. – М.: Радио и Связь, 2000. – 456 с.

3. Марпл, С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: [пер. с англ.] / С.Л. Марпл. – М.: Мир, 4. Самарский, А.А. Численные методы решения обратных задач математической физики / А.А. Самарский. – М.: ЛКИ, 2009. – 480 с.

УДК 621.

ТЕОРЕМА О ГРАНИЦАХ ВЗАИМНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДИСКРЕТНОГО

КАНАЛА СВЯЗИ

Известно, что средние потери информации определяются вероятностными мерами входящих в процесс передачи по каналу связи преобразований и источника, по которым подразумевается выход кодера канала [1]. Исходя из детерминированности операторов модуляции и демодуляции, общий вид функции правдоподобия дискретного канала x' x, включающего в себя данные операторы, несколько видоизменится, а варьируемыми переменными станут не условные плотности, а базисные функции модуляции и демодуляции [2].

На основе данного похода в работе сформулирована и доказана теорема, задающая границы взаимной информации для произвольных непрерывных каналов связи и сигналов, передаваемых по ним [1, 2, 3, 4, 5].

Теорема. Взаимная информация между входным и выходным сигналами дискретного канала связи, получаемого путем дискретного отображения произвольного непрерывного многопараметрического канала, ограничена следующим интервалом:

Данная теорема, по сути, является некоторым обобщением границ, полученных в [6], на случай многомерного дискретного канала связи, образованного на основе операторов модуляции и демодуляции с ограниченной степенью нелинейности.

1. Батенков, К.А. Максимум взаимной информации как основной критерий синтеза инфокоммуникационных систем // Труды Северо-Кавказского филиала МТУСИ. – Ростов н/Д: ПЦ «Университет» СКФ МТУСИ, 2013. С. 51–53.

2. Батенков, К. А. Дискретные отображения непрерывного канала связи на основе обобщенного ряда Фурье // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. – Рязань: РГРУ, 2013.

3. Батенков, К. А. Необходимые условия оптимальности операторов модуляции и демодуляции // Многоядерные процессоры, параллельное программирование, ПЛИС, системы обработки сигналов: сб.

статей. – Барнаул, 2013. С. 58-62.

4. Батенков, К. А. Математические модели модулятора и демодулятора с заданным порядком нелинейности // Цифровая обработка сигналов. 2013. № 1. С. 14–21.

5. Батенков, К. А. Модели системных характеристик линейных каналов связи на основе интегральных преобразований // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2012. № 3 (4).

6. Галлагер, Р. Теория информации и надежная связь: [пер. с англ.] / Р. Галлагер; под ред. М. С.

Пинскера и Б. С Цыбакова. – М.: Сов. радио, 1974. – 720 с.

УДК 658.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИМПЛЕКС-МЕТОДА

В ЗАДАЧАХ СНАБЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Одной из основных проблем в работе предприятий в настоящее время является проблема заполнения склада. Иногда сотрудники компании даже не знают, в каком количестве и у какого поставщика заказать тот или иной товар.

Для решения данной проблемы необходима постановка задачи. Имеется склад определенного размера, любой товар поступает на склад в упаковке, имеющей конкретный размер. Мы имеем первое ограничение для решения задачи: ограничено место на складе.

Ограничены финансовые возможности компании на заказ товара: мы не можем заказать товар стоимостью более конкретной суммы. И, наконец, каждого товара на складе должно быть не больше и не меньше конкретного количества. Используя эти ограничения и определив цель – получение максимальной прибыли, – необходимо решить задачу и определить, сколько какого товара требуется заказать компании.

Для решения подобных задач существует несколько методов оптимизации: метод ветвей и границ, динамическое программирование, симплекс метод. Для конкретной задачи наиболее удобен симплекс-метод.

Симплекс-метод, или метод последовательного улучшения плана, позволяет переходить от одного допустимого базисного решения к другому, причем так, что значения целевой функции непрерывно возрастают. В результате оптимальное решение находят за конечное число шагов.

Таким образом, ограничения в общем виде можно представить в следующей форме:

количество упаковочных единиц го товара, закупаемых у го поставщика где объем упаковочной единицы; объем свободного места на складе;

где с стоимость товара у поставщика; С доступная сумма для заказа товара;

где максимальное количество товара;

где минимальное количество товара.

Целевая функция в общем виде:

где разница между ценой продажи товара и ценой покупки у поставщика.

Проведение расчетов табличным симплекс-методом позволяет получить несколько опорных планов, последний из которых является оптимальным.

Как правило, количество наименований товаров очень велико, и расчет данным методом вручную не всегда удобен, поэтому процесс расчета симплекс-методом был автоматизирован, написана программа и разработан пользовательский интерфейс. В программе может задаваться необходимое количество поставщиков и товаров, что позволяет выбрать оптимальное решение, используя большое количество данных. Пользовательский интерфейс дает возможность добавления информации как о товарах, так и о поставщиках.

Удобство работы с программой заключается в том, что пользователь вводит необходимые ему данные о товарах и поставщиках, а программа проводит расчет табличным симплекс-методом и выдает готовый результат: какой товар и у какого поставщика необходимо заказать.

УДК 681.

ПОКАЗЕТЕЛИ ОЦЕНКИ БЛИЗОСТИ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ

ВИРТУАЛЬНЫХ МАНЕКЕНОВ

Новосибирский государственный технический университет В работе рассматривается задача сравнения полигональных моделей виртуальных манекенов. Задача сформулирована в рамках определения точности моделирования тела человека. Подходы к сравнению трехмерных объектов обычно различаются способом описания формы объекта и метрикой, определяющей меру схожести.

При рассмотрении моделей заведомо определенного класса эффективность сравнения повышается за счет учета особенностей формы моделей этого класса. Модели манекенов, в этом смысле, достаточно хорошо описываются множеством горизонтальных параллельных симметричных сечений, которые в свою очередь представляют собой гладкие и симметричные фигуры. Поэтому первым шагом в оценке аналогичности манекенов является представление исходной полигональной модели набором горизонтальных сечений hi, построенных по всей высоте манекена с заданным шагом (рис. 1).

Рис. 1. Исходная модель (слева), результат разбиения на сечения (справа) Оценка близости моделей происходит в два этапа: расчет показателей для каждой из моделей, участвующих в сравнении; сопоставление показателей по установленным критериям. В качестве показателей рассматриваются следующие характеристики моделей:

периметр полусечения Pi; периметр Ki минимальной выпуклой оболочки, построенной вокруг полусечения; площадь полусечения Ai. Также предлагается оригинальный показатель – дескриптор формы полу сечения:

где Lj – расстояние в плоскости полусечения от центра масс полусечения, до j-й точки полусечения; j – разница по модулю между полярным углом j-й точки полусечения и углом 180 j M ; M – количество точек в полусечении.

