EIRNUZP – Електронний інституційний репозитарій Національного університету «Запорізька політехніка»
Інституційний репозитарій Національного університету «Запорізька політехніка» – це електронний архів, що накопичує, систематизує, зберігає та забезпечує довготривалий відкритий доступ до електронних публікацій та електронних версій документів наукового та навчально-методичного призначення, авторами яких є співробітники, аспіранти, докторанти та студенти Національного університету «Запорізька політехніка».
Communities in DSpace
Select a community to browse its collections.
Recent Submissions
Підходи у моделюванні систем перетворення електроенергії в гібридних транспортних засобах
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Василенко, Ольга Валентинівна; Сніжной, Геннадій Валентинович; Vasylenko, O. V.; Snizhnoi, G. V.
UK: Мета роботи. Вибір адекватного програмного забезпечення та розробка методики моделінгу для економічного мультидоменного моделювання системи розподілу та перетворення електроенергії з урахуванням системи керування для сучасних транспортних засобів, зокрема, для гібридного електромобіля із паливним елементом (HEV).
Методи дослідження. Основним методом дослідження є математичне моделювання; для структурного синтезу моделі системи перетворення електроенергії та порівняльного аналізу програм використано евристичні методи прийняття рішень на базі порівняння метрик варіантів.
Отримані результати. Запропоновано спосіб декомпозиції HEV з точки зору сфери застосування існуючих програм для моделювання його підсистем. Підсистеми з блоків такої структурної схеми придатні для досліджень засобами однодоменних програм моделювання. Показані перспективи програм класу автоматизованого проєктування в електроніці (ECAD) для мультидоменного моделювання HEV, оскільки центральним і основним блоком перетворення є електронний домен. На базі обраних метрик програмного забезпечення обґрунтовано вибір програм для моделювання системи перетворення електроенергії, з можливістю організації модельних інтерфейсів для забезпечення мультидоменного моделювання та забезпеченням коректного експорту-імпорту моделей при переходах між рівнями абстракції. Запропоноване послідовне використання обраних програм автоматизованого інжинірингу (CAE) та ECAD, із переносом інформації про модель та результати симуляції, що здатне забезпечити як оптимальний синтез системи автоматичного керування на базі критерію запасу по фазі із дослідженням зони стійкості по мапі реалізацій, так і глибокий аналіз енергетичних показників силової частини перетворювачів. Для апробації методики обрано паралельну топологію енергетичної системи із блоком суперконденсаторів, перетворювачем підвищувального типу в режимі керування напруги та перспективним чотирьохключовим двонаправленим перетворювачем Buck-Boost в режимі керування струмом. Для підвищення стійкості системи, запропоновано використовувати контролер Type3, який поєднує можливості компенсатора та модулятора.
Наукова новизна. Запропоновано новий підхід до моделювання енергетичної підсистеми HEV, який враховує мультидоменність системи та вимагає її розгляду, по-перше, як системи автоматичного керування на макрорівні у CAE-програмі SmartCtrl, із попереднім розширенням її бібліотеки шляхом синтезу передаточних функцій в ECAD-програмі PSIM, та подальшим поверненням на мікрорівень для аналізу енергетичних характеристик і пара-метричної оптимізації перетворювачів разом із системами керування на рівні електричних схем в PSIM. На основі аналізу можливостей програм моделювання компонентів агрегативної системи HEV запропонований варіант структурної схеми моделі енергетичної підсистеми з урахуванням можливостей адекватного застосування «однодоменних» програм та показані перспективи їхнього використання для мультидоменного моделювання HEV. Визначено специфічний набір метрик програм для обґрунтованого вибору програмного забезпечення при дослідженні подібних систем.
Практична цінність. Представлена методика послідовного моделінгу енергетичної системи в комплексі програм автоматизованого інжинірингу та автоматизованого проєктування SmartCtrl+PSIM фірми Altair із взаємним обміном даних, забезпечує комплексний аналіз та оптимізацію характеристик цієї підсистеми сучасних транспортних засобів.
EN: Purpose. Selection of adequate software and development of a modeling methodology for economical multi-domain simulation of the power distribution and conversion system, taking into account the control system for modern vehicles, in particular, for a hybrid electric vehicle with a fuel cell (HEV).
Methodology. The main method of research is mathematical modeling; heuristic decision-making methods based on the comparison of option metrics are used for the structural synthesis of the model of the power conversion system and comparative analysis of programs.
