Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления

Функционирование судового электрооборудования тесно связано с качеством электрической энергии. Изменение частоты переменного тока в судовой электроэнергетической системе приводит к изменению режимов работы ряда электротехнических систем, в частности, к уменьшению производительности насосов и вентиляторов, к нарушению устойчивости работы генераторов и турбин электрической станции и к снижению перегрузочной способности асинхронных электродвигателей. Большое влияние изменение частоты вносит в регулирование моментов подачи на полупроводниковые вентили импульсов управления, формируемые фазосмещающими устройствами в составе системы управления выпрямителя. В результате этого происходит ухудшение показателей качества процесса регулирования и изменение статических и динамических характеристик, а также появляется возможность возникновения опасных ситуаций для технологического оборудования. Для стабилизации выходных параметров полупроводникового преобразователя разработано цифровое фазосмещающее устройство с блоком памяти, позволяющее корректировать моменты коммутации полупроводникового вентиля в зависимости от частоты переменного тока. Целью данной работы является анализ функционирования фазосмещающих устройств различных типов на основе статических и динамических характеристик относительного отклонения среднего выпрямленного напряжения в зависимости от частоты напряжения и угла управления. Для исследования предлагаемого устройства выполнен ряд опытов на основе имитационной модели в среде MatLab. Представлена обработка результатов, полученных в ходе исследования имитационной модели, предложенного цифрового фазосмещающего устройства в составе трехфазного выпрямителя с несимметричным управлением совместно с устройством-прототипом. Результаты анализа показали возможность применения разработанного устройства с устойчивостью к нестабильности изменения частоты питающей сети в составе трехфазного выпрямителя с целью уменьшения отклонения выпрямленного напряжения и плавного изменения угла управления для питания потребителей постоянного тока в судовых системах электроснабжения. Технический эффект разработанного устройства заключается в повышении разрешающей способности по времени в отличие от устройства-прототипа.

Программируемые логические интегральные схемы широко применяются в цифровой аппаратуре, в том числе в аппаратуре критического применения, например, в медицине, авионике, в системах управления космическими аппаратами, атомными электростанциями, в военной и специальной аппаратуре. В настоящее время количество логических элементов в наиболее передовых образцах ПЛИС приближается к десяткам миллионов. Поэтому диагностика логики ПЛИС ответственного применения является весьма актуальной задачей. Эта задача усложняется тем, что количество переменных возрастает, и сейчас уже имеются отдельные элементы, реализующие функции шести, семи и даже восьми переменных. Следует ожидать дальнейшего увеличения размерности задачи, решаемой в одном логическом элементе. Существующие методы диагностирования логики ПЛИС базируются на граничном сканировании с помощью внешней аппаратуры по стандарту IEEE 1149.1, активно внедряются встроенные средства тестирования по стандарту IEEE P1500. Как правило, используется сравнение результатов вычислений в нескольких логических элементах, и, если результаты вычислений в одном из них отличаются от результатов, например, группы их трех элементов, то делается вывод о наличии неисправности в этом отдельном элементе. Все это занимает относительно много времени. Для некоторых областей применения такой подход неприемлем. В то же время методы и средства самоконтроля, а также ускоренного тестирования проработаны не в полной мере. Это же касается особенностей диагностирования новых логических элементов так называемой «зелёной логики». Хорошо зарекомендовавшие себя генетические алгоритмы требуют доработки с учетом этих новых факторов для совершенствования встроенного тестирования ПЛИС. В статье анализируются методы и средства диагностирования логики, программируемых логических интегральных схем для высоконадёжного применения. Показывается, что контролепригодность логических элементов можно обеспечить на базе предложенных новых схемных решений и модернизированных генетических алгоритмов. Ставится задача совершенствования научно-методического аппарата диагностирования логики ПЛИС, использующей новые логические элементы, на основе генетических алгоритмов.

В статье на примере синхронного генератора рассматривается описание динамической математической модели электрической машины. Указанное математическое описание представлено в естественной трехфазной системе координат a , b , c . Показаны преимущества и недостатки такого описания. На примере синхронного генератора получена общая форма записи для произвольного элемента электрической системы. Данная форма записи получена в векторно-матричном виде. В такой общей форме записи целесообразно представить все основные элементы электрической системы (электрогенераторы, электродвигатели, элементы электрической нагрузки, линии электропередачи и др.) для того, чтобы можно было их совместно моделировать в рамках единой электрической системы. Показано, что при таком математическом описании индуктивности электрической машины зависят от положения ротора. Рассмотрены два варианта учета указанной зависимости: с помощью аналитических выражений и с помощью матричных преобразований. Современная компьютерная техника не встречает каких-либо сложностей при математическом моделировании электрических машин непосредственно в естественной трехфазной системе координат. Широкое использование преобразованной двухфазной системы координат во многом может быть объяснено традицией. Описание электрических машин в осях a , b , c выглядит особенно целесообразным при исследовании несимметричных режимов работы в электрических системах и несимметричной конструкции электрической машины. Математические модели, рассмотренные в статье, могут использоваться для изучения динамических процессов в электрических системах, в том числе несимметричных динамических процессов. На базе полученного в статье математического описания планируется создать оригинальный программный комплекс для моделирования разнообразных динамических режимов трехфазных электрических систем.