Рассматривается показатель, описывающий форму модели целиком по точкам всех сечений – функция формы – множество евклидовых расстояний { s } между всеми парами точек сечений hi, s 1, S, S NM ( NM 1) 2, где N – количество сечений; M – количество точек в сечениях.

Сравнение показателей происходит расчетом среднеквадратичного отклонения по полусечениям для каждого из четырех показателей Pi, Ki, Ai, Di, в случае функции формы сравнению подвергается гистограмма плотности частот множества { s }.

УДК 004. С.А. ЗЕЛЕНЦОВ, А.С. ПОЖИДАЕВА, О.К. КАНЕВ, Л.С. ЛОМАКИНА

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

СОСТОЯНИЙ БИОЦЕНОЗА

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Биоценоз представляет собой некоторую системно-организованную совокупность растений, животных или микроорганизмов. Микрофлора кишечника человека является отдельным биоценозом. Для решения задачи диагностики состояний биоценоза используются несколько подходов на основе многомерного анализа данных.

Анализ многомерных данных Состояние отдельного биоценоза характеризуется многомерным набором данных.

Многомерные данные представляют в виде матрицы «объект-признак», строки которой соотнесены с анализируемыми объектами, а столбцы – с изучаемыми признаками. При диагностике состояний биоценоза признаками многомерных данных служат результаты лабораторных анализов. Каждый признак – случайная величина. Если данные имеют многомерное нормальное распределение, то эти свойства определяются ковариационной (корреляционной) матрицей типа «признак-признак».

Диагностическая экспертная система В диагностической экспертной системе делается попытка моделирования способности человека к рассмотрению предметной области и совершения умозаключений с отбрасыванием наименее перспективных направлений поиска. Для этого используются наборы правил, задаваемые априорно и являющиеся знаниями экспертов. Именно качество знаний определяет компетентность проблемно-ориентированной экспертной системы. Знания о проблемной области, формализованные определенным образом, хранятся отдельно от остальных частей программы, что позволяет модифицировать работу системы искусственного интеллекта, меняя набор знаний и не затрагивая остальных компонентов системы.

Медицинские экспертные диагностические системы строятся на основе алгоритма нечеткой кластеризации. Алгоритм подразумевает, что каждый объект принадлежит каждому кластеру с определённой функцией принадлежности. У каждого кластера имеется для каждой координаты свой центр, и таким образом формируется матрица центров кластеров. Применительно к случаю с двумя кластерами пациент относится к кластеру здоровых с некоторой функцией принадлежности по определённой координате и к кластеру больных с функцией принадлежности 1 -. На основе функции принадлежности система выбирает, какое из нескольких применимых правил должно быть использовано.

Нейросетевые технологии Обучение нейронных сетей для некоторых возрастных групп производится отдельно, поскольку состав микрофлоры у людей различных возрастов имеет существенные качественные и количественные различия. На основе анализа многомерных данных для решения задачи предлагается применять вероятностную нейронную сеть.

Вероятностная нейронная сеть позволяет формировать на выходе оценку вероятности принадлежности биоценоза к определенному классу. В процессе обучения она приобретает способность оценивать функцию распределения, а ее выход рассматривается как ожидаемое значение модели в определенной точке пространства входов. Такая нейронная сеть имеет единственный управляющий параметр обучения – степень сглаживания (или отклонение гауссовой функции). Требуемое значение подбирается опытным путем с учетом минимума контрольной ошибки.

УДК 681.

РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОИСКА УТЕЧЕК ПАМЯТИ

В ПРИЛОЖЕНИЯХ НА ЯЗЫКЕ C++

Дзержинский политехнический институт (филиал) НГТУ им. Р.Е. Алексеева Поиск утечек памяти в приложениях – достаточно обширная задача, которая может быть осложнена аппаратными ограничениями оборудования, где выполняется программа.

Например, в случае встраиваемых систем, в которых объем оперативной памяти сильно ограничен, использование таких утилит, как valgrind, невозможно.

Разработанный программный комплекс служит для поиска утечек памяти в приложениях на языке С++ в условиях ограниченного объема оперативной памяти.

Данный программный комплекс представляет собой статическую библиотеку, подключаемую на этапе компиляции к исследуемому приложению, а также приложение для анализа данных, собранных при помощи этой библиотеки.

Для сборки библиотеки используется компилятор g++, входящий в состав GNU Compiler Collection. Для разработки приложения, обрабатывающего полученные данные, используется язык Python и его самая распространенная реализация - CPython.

Основной принцип работы основан на перехвате системных функций, поддерживаемом компоновщиком ld. При сборке исследуемого приложения все вызовы функций malloc, calloc, realloc, free, new, new[], delete, delete[] заменяются на вызовы соответствующих функций из библиотеки, которые в свою очередь вызывают оригинальные системные функции, а также записывают все действия по выделению/освобождению памяти в журнал событий.

Приложение, обрабатывающее полученные данные, считывает из журнала записи о выделении или освобождении памяти и находит места кода, память в которых выделялась неоднократно, но не была освобождена.

УДК 159.9+681.

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ

СПОСОБНОСТЕЙ И КОМПЕТЕНЦИЙ

Московский городской психолого-педагогический университет Компьютерное тестирование способностей и компетенций в настоящее время эффективно используется в различных областях деятельности. Однако значительное время, затраченное испытуемыми на выполнение всей необходимой последовательности заданий, ограниченность существующих математических моделей, используемых для интерпретации результатов тестирования, отсутствие средств фильтрации воздействий, обусловленных различными формами некорректного внешнего вмешательства в процедуру испытаний, существенно ограничивают сферу его применения.

Представлена разработанная система поддержки принятия решений, использующая новую факторную модель процесса тестирования способностей и компетенций, позволяющая сокращать число заданий при тестировании интеллекта, а также оценивать не только эффективность, но и продуктивность мышления испытуемых, а также учитывать влияние факторов внешней среды. В качестве теста, демонстрирующего работу системы, используются «Продвинутые прогрессивные матрицы Равена», состоящие из 36 вопросов.

Данная методика диагностирует уровень развития невербальных способностей.

После тестирования испытуемых определенной возрастной группы, получив наборы параметров, которые являются ответами на вопросы, а также наборы времен, отражающие время, затраченное испытуемыми при ответе на каждый вопрос, возможно идентифицировать свободные параметры моделей с использованием метода наименьших квадратов. С целью получения достаточно большой выборки для их обучения применяется метод Монте-Карло, позволяющий получить наборы данных с изменяющимся стандартным отклонением от идентифицированной дисперсии фактора и процентом случайных компонентов, выходящих за границы доверительного интервала. Полученная выборка позволяет обучить самоорганизующиеся карты Кохонена для каждого из уровней развития, каждого вопроса тестовой методики модели результатов и времен ответов испытуемого.