Findings. A method of decomposition of HEV in terms of the scope of existing programs for modeling its subsystems is proposed. Subsystems made up of blocks of such a structural scheme are suitable for research using single-domain modeling programs. The prospects of electronics computer-aided design (ECAD) programs for multi-domain modeling of HEVs are shown, since the electronic domain is the central and main block of the transformation. On the basis of the selected software metrics, the choice of programs for modeling the power conversion system is substantiated, with the possibility of organizing model interfaces to ensure multi-domain modeling and ensuring correct export-import of models when moving between abstraction levels. The sequential use of selected computer-aided engineering (CAE) and ECAD programs is proposed, with the transfer of information about the model and simulation results.This is capable of providing both optimal synthesis of the Automatic Control System based on the Phase Margin criterion with the study of the stability zone according to the Solution map, and in-depth analysis of the energy performance of the power stage of the converters. To test the method, a parallel topology of the power system with a block of supercapacitors, a boost-type converter in voltage control mode and a promising Four-Switch Bidirectional Buck-Boost converter in current control mode were selected. To increase the stability of the system, it is proposed to use a Type3 controller, which combines the capabilities of a compensator and a modulator.
Originality. A new approach to modeling the HEV energy subsystem is proposed, which takes into account the multi-domain nature of the system and requires its consideration, first, as an Automatic Control System at the macro level in the CAE program SmartCtrl, with a preliminary expansion of its library by synthesizing Transfer Functions in the ECAD program PSIM, and a subsequent return to the micro level for analyzing energy characteristics and parametric optimization of converters together with control systems at the level of electrical circuits in PSIM. Based on the analysis of the capabilities of the programs for modeling the components of the HEV aggregate system, a variant of the structural diagram of the model of the energy subsystem is proposed, taking into account the possibilities of adequate application of "single-domain" programs and the prospects for their use for multi-domain modeling of HEV are shown. A specific set of program metrics is determined for a reasonable choice of software when studying such systems.
Practical value. The presented method of sequential modeling of the energy system in the complex of automated engineering and automated design programs SmartCtrl+PSIM from Altair Group with mutual data exchange provides a comprehensive analysis and optimization of the characteristics of this subsystem of modern vehicles.
Оптимізація енерговикористання під час маршрутизації транспортування зерна елеватора
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Мардзявко, В. А.; Руденко, А. Ю.; Mardziavko, V. A.; Rudenko, A. Y.
UK: Мета роботи. Метою даної роботи є створення математичної моделі та обґрунтування алгоритму для мінімізації енергоспоживання під час транспортування зерна в елеваторному комплексі шляхом оптимізації маршруту транспортування.
Методи дослідження. Був застосований аналітичний метод дослідження для вивчення існуючих підходів до оптимізації маршрутів та алгоритмів мінімізації енергоспоживання. Застосовано математичний метод для формалізації задачі мінімізації енергоспоживання в елеваторному комплексі. Використано алгоритмічний метод для розробки та адаптації алгоритмів, таких як задача комівояжера, до специфіки транспортування зерна.
Отримані результати. Отримані результати показали, що впровадження алгоритму оптимізації маршруту транспортування зерна на основі критерію мінімізації енергоспоживання дозволяє значно знизити загальні енерговитрати елеваторного комплексу. Розроблена математична модель і алгоритм на основі задачі Комівояжера дозволяє описати та пояснити забезпечення ефективного вибору маршруту, що проходить через усі необхідні вузли лише один раз, з мінімальними енергетичними витратами. Система логічних рівнянь, що враховує стан вузлів, перевантаження, швидкість і напрямок руху, забезпечить свою ефективність у зниженні споживання енергії.
Наукова новина. Наукова новизна роботи полягає у розробці алгоритму вибору оптимального маршруту транспортування зерна на основі мінімізації енергоспоживання, що інтегрує математичну модель задачі комівояжера з умовами Міллера-Таккера-Земліна для виключення підциклів. Вперше запропоновано систему логічних рівнянь, яка враховує стан вузлів, напрямок руху, швидкість та відсутність перевантаження. Алгоритм також оптимізує час транспортування, що забезпечує підвищення енергоефективності та продуктивності автоматизованих елеваторних систем.
Практична цінність. Практична цінність дослідження полягає у можливості впровадження розробленого алгоритму в автоматизовані системи управління елеваторними комплексами для підвищення енергоефективності та оптимізації роботи. Запропонована методика дозволяє автоматично вибирати маршрути з мінімальним енергоспоживанням, враховуючи технічні характеристики обладнання та умови експлуатації. Це сприяє зниженню загальних витрат електроенергії, підвищенню продуктивності та надійності системи, забезпечуючи економічну вигоду та стабільну роботу транспортної інфраструктури.
