Морфологический метод синтеза установок электропитания для телекоммуникаций

2. Головин, О. В. Профессиональные радиоприемные устройства декаметрового диапазона / О. В. Головин. — М.: Радио и связь, 1985. - 288 с.

3. Бобков, А. М. Реальная избирательность радиоприемных трактов в сложной помеховой обстановке / Л М. Бобков. — СПб.: Абрис, 2001. - 216 с.

4. Абранин, Э. П. Высоколинейные широкополосные усилители с обратной связью / Э. П. Абранин, Ю. М. Брук // Радиотехника. - 1987. - №4. - С. 31-32.

5. Челышев, В. Д. Приёмные радиоцентры: Основы теории ирасчётавысокочастотныхтрактов/В.Д.Челышев. — М.:Связь, 1975. - 264 с.

7. Барановский, Б. К. Аппаратура многократного использования приемных антенн коротковолнового диапазона / Б. К. Барановский. — М.: Связь, 1966. — 76 с.

8. Коровин, А. Н. Исследование возможности уменьшения интермодуляционных искажений в усилителях мощности с раздельным усилением за счет изменение формы спектральной плотности входного сигнала / А. Н. Коровин, Л. В. Ромашова // Радиотехника. - 2007. - №6. - С. 42-43.

9. Малевич, И. Ю. Расчет высокочастотного усилителя с прямой связью/ И. Ю. Малевич// Радиотехника. — 1995. — №11.— С. 44 - 47.

10. Головин, О. В. Условия полной компенсации нелинейно-стей второго и третьего порядков в усилителе с подачей сигнала вперед / О. В. Головин, И. А. Хардон // Электросвязь. - 1994. -№11. - С. 26-27.

11. Pat. 3891934 USA. Transistor amplifier with impedance matching transformer / Norton D.E. - 22.05.1974, United States Patents. — 6 pp.

КОСТОЧКИН Михаил Леонидович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 09.03.2011 г. © М. Л. Косточкин, В. А. Аржанов

УДКМ1.311.68 л г РОГУЛИНА

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД СИНТЕЗА УСТАНОВОК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

В работе рассматривается метод морфологического синтеза для многопараметрической оптимизации установки электропитания. Метод представляет собой совокупность трёх составляющих — структурной, параметрической и топологической. Многосторонний, системный подход к анализу установки в установившихся и нестационарных режимах позволяет провести априорную оценку энергетических показателей и внутрисистемных помех.

Ключевые слова: морфологический синтез, установка электропитания, многопараметрическая оптимизация, имитационное моделирование.

Постановка задачи

Анализ современной научно-технической литературы показывает, что в настоящее время для сложных систем, к которым относятся установки электропитания (УЭП), решёнными остаются только задачи структурно-параметрического [1] или структурно-топологического синтеза в установившихся режимах [2]. Используемые методы синтеза базируются на эмпирических и интуитивных оценках уровней помех, полученных из опыта эксплуатации. Повышенная чувствительность современной аппаратуры к внутрисистемным помехам требует их учёта уже на стадии проектирования. Для решения задачи синтеза УЭП с учётом помех использовался морфологический метод, преимуществом которого является возможность алгоритмизации и компьютерной реализации всех этапов проектирования [3]. На основе проведенного анализа существующих современных УЭП по функциональным, структурным и парамет-

рическим признакам можно выделить пять основных иерархических уровней:

I уровень: источники энергии (И), включающие системы генерирования энергии (СГЭ), системы резервирования энергии (РЭ);

II уровень: преобразователи энергии (ПЭ), в состав которых входят выпрямительные устройства (ВУ), инверторы (И) и конверторы (К);

III уровень: системы коммутации (СК), системы передачи и распределения энергии (СП и РЭ);

Шуровень: система — безопасностьисреда(БиС), в состав которой входят система защиты (СЗ), система Вентиляции и кондиционирования воздуха (СВ и КВ);

Vуровень:потребители энергии (П), включающие потребителей постоянного тока (ПОТ) и потребителей переменного тока (ПЕТ).