Карты Кохонена обеспечивают вероятностную оценку принадлежности испытуемого к каждому уровню развития способностей через оценку расстояния от скорректированного ответа до центра выигравшего нейрона обученной сети, что позволяет получать оценку адекватности прогноза наблюдениям по каждому типу рассматриваемых моделей. Процесс тестирования завершается, когда текущие скорректированные ответы на вопросы субтеста наилучшим образом приблизятся к одной из моделей, соответствующей определенному уровню способностей. Данное решение принимается на основе оценки балансов вероятностей принадлежности испытуемого к каждой из моделей.

Для устранения нежелательных влияний во время прохождения тестов используется матричный фильтр Калмана, позволяющий корректировать наблюдаемые параметры согласно адаптивному алгоритму, что даёт возможность учитывать влияние на испытуемого внешних факторов (усталости, подсказок и др.) во время прохождения тестирования.

Представленная система может быть адаптирована для любого теста способностей и компетенций, обеспечивая анализ динамических характеристик прохождения тестов испытуемыми с различным уровнем развития способностей компетенций. Теоретическая значимость определяется новизной методов, используемых при разработке системы.

УДК 004.

ОБ ОЦЕНКЕ ТОЧНОСТИ МЕТОДА НЕЧЕТКОГО ФОНЕТИЧЕСКОГО

КОДИРОВАНИЯ-ДЕКОДИРОВАНИЯ С РЕДУКЦИЕЙ ДАННЫХ В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ ЗНАЧЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ

Нижегородский государственный лингвистический университета им. Н.А. Добролюбова Задача распознавания изолированных слов/словосочетаний в области автоматического распознавания речи и, в частности для систем голосового управления, становится все более актуальной. Качество существующих коммерческих решений для русского языка оказывается все еще недостаточным для некоторых практически важных задач (в системах голосового управления с повышенными требованиями к надежности в условиях акустических помех).

Для повышения качества распознавания русской речи в условиях шумов может использоваться известный метод фонетического декодирования слов (ФДС), в котором задача распознавания слов сводится к выделению границ слогов и распознаванию гласных фонем в этих слогах. К сожалению, точность метода ФДС иногда оказывается недостаточной, так как близкие по звучанию фонемы часто перепутываются. Для повышения точности распознавания слов за счет использования теории нечетких множеств в работе (Савченко Л.В. Алгоритм пофонемного распознавания устной речи на основе метода нечеткого фонетического кодирования-декодирования слов // Информационно-управляющие системы. 2014. №1. С. 23-31) предлагаетcя обобщение ФДС - метод нечеткого фонетического кодирования-декодирования слов (НФКДС), в котором предложено определение фонемы как нечеткого множества минимальных звуковых единиц, т.е. фонеме ставится в соответствие не один эталон x * (как ФДС), а нечеткое множество {( x*, (x* ))}, где (x* ) - степень принадлежности r-го эталона x * к j-й фонеме. В ходе экспериментального исследования речевые сигналы сопоставлялись в метрике Кульбака-Лейблера с использованием авторегрессионной модели порядка p = 15. Для тестирования диктор произносил по 500 слов из словаря «Города» (объем словаря 1832), в качестве эталонов использовались 30 гласных звуков этого же диктора по три реализации на каждый звук с предварительной редукцией данных (для каждого звука определяется один его центр-эталон). В табл. 1 приведена оценка ошибки распознавания для методов ФДС и НФКДС в сравнение с популярной системой распознавания Google Voice Search в условиях шумов.

Оценка вероятности ошибки распознавания в зависимости от уровня шума Как видно из табл. 1 точность распознавания в условиях сильных шумов (10 дБ) для Google Voice Search падает сильнее, чем для методов ФДС и НФКДС. Так, точность распознавания системы Google Voice Search снижается на 25%, для методов ФДС и НФКДС на 14 и 12,5 % соответственно. Таким образом, методы ФДС и НФКДС являются более помехоустойчивыми, чем известная система Google Voice Search, что в первую очередь связано с послоговым произношением в методах ФДС и НФКДС. В то же время метод НФКДС превышает по точности метод ФДС на 2-4% благодаря определению фонемы как нечеткого множества минимальных звуковых единиц.

СЕКЦИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

Подсекция 2. Автоматизация систем электрооборудования УДК 621.

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ

ЧАСТОТЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Индукционные нагреватели промышленной частоты часто используются для нагрева подшипников, втулок, зубчатых колес, муфт и других деталей с целью обеспечения их последующей посадки с натягом на вал или другое цилиндрическое изделие.

Метод индукционного нагревания подшипников имеет преимущества относительно традиционных методов: нагрев на горячих плитах и в масляных ваннах. Эти преимущества заключаются в возможности оперативно регулировать нагревательный процесс, в отсутствие риска локального перегрева детали, в возможности применения для предварительно смазанных подшипников и для подшипников с полиамидной обоймой.

Как правило, для питания таких индукторов применяют сетевое напряжение 220 В с частотой 50 Гц, действующее и среднее значение которого регулируют посредством тиристорного преобразователя с фазным управлением. Это приводит к потреблению реактивного тока из питающей сети, что увеличивает потери в сети, уменьшает напряжение в точке присоединения индуктора, приводит к увеличению массо-габаритных показателей коммутирующей аппаратуры и токопроводов.

Рис. 1. Схема регулятора обеспечивая уменьшение потерь электроэнергии в В докладе обсуждаются математическое описание процесса регулирования напряжения на индукторе, и результаты компьютерного моделирования стационарных и переходных процессов.

Полученные результаты позволяют рекомендовать разработку к промышленному применению.

УДК 62-

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА РЛС

С УЧЕТОМ УПРУГО-ВЯЗКОЙ ДЕФОРМАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ ЗВЕНЬЕВ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Опыт эксплуатации существующих радиолокационных станций (РЛС), а также анализ построения РЛС последних поколений определяет ряд необходимых требований к электроприводу (ЭП) вращения антенны: поддержание постоянных скоростей вращения; обеспечение плавного разгона антенно-мачтового устройства (АМУ); возможность глубокого регулирования скорости вращения АМУ для предотвращения недопустимых механических нагрузок в нем, что обусловлено большой массой и парусностью антенной решетки АФАР. Этим требованиям удовлетворяют ЭП на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами (СДПМ) и системой управления, обеспечивающей стабилизированную скорость вращения антенны РЛС и требуемую точность определения координат цели.