EN: The purpose of the work. The purpose of this work is to create a mathematical model and justify the algorithm for minimizing energy consumption during grain transportation in the elevator complex by optimizing the transportation route.
Research methods. An analytical research method was applied to study existing approaches to route optimization and energy minimization algorithms. A mathematical method is applied to formalize the problem of minimizing energy consumption in the elevator complex. An algorithmic method was used to develop and adapt algorithms, such as the salesman's problem, to the specifics of grain transportation.
Obtained results. The obtained results showed that the implementation of the algorithm for optimizing the grain transportation route based on the criterion of minimizing energy consumption can significantly reduce the total energy consumption of the elevator complex. The developed mathematical model and algorithm based on the Salesman's problem allows to describe and explain the provision of efficient route selection that passes through all necessary nodes only once, with minimal energy costs. A system of logical equations that takes into account the state of nodes, overload, speed and direction of movement will ensure its effectiveness in reducing energy consumption.
Scientific news. The scientific novelty of the work consists in the development of an algorithm for choosing the optimal grain transportation route based on the minimization of energy consumption, which integrates the mathematical model of the co-traveler problem with Miller-Tucker-Zemlin conditions for the exclusion of subcycles. For the first time, a system of logic equations was proposed, which takes into account the condition of the nodes, the direction of movement, the speed and the absence of overloading. The algorithm also optimizes transportation time, which ensures increased energy efficiency and productivity of automated elevator systems.
Practical value. The practical value of the research lies in the possibility of introducing the developed algorithm into the automated control systems of elevator complexes to increase energy efficiency and optimize work. The proposed methodology facilitates the automated selection of routes with minimal energy consumption, whilst accounting for the technical characteristics of the equipment and the prevailing operating conditions. This contributes to the reduction of the total cost of electricity, increasing the productivity and reliability of the system, ensuring economic benefit and stable operation of the transport infrastructure.
Методика пошуку приєднання з дефектом обліку серед декількох приєднань на одній секції шин
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Волошко, А. В.; Бедерак, Я. С.; Козловський, Є. В.; Voloshko, A. V.; Bederak. Y. S.; Kozlovskyi, Y. V.
UK: Мета роботи. Метою даної роботи є розробка методології пошуку дефектного приєднання на одній секції шин середньої або низької напруги серед декількох паралельно ввімкнених приєднань.
Методи дослідження. Як відомо, від секції шин головної понижувальної підстанції вищою напругою 35÷154 кВ, тупикової підстанції середньої напруги 10 (6) кВ або трансформаторної підстанції напругою 10(6)/0,4 кВ можуть живитися одночасно від трьох до двох десятків приєднань. Дефект приладу обліку на одному з цих приєднань може бути виявлений тільки за допомогою балансового методу (коли на вводі на секцію шин встановлений прилад обліку (зазвичай, комерційного обліку) та на кожному з приєднань, що відходять з секції шин, теж встановлений лічильник електроенергії).
Пошук дефектного приладу обліку проводиться шляхом перевірки усіх приладів обліку на кожному приєднанні. Серед них і буде виявлений дефектний прилад.
Але ця процедура зазвичай займає багато часу, потребує оформлення організаційно-технічних заходів при роботах в діючих електроустановках, може призвести до аварійних відключень приєднань внаслідок закорочування кіл напруги або розмикання кіл струму при неправильних або помилкових діях персоналу.
Отримані результати. Визначено чотири основні типи дефектів у схемах обліку. Показано, що небаланс між комерційним і технічним обліком може бути використаний для виявлення дефектів на секції шин. Розроблено критерії для швидкої ідентифікації дефектних приєднань на основі статистичних методів, таких як кореляційний аналіз та однофакторний дисперсійний аналіз.
Наукова новизна. На відміну від існуючого підходу запропонована послідовність та розроблені критерії знаходження приєднання з дефектом обліку саме аналітичним методом. В результаті необхідно буде провести заміну приладу або пристрою обліку тільки на одному приєднанні, котре підключено до секції шин, де є дефект в колах обліку. Аналітичний метод ґрунтується на обробці облікових даних та розрахунку декількох статистичних коефіцієнтів.