Общая задача синтеза УЭП состоит в расчёте и выборе оптимального варианта с учётом комплекса требований и ограничений.

В^ вук ик+1 ит

ВУ,; <£ и .

ПЭ К,СПиРЭ БиС

а)

б)

с га

в)

сз„ СВ и кв^

ПЕТГ

Рис. 1. Графы вариантов системы преобразования энергии

Внешние Внутренние Выходные

С={с1...с4,с6...с17,с18,с19...с21,с22.. .с24}-> х1.. .xN ->V={v1...v9,v10,v11,v12...v15,vie,v17,v18...v22}

номинальные электрические

нагрузки

экономические

энергетические климатические показатели качества факторы

показатели надёжности

конструктивные

X : — { Х-,'   Xr-, Х,Ч1   -X^. •   Xk, ХЛ+1    X,„, Хш+1 • • -X,,}

—I----1--— I

эксплуатационные конструктивные (экономические ]

энергетические показатели качества

Рис. 2. Параметры УЭП

Для выбора элементов в пределах одного иерархического уровня составлены графы с вырожденными ИЛИ (V) — вершинами для всех пяти уровней. Так, например на 2-м уровне, преобразователи энергии, представлено к рассмотрению к, т и р — вариантов типового промышленного оборудования выпрямительных устройств, инверторов и конверторов напряжения, соответственно (рис. 1а), где количество сочетаний выпрямительных устройств и инверторов напряжения варьирует от 1 до п, а количество вариантов преобразователей энергии от 1 до э. Элементы различных уровней имеют логическую И (&) — связь вдоль ствола дерева, как показано на рис. 16. Для учёта различных конфигураций электрической сети, которым соответствуют определённые конфигурации УЭП, определены все возможные маршруты графа, один из которых приведён на рис. 1в.

Для количественной оценки свойств элементов всех уровней введены векторы параметров: внешние, внутренние и выходные (рис. 2). Внешние параметры характеризуют внешнюю среду, оказывающую влияние на функционирование УЭП, к которой относятся электрическая сеть {с,...с4}, потребители энергии {с18}, параметры окружающей среды {с19...с21}, экономические показатели — тарифы на энергопотребление {с22...с24}. Для оценки устойчивости к внутрисистемным помехам в вектор С включены показатели качества элек-

трической энергии {с5.. .с |7}. Выходные параметры являются предметом оптимизации УЭП. Внутренние параметры характеризуют элементы всех уровней, где N — суммарное число элементов, входящих в состав всех уровней, а п — порядок вектора. Определение конкретных значений управляемых переменных производится в зависимости от критериев оптимизации, к которым относятся энергетические и экономические показатели, показатели качества и надёжности. Граничные значения переменных определяются требованиями нормативных документов — ГОСТ13Ю9 —97; ГОСТ Р51717.6.5 - 2006; РД45.063 - 99и ОСТ45.183 - 2001.

Для решения задачи синтеза УЭП используется метод динамического программирования [4]. Синтез проходит четыре взаимосвязанных этапа.

I этап — параметрическая оптимизация количества вершин графов на всех пяти иерархических уровнях (J = 1...5) в соответствие с алгоритмом:

1) минимизация целевой функции по всем векторам X,, 1 = 1...JV (рис. 2) для всех вершин графа данного уровня, т.е. поиск

= шах X ,

( ' * I ) s / s 1

2) Д2 = max[A, + щах X J

(i+t)</Sm

3) X, =тах[Д2 + тахАГ/.

(m+l)S/S/i

о "о

0.25

О О

0.25

тах ХГ1 (т+1)</5л

та* Yy-J+ тах!?„п I</<9 / 12</il5

а)

б)

Рис. 3. Результаты синтеза: а) первого этапа; б) второго этапа

СП и РЭ

Рис. 4. Результаты третьего этапа синтеза

"ш тН!

ляющие целевой функции для /-го варианта 1-го элемента J-го уровня.