Обоснованный выбор электродвигателя ЭП, преобразователя, а также оценка электромагнитной совместимости ЭП требует анализа электромагнитных процессов в нем в стационарном режиме работы РЛС при постоянной скорости вращения АМУ и моменте сопротивления электродвигателя, который изменяется в течение оборота антенны и зависит от скорости ветра и вращения антенны и от конфигурации. Необходимо учесть, что механическая часть электропривода представляет собой систему связанных масс, движущихся с различными скоростями вращательно или поступательно. При нагружении элементы системы (валы, опоры, зубчатые зацепления, канаты и т. п.) деформируются, так как механические связи не являются абсолютно жесткими. При изменениях нагрузки массы имеют возможность взаимного перемещения, которое при данном приращении нагрузки определяется жесткостью связи передающие вращение. Для этого необходимо иметь математическое описание момента сопротивления и элементов механических звеньев, передающих вращение вала двигателя на антенну.

Для исследования особенностей работы ЭП АФАР и оценки его электромагнитных процессов в среде MatlabSimulink создана математическая модель системы «ЭП АФАР – двухмассовая упруго-вязкая система», с учетом вязкости механических звеньев и люфта кинематических передач.

На ее основе выполнены исследования влияния ветровой нагрузки антенны на ЭП при различных скоростях ее вращения и скорости ветра. Установлено, что двухмассовая упруговязкая система при ветровой нагрузке вносит дополнительные колебания в электромагнитные процессы, что требует выбора двигателя с запасом по мощности. Запас по мощности зависит от параметров механических звеньев и конфигурации антенны.

В соответствии с этим представляется перспективным поиск новых вариантов управления и технических решений ЭП АФАР, позволяющих минимизировать влияние упруговязких деформаций механических звеньев.

УДК 621.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ

ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева1, Обеспечение стабильных поставок газа потребителям по магистральным газопроводам и снижение энергоемкости транспорта газа связаны с модернизацией существующих электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА) компрессорных станций (КС).

Возможности расширения функциональных возможностей ЭГПА, улучшение их характеристик связаны с внедрением новых программно-аппаратных средств управления и апробацией их с помощью прикладных компьютерных моделей, необходимых для исследования различных режимов работы газотранспортных объектов.

Работа практически всех существующих ЭГПА на КС происходит в нерегулируемых машиной режимах транспорта природного газа. Возможности изменения давления на выходе КС ограничены методами дискретного включения/отключения отдельных агрегатов и дросселированием (перепуском газа) на стороне нагнетания. Поэтому главными проблемами ЭГПА являются безопасный пуск и устойчивость работы при возмущениях со стороны питающей сети и нагрузки. При реконструкции электроприводных КС возникает вопрос о целесообразности применения регулируемых систем на базе высоковольтных преобразователей частоты. Это обусловлено требованиями энергосбережения и строгой стабилизации давления на выходе КС при неравномерном графике подачи и/или потребления газа. Микропроцессорная система управления позволяет технически реализовать векторное регулирование по цепи статора и по цепи возбуждения с идентификацией угла нагрузки, а также интегрировать системы управления ЭГПА в АСУ КС.

Таким образом, несмотря на то, что выбор оптимальной структуры ЭГПА определяется в результате технико-экономического анализа, функциональные возможности новых систем синхронного и асинхронного электропривода мегаваттного класса необходимо оценить с помощью компьютерного моделирования.

В качестве примера в докладе приведен пакет MATLAB с приложением визуального моделирования Simulink, с библиотекой Sim Power Systems. В этих программных продуктах не нужно полное математическое и логическое описание каждого компонента структуры, что облегчает и ускоряет процесс однократного синтеза блоков. Но при этом существует ряд недостатков – отсутствует возможность быстрого математического и модельного отхода от используемого ПО, усложняется процесс синтеза экспертной системы по выбору структуры, подбору параметров, а также синтезу системы. Указанный способ моделирования не всегда в полной мере отражает всю картину электромеханических процессов в системе. Ряд продуктов ПО позволяет производить визуальное имитационное моделирование на низшем уровне, составлять моделиблоки на основе описания каждого элемента блока, а из готовых блоков собирать интересующую структуру. Элементы блоков моделируются в виде набора передаточных функций, математическими выражениями, а также простейшими дискретными логическими элементами. Примером такого ПО служит пакет MATLAB с приложением визуального моделирования Simulink.

Методика блочного моделирования позволяет анализировать работу ЭГПА любой сложности, составленных из заранее смоделированных блоков-компонентов; упрощает выбор оптимальной структуры ЭГПА, исходя из факторов энергетической эффективности;

упрощает синтез алгоритмов приводов. Анализ полученных данных показывает, что использование инвариантного регулятора вместо традиционного – улучшает стабильность процессов в системе с синхронными машинами. В докладе представлены результаты моделирования систем регулирования давления ЭГПА с преобразователем частоты.

УДК 621.

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКИ

ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Установки индукционного нагрева реализуют технологию, связанную с возбуждением вихревых токов в проводящих образцах металла для их нагрева. Известны установки индукционного нагрева для плавки образца металла во взвешенном состоянии. Данные установки могут быть использованы как для испытания образцов в лабораторных условиях, так и для плавки драгоценных металлов в ювелирном деле и в производстве полупроводниковых приборов. Плавка драгоценных металлов в установке индукционного нагрева значительно удобнее и экономичнее, чем плавка в муфельных печах.

Установки индукционного нагрева обладают следующими достоинствами: долговечность, электробезопасность, пожаробезопасность, простота в обслуживании и возможность полного автоматического управления.

Авторы реализуют различные способы управления силовыми ключами инвертора.

Разработана математическая модели работы индуктора с квазичастотной модуляцией в целях регулирования мощности и построена компьютерная модель. Этот способ может быть реализован применительно к мощным установкам, инвертирование в которых выполняется на тиристорах. Приводятся результаты моделирования электромагнитных процессов. Принципиальные схемы силовых цепей представлены на рис. 1.

а – полумостового силового модуля; б – регулирования с квазирезонансным модулем Для увеличения мощности данной индукционной установки потребуется водяное охлаждение. Это реализовано с помощью электрической развязки индуктора от водопровода.

Конденсатор колебательного контура должен быть рассчитан на большую реактивную мощность, для этого берется конденсаторная батарея из сорока полипропиленовых высоковольтных конденсаторов емкостью 0,033 мкФ. В инверторе данной установки силовой модуль представляет собой полумост.

Усовершенствованная индукционная установка может быть использована в лабораторных условиях для «чистой» плавки во взвешенном состоянии образцов металлов.