В современных крупных энергосистемах блочные тепловые электрические станции привлекаются к регулированию частоты и мощности в нормальных и аварийных режимах. Выполнение задач управления мощностью энергоблоков в режиме регулирования параметров энергосистемы требует создания специальных систем регулирования частоты и мощности. Так как частота и мощность энергоблока взаимосвязаны, то задача поддержания частоты на заданных значениях реализуется системой регулирования мощности энергоблока. В статье проводятся анализ и оценка влияния внешних возмущающих воздействий на систему регулирования мощности прямоточного котла блочной ТЭС. На сегодняшний день система автоматического регулирования мощности рассматривалась без учета реального характера возмущающих воздействий по нагрузке, и при управлении частотой ставится проблема учета стохастических свойств возмущений энергосистемы. В режиме нормальной эксплуатации стохастические свойства эквивалентного возмущения могут быть определены по результатам вычислительного эксперимента с использованием базы данных с трендами АСУТП энергоблока. Для получения эквивалентного возмущения построены модели для канала давления острого пара для котельного агрегата и для канала мощности для турбоагрегата, а также вычислены значения математического ожидания и среднеквадратичного отклонения, автокорреляционные и спектральные функции центрированных реализаций эквивалентных возмущений. Выполнен сравнительный анализ области наиболее интенсивных частот возмущающего воздействия и резонансных частот работы регуляторов КРД и ТРМ. Предложенная методика позволяет получить вероятностную модель эквивалентного возмущения котельного агрегата и турбоагрегата в режиме нормальной эксплуатации. Модели эквивалентного возмущения могут использоваться при оценке технологической эффективности предлагаемых решений по улучшению работы системы управления мощностью энергоблока.

Задачи оценивания состояния режимов работы теплоэнергетических систем и идентификации параметров математических моделей теплоэнергетического оборудования практически не нашли приемлемого решения из-за сложности объектов исследования и их математических моделей, а также в связи с отсутствием эффективных методов, алгоритмов и компьютерных программ решения необходимых математических задач. Результаты решения вышеперечисленных задач имеют важное самостоятельное значение и играют существенную роль для качественного решения проблем управления теплоэнергетическими установками, например, для оптимального распределения нагрузок между агрегатами тепловых электрических станций и оптимального управления режимами работы теплоэнергетического оборудования. Современные теплоэнергетические установки, такие как котельные агрегаты и паровые турбины, представляют собой технические системы, обладающие весьма сложными технологическими схемами, разнообразными элементным составом и режимами функционирования. Ввиду этого основными инструментами исследования теплоэнергетического оборудования являются методы математического моделирования и схемно-параметрической оптимизации. В данной работе приводится описание усовершенствованной методики идентификации (настройки) параметров математических моделей существующего теплоэнергетического оборудования. Данная методика позволяет более эффективно выявлять грубые погрешности измерений контрольных параметров, используемых для идентификации математической модели исследуемого оборудования, оценивать корректность и исправлять ошибки построения самой математической модели и повысить точность идентификации. Кроме прочего в статье обсуждается вопрос оценки точности идентификации параметров математических моделей теплоэнергетического оборудования, зависящей от точности измерений контрольных параметров, используемых для настройки модели, а также от корректности построения самой математической модели и используемой расчетной методики.

Приводится обзор реализаций нейронных сетей на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) типа FPGA (Field Programmable Gate Array) и на интегральных схемах специального назначения (Application-Specific Integrated Circuit, ASIC) с 2009 по 2019 г. Приводятся преимущества и ограничения данного подхода при использовании на различных аппаратных платформах. Обозначаются причины целесообразности применения FPGA и ASIC на их основе на той или иной платформе. В частности, FPGA наилучшим образом показывают себя в маломощных мобильных системах, в то время как ASIC, будучи специализированным решением, демонстрируют наибольшую возможную производительность при, однако, слишком высокой цене разработки. Помимо этого проводится сравнение производительности нейронных сетей различных архитектур (перцептроны, свёрточные, бинаризованные, рекуррентные, а также их модификации) на базе FPGA относительно других аппаратных решений по критериям скорости обработки и энергопотребления в соотношении с ценой и простотой развёртывания. Исследуется и по итогам подтверждается высокий интерес к FPGA благодаря высокой энергоэффективности и производительности при решении ряда задач. Показано, что для реализации свёрточных нейронных сетей наилучшим образом подходят графические процессоры, тогда как для рекуррентных - FPGA. Отмечается, что при бинаризации нейронных сетей производительность вентильных матриц значительно повышается, приближаясь к производительности специализированных микросхем. Перспективным направлением последующих исследований является дальнейшее повышение производительности бинаризованных нейронных сетей, реализованных на базе FPGA, путём усовершенствования как математического аппарата, лежащего в основе сети, так и внутренней архитектуры вентильной матрицы и её логических элементов.