III этап — структурно-топологическая оптимизация с учётом всех возможных маршрутов (рис. 1 в). Объектом синтеза являются электрические сети. Задача синтеза электрической сети сводится к выбору количества и мест пространственного размещения распределительных устройств первичных и вторичных сетей и прикреплении их к потребителям. На размещение узловых точек в монтажном пространстве накладываются ограничения соответствующие условиям нормативных документов (ВСН332 — 93). Проводится поиск локальных экстремумов при заданных граничных условиях для элементов третьего уровня, а функция цели представляется в виде:

5

М 1

II этап — структурно-параметрическая оптимизация переменных графа рис. 16, где исключены элементы подуровня Системы передачи и распределения энергии. Поиск локальных экстремумов целевой функции при заданных граничных условиях производится соответственно по энергетическим, экономическим и показателям надёжности (рис. 2). Процесс оптимизации разбивается на три взаимоувязанных действия:

Р/(Х,) = тах

тах V[ + тахР}

тах

\ 1</<9 12</<13

I -

18<J<22

m

Целевая функция представляется в виде:

/=1 у=1 у=1

(И ы у=1 1=1 У=1

где пк — число элементов /У-го уровня; — количество вариантов для /У-го уровня; У,- — состав-

где пш —число элементов 3-го уровня; т,„ —количество вариантов для 3-го уровня; У"' — составляющие целевой функции для) —го варианта ('-го элемента 3-го уровня.

IV этап — расчёт переходных процессов с помощью разработанных имитационных моделей УЭП в среде МаИ,аЬ/8цпи1тк для различных режимов работы и воздействиях со стороны системы генерирования энергии и нагрузки [5]. Выполняется параметрическая оптимизация переменных графа рис. 1 б по расчётам переходных процессов и, затем, поиск глобального экстремума целевой функции (5), включая элементы пяти уровней с учётом весовых коэффициентов, граничных условий ифизической реализуемости вариантов.

Для подтверждения эффективности морфологического метода синтеза установки электропитания был выполнен расчёт УЭП для радиорелейных линий связи при следующих исходных параметрах: мощность потребления нагрузками основной группы цепи постоянного тока 26 кВт с напряжением 48В; технологические нагрузки с напряжением 24 В и мощностью потребления 6 кВт; хозяйственные нагрузки 10 кВА; ток потребления для аварийного освещения 10 А; полная мощность потребления 12кВАот однофазной сети 220 В; мощность потребления осветительными и электронагревательными приборами, соответственно, 2 кВт и 6 кВт; время аварийной

ИБП—4 СПН 3-48-24/360-12

Рис. 6. Оптимальная структура УЭП

работы от АБ — 3 часа, температура окружающей среды 18°С.

На первом этапе выполняется многокритериальная минимизация числа вершин графов всех уровней методом достижения цели Марка Гембики [6], который используется в пакете Optimization Toolbox в среде MatLab. В качестве примера приведены результаты оценки различных вариантов для Системы генерирования энергии в виде столбцов рис. За, где количество вариантов — число столбцов.

На втором этапе выполнена структурно-парамет-рическая оптимизация переменных графа рис. 1 б. Результаты оценки различных вариантов УЭП представлены в виде столбцов рис. 36, где основные параметры отобранных элементов приведены в табл. 1. В состав наилучших вариантов УЭП вошли следующие элементы: дизельные (ДЭ), газовые (ГЭ) электростанции; аккумуляторные батареи (АБ), а также выпрямительные устройства (ВУ), конверторы (К) и инверторы (И) напряжения.

На третьем этапе выполнена структурно — топологическая оптимизация с учётом маршрутов рис. 1 в. Результаты минимальной оценки вариантов представлены в виде столбцов рис. 4. Численный эксперимент показал, что при минимизации длин кабелей и шин электрической сети, потери в электрической сети не превышают 2%. По результатам выполнения третьего этапа оптимизации отобраны элементы системы коммутации, системы передачи и распределения энергии, основные характеристики которых приведены в табл. 2.