УДК 62-

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Переход от простых электромеханических коммутационных устройств к сложным интеллектуальным устройствам автоматики обусловлен стремлением потребителя к повышению производительности, облегчению труда обслуживающего персонала и к увеличению надежности работы оборудования. Высший класс интеллектуальных устройств – это многофункциональные устройства, способные одновременно фиксировать несколько параметров процесса при помощи целого ряда внутренних датчиков и передавать данные в цифровом виде или без проводов.

Доклад посвящен описанию стенда, разработанного и апробированного на кафедре электрооборудования, электропривода и автоматики НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Обосновывает необходимость и удобство устройств с элементами искусственного интеллекта, применяемых для защиты электропривода.

В докладе приводится информация о силовом автоматическом выключателе NZM, о его коммутационных особенностях и свойствах, конструктивном исполнении. Демонстрируется специфика компьютерных программ CurveSelect и NZM-XPC-Soft. Отдельное внимание уделяется DMI (Data Management Interface) – модулю, который служит для чтения диагностических и текущих данных, отображения тока при пуске двигателя, задания параметров и контроля автоматического выключателя с электронным расцепителем.

УДК 6.21.

ДИЗАЙН И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО

АМОРТИЗАТОРА АВТОМОБИЛЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Амортизаторы используют для подавлений колебаний корпуса в результате поглощения энергии, содержащейся в пружинах или торсионах при перемещении колеса автомобиля вверх и вниз. Обычные амортизаторы не поддерживают вес транспортного средства. Они уменьшают динамические изменения груза колеса и предотвращают подъем колеса с дорожной поверхности за исключением чрезвычайно шероховатых поверхностей. Это делает возможным более точное регулирование и торможение. Амортизаторы превращают кинетическую энергию остановки движения в тепловую, которая рассеивается через гидравлическую жидкость. Однако эта кинетическая энергия может быть преобразована в электроэнергию, которая в свою очередь может быть сохранена в аккумуляторной батарее.

Таким образом, электрический амортизатор преобразует кинетическую энергию в электрическую. Эта энергия может быть использована для зарядки аккумулятора и для повышения эффективности привода автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Электрический амортизатор схематически показан на рис. 1.

сердечнику амортизатора. Аккумулятор электрической энергии состоит из управляемого выпрямителя напряжение переменного тока индуцируется в катушках. Это напряжение затем выпрямляется управляеРис. 1. Функциональная схема элекмым преобразователем и подается в батарею.

тромеханического амортизатора:

двигателем внутреннего сгорания, то экономия топлива составит около 10%.

УДК 621.

АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАТРИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ЧАСТОТЫ С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА ANSYS ICEPAK

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева При проектировании мощных преобразователей частоты, работающих в составе сложных производственных комплексов, зачастую появляется необходимость уменьшить массогабаритные показатели преобразователя одновременно повысить его выходную мощность. Как правило, расчёт системы охлаждения современного устройства силовой электроники сопряжен с громоздкими расчетами. Поскольку на одном радиаторе зачастую располагаются несколько силовых полупроводниковых приборов, расчет градиента температуры на поверхности охладителя значительно затруднен.

В настоящее время на базе лаборатории ИНЭЛ НГТУ разрабатывается экспериментальный образец матричного преобразователя частоты (МПЧ) [1]. При его проектировании возникла проблема создания достаточно компактной, и в то же время эффективной системы охлаждения, способной отводить тепло от восемнадцати силовых полупроводниковых ключей [2]. Расчет объема системы охлаждения был проведен по методике, описанной в [3], после чего результаты были проверены с помощью численного моделирования в FEM-системе

ANSYS ICEPAK.

Модель системы охлаждения силовой части МПЧ в программном пакете ANSYS ICEPAK (рис. 1) включает в себя трехмерные модели фазных модулей преобразователя, каждый из которых состоит из трех радиаторов типа HS 118-75, сгруппированных в виде куба. На каждом из радиаторов установлены по два транзисторных ключа на базе IGBT-транзисторов IRG4PC30F. В модели транзисторные ключи представлены в виде источников тепловой энергии с площадью, равной площади фланца транзистора. Фазные модули МПЧ выстроены в линию таким образом, чтобы охлаждающий воздух проходил вдоль ребер всех двенадцати радиаторов. Таким образом, достигается наилучший отвод тепла от ребер радиаторов. Радиаторы охлаждаются вентилятором типа TITAN TFD-9225L12Z, установленным на стенке корпуса преобразователя.

Рис. 1. Модель системы охлаждения МПЧ в программном пакете ANSYS ICEPAK Моделирование показало, что при коммутации транзисторными ключами тока с действующим значением 10А на частоте 5кГц при расчётных потерях на проводимость 2 Вт и потерях на коммутацию 12Вт, максимальный нагрев в 74,2C наблюдается, как и ожидалось, на конденсоре радиатора, наиболее удаленного от вентилятора. При этом при температуре окружающей среды, равной 45C, средняя температура системы охлаждения не превышает 59C.

Результаты, полученные с помощью моделирования, подтвердили сделанные ранее теоретические расчёты, и были использованы при изготовлении экспериментального образца МПЧ.

1. Варыгин, И.А. Макет матричного преобразователя частоты / Д.А. Корнев, А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов. И.А. Варыгин // Материалы XI международной молодежной научно-технич.й конф. / НГТУ. – Н.Новгород, 2012. С. 54–55.

2. Моделирование системы управления матричным преобразователем частоты Matlab с использованием S-функций / А.Б. Дарьенков [и др.] // Материалы XII молодежной научно-технич. конф. / НГТУ. – Н.Новгород, 2013. С. 51.

3. Drofenik, U. Theoretical Converter Power Density Limits for Forced Convection Coolingт / U. Drofenik, G. Laimer, J. W. Kolar // Proceedings of the International PCIM Europe 2005 Conference. June 7–9.

– Nuremberg (Germany). 2005. Р. 608– 619.

УДК 621.

ГИБРИДНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА ОСНОВЕ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА

ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева В настоящее время энергоснабжение многих объектов на Дальнем Востоке, в Сибири, Северных территориях, являющихся перспективными для ветроэнергетики, ведется с помощью дизельных или газотурбинных электростанций, работающих, как правило, на дорогом привозном топливе. Широкое использование ветроэнергетики в России позволило бы использовать экономический потенциал, эквивалентный 13-15 млн т у.т. [1].

В условиях относительно небольших скоростей ветров и их непостоянства, что характерно для большей части территории России, перспективно применение гибридных ветроэлектростанций (ВЭС), в состав которых входят установки «дизель – генератор» (Д-Г).

Использование гибридных ВЭС позволит, по меньшей мере, вдвое сократить ввоз топлива в указанные районы, перейти частично или полностью на электронагрев воды, улучшить экологическую обстановку за счет уменьшения вредных выбросов в атмосферу и сохранения лесных угодий.

Предлагаемая авторами гибридная ВЭС состоит:

из канала преобразования ветровой энергии (ветроколесо, синхронный генератор, выпрямитель, преобразователь стабилизирующего типа, балластная нагрузка);

канала преобразования тепловой энергии (дизель, синхронный генератор, выпрямитель, преобразователь стабилизирующего типа);

аккумулятора;

выходного канала (шина постоянного напряжения, инвертор напряжения, выходные интеллектуальной системы управления.

Гибридная ВЭС, разработанная авторами, отличается от ныне существующих по трем аспектам:

интеллектуальный нейросетевой алгоритм управления и преобразователей стабилизирующего типа увеличивает диапазон скоростей ветрового потока, в котором осуществляется отбор мощности с вала ветроколеса (при скоростях ветра 2 м/с и более);

использование задатчика экономичного режима (ЗЭР), работающего под управлением интеллектуального нейросетевого алгоритма, в зависимости от мощности нагрузки, позволяет выбрать оптимальную частоту вращения дизеля, соответствующей оптимальному расходу топлива дизеля (экономия топлива до 20-30%) [2,3]; при этом снижаются вредные выбросы в атмосферу;

интеллектуального нейросетевого алгоритма управления и преобразователей стабилизирующего типа обеспечивает параллельную работу каналов преобразования энергии от дизеля и ветроколеса с распределением нагрузки между ними.

1. Онищенко, Г.Б. Развитие энергетики России. Направления инновационно-технологического развития / Г.Б. Онищенко, Г.Б. Лазарев. – М.: Россельхозакадемия, 2008.

2. Хватов, О.С. Электротехнический комплекс генерирования электрической энергии на основе дизельгенераторной установки переменной скорости вращения с интеллектуальной системой управления / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.С. Поляков // Информационные системы и технологии ИСТ-2011: материалы XVII междунар. научно-технич. конф. / НГТУ. – Н. Новгород, 2011. С. 196–197.

3. Пат. РФ на изобретение № 2412513 / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов. Автономная электростанция переменного тока. Бюл. 5. 2011.

УДК 621.3:620.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДА НАГРУЖАЮЩЕГО

СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОРОБОК ПЕРЕДАЧ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева В Институте транспортных систем НГТУ осуществляется разработка аналитического аппарата по исследованию динамических процессов, протекающих в многоступенчатой коробке передач с автоматическим управлением при переключении скоростей. Авторами разработана система электроприводов нагружающего стенда для исследования коробок передач, функциональная схема которой приведена на рис. 1.

Ф ИКП Ф ТКП ИМ

Рис. 1. Функциональная схема испытательного нагружающего стенда:

Д – приводной электродвигатель; Ф – измерительный фланец; ИКП – исследуемая коробка передач, ТКП – технологическая коробка передач; ИМ – инерционная масса; Д(Г) – электрическая машина, работающая в режиме двигателя или генератора; ПП1, ПП2 – полупроводниковые преобразователи;

ИЭЭ – источник электроэнергии с промышленными параметрами Свойства и возможности нагружающего устройства зависят от внешних, регулировочных, электромагнитных и энергетических характеристик приведенной схемы электроприводов. Эти характеристики обеспечивают возможность достижения электромеханической, электромагнитной и информационной совместимости подсистем стенда. А именно, электроприводы должны развивать моменты с изменяемыми значениями и знаками, иметь необходимые динамические свойства, которые ограничены параметрами источника питания, токи в элементах схем преобразователей не должны превышать допустимых значений, а показатели качества электроэнергии в питающей сети должны находиться в пределах, ограниченных стандартом.

Исследована имитационная модель электропривода, содержащая управляемый выпрямитель и двигатель постоянного тока, а также состоящая из управляемого инвертора тока и генератора постоянного тока. Приводятся осциллограммы изменения во времени электрических переменных в звеньях постоянного тока двух типов электроприводов, потребляемого сетевого тока, а также момента и скорости вала электрических машин при различных нагрузках и задающих сигналах управления.

Полученные результаты позволяют определить величины дросселя в цепи постоянного тока, обеспечивающие работоспособность стенда в разных испытательных режимах. По результатам моделирования предложены рекомендации по выбору других известных видов преобразователей электрической энергии, применение которых более эффективно по отношению к рассмотренным управляемым выпрямителям и инверторам в описанных режимах работы стенда.

УДК 621.

РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА НА ВАЛУ

КРИВОШИПНОГО ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНОГО ПРЕССА

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Для автоматизации промышленных установок с предельными механическими нагрузками необходимо использование точных методов и средств измерения параметров, характеризующих режимы работы этих машин. К таким средствам измерения следует отнести и бесконтактные магнитоупругие преобразователи (БМП) крутящего момента. Опыт эксплуатации БМП крутящего момента на промышленных установках и судах показал их высокую надежность, обусловленную простотой конструкции, малой базой измерения и бесконтактным методом съема сигнала.

До появления БМП момент вращающегося вала измерялся при помощи тензометрических устройств и контактных колец, снижающих надежность устройства и увеличивающих габариты. В настоящее время наиболее современными преобразователями считаются кольцевые дифдукторы, включающие пару измерительных и возбудительных обмоток, а также измерительную схему (рис. 1).

Принцип работы БМП базируется на явлении изменения магнитной проницаемости ферромагнитного материала под воздействием механических воздействий. В большинстве конструкций БМП в качестве чувствительного элемента выступает участок вала. Обмотки возбуждения ОВ, питаемые генератором Г, создают переменное магнитное поле, позволяющее зафиксировать изменение магнитной проницаемости вала. Изменяются параметры ЭДС, индуцируемые в измерительных обмотках БМП, такие как амплитуда, фаза, форма. По уровню, форме, то есть по гармоническому составу индуцированной ЭДС может быть определена величина момента, прикладываемого к валу. При использовании разных параметров меняются показатели точности, чувствительности и диапазона измерения крутящего момента.

В докладе приведены примеры применения различных методов измерения крутящего момента валов промышленных установок при помощи измерительных выходных схем БМП с разными детекторами: цифровым фазометром и измерителем фазовых сдвигов за один период исследуемого напряжения.

Разрабатываемое устройство позволит с высокой точностью измерять крутящий момент на вращающемся валу, а также передавать сигнал о его превышении на ограничительный или защитный исполнительный механизм.

1. Пат. № 2196309 / Охулков, С.Н. Способ определения крутящего момента. Заявл. № 2000110472 от 24.04.2004.