На четвёртом этапе синтеза анализу подлежат все устройства отобранных вариантов синтезируемой установки. По результатам расчёта переходных процессов в среде Ма11лЬ/8шш11пк (рис. 5а) проведена параметрическая оптимизация по двум критериям: максимальное отклонение выходного напряжения от установившегося значения А С/и длительность переходного процесса (рис. 5 б).

По результатам синтеза получена оптимальная структура УЭП, в состав которой входят: ГЭ типа РС40Р1 мощностью 80кВА, ГАБтипа ОргБ ёмкостью ЗОООА-ч; ВУ типа ИБП — 4 (две стойки: одна с 12 модулями и вторая с 9 модулями), К — из двух модулей типа СПН 3 — 48 —24/360—12, И — одна основная стойка и одна резервная типа 051 —48— 1200 (рис. 6). В результате оптимизации минимальная мощность потребления составляет 79,4419 кВА; интенсивность отказов АуЭП = 7,4683-10"6; объём топлива с учётом продолжительности работы от собственной электростанции Тт = 3 ч составляют Умсэ = 57,6 м3; установившееся отклонение напряжения в цепи переменного тока <51/, не превышает 9 %; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения не более 10,4 %; коэффициент временного перенапряжения не более 1,4 (рис. 56); глубина провала напряжения в цепи постоянного тока не более 11 %. Таким образом, все показатели удовлетворяют заданным требованиям и задача оптимизации успешно решена.

Выводы

Численный эксперимент, проведённый в соответствие с вышеизложенным алгоритмом синтеза УЭП,

Таблица 1

Наилучшие варианты системы генерирования энергии: дизельные (ДЭ), газовые (ГЭ) электростанции; системы резервирования энергии (РЭ) и системы преобразователи энергии (ПЭ): выпрямительные устройства (ВУ), _конверторы (К) и инверторы (И) напряжения

Модель Мощность, кВА Л К Примечание

О < P18SP1 18 - 2,3410- расход топлива 4,6л/час

P62EP1S 61,5 - 2,32-10"6 расход топлива 14, л/час

P80SP1 80 - 2,3-10- расход топлива 18,5л/час

о FG75E1 75 - 2,14-Ю"6 расход газа 0,35 м3/мин

FG40P1 40 - 2,1-10" расход газа 0,16м3/мин

о Сч OpzS12(X) - 1,58-10'7 количество циклов 200...12000

OPzV800 - 1,82-10"7 количество циклов 200...3000

>• ю PRSI 2,1 0,91 3,1-Ю-8 -

PRS II 2,1 0,91 2,9-10-" -

PRSIII 2,1 0,91 2.7-10-" -

ИБП- 4 2,9 0,91 2,3-10-" -

X 3-48-24/360-12 8,64 0,8 2,6-10-" -

4-48-24/240-8 5,76 0,8 2,5-10- -

S DSI —48 — 1200 1,2 0,98 5,2-Ю7 -

ИАТ 1000 -2 1 0,95 6,1-10" -

Таблица 2

Наилучшие варианты системы коммутации

Модель Ном. ток, А Ном. напряжение, В Примечание

щпт 250 220

«OLDAM» 400 220 Мониторинг

и 630 220

АВР серии ХА «Автоматсервис С» 10...950 380/220 Время перекл. 0,01...Юс

АВР серии TUR «Автоматсервис С» 10...1100 380/220 Время перекл 0,01...12 с

ШМА73 1600 - Сопротивление на фазу 0,031 Ом/км

СП и РЭ ШМА68Н 2500 - Сопротивление на фазу 0,027 Ом/км

4000 - Сопротивление на фазу 0,0130м/км

показал, что многопараметрическая оптимизация позволяет минимизировать уровни внутрисистемных помех уже на этапе проектирования. Данный метод позволит существенно снизить временные затраты на проектирование и модернизацию УЭП при её

эксплуатации. Это позволяет сделать вывод о высокой эффективности метода морфологического синтеза при проектировании и разработке установок электропитания телекоммуникационного оборудования. Системный подход к анализу с применением ими-

тационного моделирования установки в нестационарных режимах обеспечит его применимость при проектировании реальных устройств и систем. Предложенные в работе решения соответствуют существующей в настоящее время тенденции развития теории анализа и синтеза сложных устройств и систем, их оптимизации при проектировании и направлены на повышение надёжности телекоммуникационного оборудования.