2. Рыбальченко, Ю.И. Магнитоупругие датчики крутящего момента / Ю.И. Рыбальченко. – М.: Машиностроение, 1981. – 128 с.

УДК 621. Д.А. КОРНЕВ, А.Б. ДАРЬЕНКОВ, О.С. ХВАТОВ, И.А. ВАРЫГИН, Д.А. КОМРАКОВ

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

МАТРИЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ НА БАЗЕ ПЛИС

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Волжская государственная академия водного транспорта Для снабжения электроэнергией районов России с децентрализованным энергоснабжением (Дальний Восток, Сибирь, районы крайнего Севера) используются дизельгенераторные (Д-Г) комплексы с постоянной частотой вращения вала. Суммарная мощность вырабатываемой ими электроэнергии превышает 70 млрд кВтч в год. Экономия топливных ресурсов возможна в Д-Г установках с регулируемой частотой вращения вала на базе матричных преобразователей частоты (МПЧ) [1, 2].

Матричные преобразователи частоты является частным случаем непосредственных преобразователей частоты (рис. 1) и обладают рядом преимуществ по сравнению с преобразователями частоты со звеном постоянного напряжения [2, 3].

Распространению МПЧ препятствуют относительно сложные алгоритмы управления ключами [2]. Для отработки алгоритмов управления авторами разработаны имитационные модели в программном пакете MATLAB [4].

Алгоритм управления, отработанный в MATLAB, был применен в однокристальной системе управления МПЧ на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) Cyclon IV фирмы Altera (рис. 2).

Рис. 2. Графическая интерпретация цифрового дизайна системы управления МПЧ Система управления МПЧ, построенная на базе ПЛИС относится к системам жесткого реального времени. ПЛИС по сравнению с микроконтроллерами выполняют команды за жестко заданные временные интервалы. Также достоинством системы управления на базе ПЛИС является параллельное выполнение процессов, что позволяет одновременно обрабатывать все входные сигналы и формировать выходные [2].

1. Хватов, О.С. Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала / О.С. Хватов, А.Б. Дарьенков, И.М. Тарасов // Вестник Ивановского государственного технического университета. Вып. 2. – Иваново, 2010. С. 53–56.

2. Корнев, Д.А. Разработка системы управления матричным преобразователем частоты на базе ПЛИС / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов, Д.А. Корнев // Актуальные проблемы электроэнергетики / НГТУ.

– Н.Новгород, 2014.

3. Дарьенков, А.Б. Современные тенденции в построении силовых преобразователей переменного напряжения / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов, Г.М. Мирясов // Труды НГТУ: Актуальные проблемы электроэнергетики / НГТУ. – Н.Новгород, 2009. Т. 77. С. 21–25.

4. Корнев, Д.А. Оптимизация алгоритма управления матричным преобразователем частоты / А.Б. Дарьенков, О.С. Хватов, И.А. Варыгин // Состояние и перспективы развития электротехнологии (XVII Бенардосовские чтения): материалы междунар. научно-технич. конф. / ИГЭУ им. В.И. Ленина. – Иваново, УДК 621.

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА КОЛЛЕКТОРНОГО

ДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТА

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева При запуске быстроходных коллекторных двигателей, которыми обычно комплектуются деревообрабатывающие инструменты, зачастую возникают провалы напряжения в электрических сетях. Как правило это происходит при пуске двигателей, мощность которых соизмерима с мощностью короткого замыкания источника питания (составляет порядка 40 % их мощности). Это плохо сказывается на самом двигателе, который длительное время потребляет сверхток и может совсем не запуститься, а также на оборудовании, параллельно включенном в сеть. Предлагаемая разработка исключает провалы напряжения в сети, позволяя обеспечить безопасный пуск двигателя при номинальном токе.

Авторами разработано устройство плавного пуска, структурная схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема устройства плавного пуска коллекторных двигателей Устройство содержит: задатчик интенсивности (ЗИ), определяющий угловое ускорение вала двигателя; регулятор тока непрерывного типа; систему импульсно фазового управления вентильным преобразователем (СИФУ); вентильный преобразователь; датчика тока с использованием элементов Холла. Показанные на схеме потенциометры позволяют изменять значения скорости изменения тока, потребляемого двигателем при разгоне и торможении, что дает возможность управления процессом запуска, работой и остановам электродвигателей.

Новизна разработки заключается в возможности включения коллекторных двигателей на стороне переменного тока в «разрыв» линии питания L. Тогда при использовании полностью управляемых полупроводниковых вентилей и включении дросселя, вместо изображенного на схеме двигателя М, возможна генерация реактивной мощности емкостного характера в питающую сеть. Таким образом, регулирование напряжения и тока на нагрузке будет увеличивать жесткость внешней характеристики источника питания. В докладе приводятся результаты модельных экспериментов с разработанным устройством.

УДК 621.

РАЗРАБОТКА ЗАКОНА УПРАВЛЕНИЯ КОНТУРОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева Основным элементом многих машин является ротор, вращающийся в подшипниковых опорах. Рост скоростей вращения и необходимость снижения потерь мощных роторных машин требуют создания принципиально нового вида подшипников, в которых для создания опорных реакций используются магнитные и электрические поля [1]. Среди них наибольший практический интерес представляют активные магнитные подшипники (АМП).

Рабочие зазоры между статором и ротором нагнетателя составляют 0,1 мм при весе ротора нагнетателя около одной тонны, поэтому система управления электромагнитами подшипника должна иметь высокое быстродействие. В связи с этим авторами определены требования к системе питания электромагнитов и рассматриваются вопросы построения цифровой системы управления радиальным и осевым электромагнитными подшипниками (ЭМП). Система регулирования может быть двухконтурная и трехконтурная.

На текущем этапе работы проводится исследование внутреннего контура тока. Проведен анализ трех вариантов построения регулятора тока в САУ:

пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор;

релейный регулятор;

релейный регулятор, работающий в скользящем режиме.

Анализ показывает, что наиболее рациональным является построение контура тока ЭМП с релейным регулятором, работающим в скользящем режиме, при этом обеспечивается наилучшее быстродействие и минимальная ошибка регулирования.

Авторами представлена математическая модель контура тока питания электромагнитов магнитного подвеса и получены переходные процессы в контуре тока при появлении возмущающего воздействия.

Вывод: полученные характеристики переходных процессов САУ подтверждают правильность выбранных алгоритмов регулирования контура тока активного магнитного подвеса.

1. Журавлев, Ю. Н. Активные магнитные подшипники: Теория, расчет, применение / Ю.Н.Журавлев. – СПб.: Политехника, 2003. – 206 с.

УДК 621.

РАЗРАБОТКА ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВАТЕЛЯ

ДЛЯ ПРЕДСВАРОЧНОЙ ПОДГОТОВКИ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Разработка относится к области электротермии, предназначена для предсварочного подогрева магистральных труб и может быть использована для поддержания температуры трубопроводов в рабочем диапазоне, а также защиты от замораживания трубопроводов и стартового разогрева трубопроводов до рабочей температуры.

Известные публикации посвящены исследованию устройств для подогрева технологического оборудования нефтехимических производств, трубопроводов и резервуаров, в которых основным компонентом, осуществляющим нагрев, является греющий кабель [1].

К основным недостаткам систем кабельного электрообогрева можно отнести: ограничение температурных режимов работы и, следовательно, ограничение функциональных возможностей данных систем; нетехнологичность монтажа; тепловое воздействие на окружающую среду; невысокий КПД в пределах 60%.

Технической задачей разработки являются расширение функциональных возможностей формирования теплового поля системы обогрева, улучшение ремонтопригодности, повышение управляемости процессами тепловыделения.

В материалах доклада рассмотрена математическая и компьютерная модели индукционного нагревателя. Результаты моделирования показали преимущество квазирезонансной коммутации вентилей, благодаря которой уменьшаются потери в ключах инвертора. Разработана и испытана физическая модель инвертора, схематично изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая схема автономного инвертора тока Измерения температуры транзисторных ключей показали ожидаемо малые значения тепловых потерь.

1. Транспорт и хранение высоковязких нефтей и нефтепродуктов. Применение электроподогрева / Р.Н. Бахтизин [и др.]. – М.: Химия, 2004. – 196 с.

УДК 621.

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДИСТАНЦИОННЫХ ЗАЩИТ

ЛИНИЙ С ОТВЕТВЛЕНИЯМИ И АВТОТРАНСФОРМАТОРОВ

К КОРОТКИМ ЗАМЫКАНИЯМ НА СТОРОНЕ НИЗШЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Ивановский государственный энергетический университет При осуществлении дистанционной защиты (ДЗ) возникают значительные трудности в обеспечении требуемой чувствительности к коротким замыканиям (КЗ) в зоне резервирования – за трансформаторами ответвлений или на стороне НН автотрансформатора (АТ). Это определяется тем, что на замер сопротивления измерительного органа (ИО) ДЗ влияет подпитка с противоположной стороны защищаемого объекта. Кроме того, ИО сопротивления должен быть отстроен от максимального нагрузочного режима. Например, для ДЗ линии с ответвлением переток мощности по линии может быть таким, что сопротивление нагрузочного режима близко к замеру сопротивления при КЗ за трансформатором. Еще большие трудности возникают при двухфазных КЗ за трансформатором со схемой соединения обмоток «звезда - треугольник».

Для повышения чувствительности ДЗ трехконцевого объекта к КЗ на стороне низшего напряжения трансформатора предлагается выполнить дополнительное реле сопротивления, включаемое на сумму токов двух питающих сторон элемента, и напряжение одной из сторон, математически смещенное к точке подключения третьей стороны элемента.

В случае выполнения ДЗ линии с ответвлениями ИО сопротивления включается на напряжение на шинах подстанции в месте установки защиты, компенсированное падением напряжения на сопротивлении участка линии до ответвления, и сумму токов питающих концов линии. Замер сопротивления в этом случае определяется выражением где U ш1 – напряжение на шинах подстанции в месте установки защиты; Z л1 – сопротивление участка линии до ответвления; I1 – ток в линии со стороны установки защиты; I 2 – ток противоположного конца линии (при выполнении в качестве основной защиты продольной дифференциальной токовой защиты линии он уже имеется в терминале).

При выполнения ДЗ автотрансформатора замер сопротивления ДЗ стороны ВН АТ определяется следующим образом:

I ВН IСН / KТ ВН СН

где U ВН – напряжение на шинах ВН АТ; Z ВН – сопротивление обмотки ВН АТ; I ВН – ток на стороне ВН АТ; I СН – ток на стороне СН АТ; KТ ВН СН – коэффициент трансформации автотрансформатора.

В качестве подведенных величин возможно использование междуфазных напряжений и соответствующих им разностей фазных токов. Для предлагаемого ИО также возможно включение на фазные величины, что позволит обеспечить лучшую чувствительность при двухфазных КЗ на стороне НН трансформатора. В этом случае для обеспечения несрабатывания ИО при КЗ на землю необходимо блокировать действие защиты.

И для ДЗ линии с ответвлением, и для ДЗ АТ при КЗ на стороне низшего напряжения реле оказывается как бы включенным в сеть с односторонним питанием. Поэтому влияние подпитки противоположного конца защищаемого объекта полностью устраняется и чувствительность предлагаемой защиты оказывается значительно выше существующей.

Кроме того, для обеспечения несрабатывания в режимах без КЗ предлагаемой ДЗ достаточно выполнить отстройку только от тока нагрузки защищаемой зоны. Для резервной защиты линии необходима отстройка от тока нагрузки только трансформатора ответвления, а в случае ДЗ автотрансформатора отстройка должна производиться только от нагрузки стороны НН автотрансформатора. По этой причине защита может обеспечить значительно лучшую отстроенность от нагрузочных режимов.

УДК 621.3.016.

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ АППАРАТОВ

ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА НА КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева Начиная с 2000 г. ОАО «Газпром» вопросы энергоэффективности и энергосбережения являются приоритетным направлением деятельности и представляют собой комплекс программных мер, направленных на рациональное использование и экономию расхода топливно-энергетических ресурсов [1].

Прогнозирование и планирование электропотребления на компрессорной станции – неотъемлемая часть экономии потребления топливно-энергетических ресурсов. Потребителями электроэнергии на компрессорной станции (КС) с газотурбинными газоперекачивающими агрегатами являются электродвигатели с короткозамкнутым ротором: маслонасосов, пожарных насосов, компрессоров, вентиляторов общеобменной вентиляции, вентиляторов воздушного охлаждения газа и запорно-регулирующей аппаратуры.

Объект исследования – проектируемые компрессорные станции на участке «Петровск-Писаревка» Магистральный газопровод «Уренгой-Новопсков». Выполнены расчеты основных показателей компрессорных станций: «Петровск», «Екатериновка», «Балашов», «Бубновка», «Калач». На основании полученных данных построены картограммы нагрузок на одной из компрессорных станций – КС «Петровск». Построенный график оценки потребления электроэнергии АВО газа и компрессорной станции позволяет сделать вывод, что охлаждение газа является наиболее энергоемким процессом (от 22 и до 48 % расхода электроэнергии на газотурбинной компрессорной станции).