Библиографический список

1. Сажнев, А. М. Структурно-параметрический синтез систем электропитания/ А. М. Сажнев, Л. Г. Рогулина, С. С. Абрамов. — Научный вестник НГТУ. -2007. - №4(29). - С. 157-168.

2. Рогулина, Л. Г. Структурно-топологический синтез электрических сетей / Л.Г. Рогулина, Д. Н. Левин// Электросвязь. — 2007. - №8. - С. 30-33.

3. Одрин, В. М. Метод морфологического анализа технических систем / В. М. Одрин. - М.: ВНИИПИ, 1989. - С. 312.

4. Щербина, О. А. Методологические аспекты динамического программирования / О. А. Щербина // Динамические системы. - 2007. - Вып. 22. - С. 21 -36.

5. Рогулина, Л. Г. Оценка внутренних помех систем электропитания радиорелейных линий связи / Л. Г. Рогулина // Омский научный вестник. - 2010. — №3(93). - С. 285 - 290.

6. Gembicki, F. W. "Vector Optimization for Control with Performance and Parameter Sensitivity Indices," Ph.D. Thesis, Case Western Reserve Univ., Cleveland, Ohio, 1974.

РОГУЛИНА Лариса Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры беспроводных информационных систем и сетей (БИСС). Адрес для переписки: e-mail: epus206@sibsutis.ru

Статья поступила в редакцию 26.01.2011 г. © Л. Г. Рогулина

УДК 621.372.54:681.327.8 Д Д ТИТОВ

Е. Д. БЫЧКОВ

Омский государственный технический университет

Омский государственный университет путей сообщения

АЛГОРИТМ КЛАССИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ (FUZZY) ЛОГИКИ

Разработан алгоритм классификации параметров объектов с использованием самоорганизации. Алгоритм дает возможность адаптивно изменять количество классов в зависимости от структуры входных данных. Представлены структурные схемы устройств, реализующих разработанный алгоритм.

Ключевые слова: алгоритм, классификация параметров, самоорганизация, корректировка классов.

В настоящее время задача распознавания объектов (радиолокационных целей) имеет высокую актуальность. Так, например, информация о классе и типе объекта позволяет выявить приоритетные цели из множества других. При этом большое значение имеет выбор информативных и устойчивых признаков, а также алгоритмов принятия решения о принадлежности объектов к тому или иному классу (типу) целей [1, 2]. Одним из вариантов построения алгоритмов классификации параметров объектов является использование нечеткой логики для динамической корректировки количества классов в процессе обработки поступающих данных.

Пусть имеется последовательность входных векторов хреХ, каждый из которых представлен N компонентами: хр=(х,р, х2р, ..., хр, ..., хм"). Данную последовательность необходимо разбить на классы, которые заранее не известны и должны формироваться динамически по мере поступления входных данных. Классы данных характеризуются своими ядрами [3, 4], которые также представлены

набором векторов с N компонентами: ст = (с,т, с2т,

..., с,т..... смт). Близость вектора и класса, а также

близость двух классов могут быть оценены на основе функций [5]

и ¿(сш,с*) = ^(с,ш-с1к)2,к*т

соответственно.

Вместо рассмотренных функций возможно использование других, например, представленных в работах [3, 5].

Модель классифицирующего устройства будем задавать в виде нечеткой базы знаний, которая представляет собой совокупность правил ЕСЛИ — ТО, связывающих лингвистические оценки входных и выходных переменных. Действие такой модели описывается функционалом сш = Р{5, М}, где Б — нечеткое множество, элементами которого являются