Практична цінність. В найкоротший термін знайти дефект приладу обліку аналітичним методом. Методика забезпечує швидке та точне виявлення дефектних приєднань на секції шин, що дозволяє уникати аварійних ситуацій та втрат енергії. Це робить її корисною для промислових підприємств, що працюють із великими енергоспоживаннями.
EN: Purpose. The purpose of this work is to develop a methodology for identifying a defective connection on a single medium- or low-voltage busbar section among several parallel connections.
Methodology. As is known, from three to two dozen connections can be powered simultaneously from the busbar section of the main step-down substation with a higher voltage of 35÷154 kV, a dead-end substation with a medium voltage of 10 (6) kV or a transformer substation with a voltage of 10 (6)/0.4 kV.A metering device defect on one of these connections can only be detected using the balance method (where a metering device, usually for commercial purposes, is installed at the busbar section input, and each outgoing connection from the busbar section is also equipped with an electricity meter). The search for a defective metering device is carried out by inspecting all metering devices for each connection. Among them, the defective device is identified. However, this procedure often takes a significant amount of time, requires the implementation of organizational and technical measures when working in operational electrical installations, and can lead to emergency disconnections of connections due to voltage circuit shorting or current circuit breaking caused by incorrect or erroneous actions of personnel.
Findings. Four main types of defects in accounting schemes are identified. It is shown that the imbalance between commercial and technical accounting can be used to identify defects in the tire section. Criteria for the rapid identification of defective connections based on statistical methods such as correlation analysis and one-factor analysis of variance are developed.
Originality. In contrast to the existing approach, the sequence is proposed and the criteria for finding a connection with a metering defect are developed using the analytical method. As a result, it will be necessary to replace the metering device or device only at one connection connected to the busbar section with a defect in the metering circuits. The analytical method is based on the processing of metering data and the calculation of several statistical coefficients.
Practical value. The proposed methodology enables the rapid identification of a defective metering device using an analytical method. It ensures fast and accurate detection of defective connections on the busbar section, helping to avoid emergency situations and energy losses. This makes the methodology valuable for industrial enterprises with high energy consumption.
Застосування удосконаленної цільової функції для мінімізації активних втрат потужності
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2024) Данильченко, Д. О.; Кузнецов, Д. С.; Danylchenko, D. O.; Kuznetsov, D. S.
UK: Мета роботи. Вдосконалення метода оптимізації активних втрат потужності в мережах із використанням динамічного управління параметрами конденсаторних установок, враховуючи змінність генерації та навантажень.
Методи дослідження. Аналіз електричної системи, змодельованої в MATLAB, із використанням елементів відновлювальних джерел енергетики та конденсаторних установок. Виконується дослідження оптимізації активних втрат потужності за рахунок застосування удосконаленої цільвої функції, яка включає в себе багатофакторність системи та певні обмеження. Проведено порівняння активних втрат та їх змін при наявності в електричній мережі відновлювальних джерел енергетики та конденсаторних установок.
Отримані результати. Отримані результати моделювання демонструють практичну придатність запропонованого метода для зниження активних втрат у системі. Це, у свою чергу, веде до скорочення витрат на експлуатацію та обслуговування мереж, зменшення енергетичних втрат, а також до покращення якості енергопостачання. Зниження активних втрат сприяє підвищенню економічної ефективності енергосистеми.
Моделювання в MATLAB/Simulink надає можливість проводити аналіз для оцінки поведінки системи в різних умовах роботи, таких як пікові навантаження або різкі коливання генерації. Це дозволяє забезпечити гнучкість і адаптивність енергосистеми до реальних умов експлуатації.
Отримані результати також сприяють вирішенню завдань сталого розвитку, оскільки вони забезпечують ефективну інтеграцію ВДЕ без погіршення стабільності та параметрів мережі.
Наукова новизна. Запропоновано комплексне моделювання роботи енергосистеми з урахуванням динамічного управління конденсаторними установками та інтеграції відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), що дозволяє оцінювати ефективність різних компенсаційних заходів та їх вплив на активні втрати. Наукова новизна полягає у створенні моделі, яка враховує змінний характер навантаження, параметри ліній електропередачі та нестабільну генерацію ВДЕ, забезпечуючи комплексний підхід до оптимізації роботи енергосистеми.
Практична цінність. Вдосконалення цільової функції для мінімізації активних втрат потужності, шляхом додавання в функцію генерації конденсаторних установок, зміну генерацію відновлюваних джерел енергії, зміне навантаження ПС (активне та реактивне), це дозволило більш точно оцінити вплив реактивної потужності та інтеграції ВДЕ на активні втрати, підвищити ефективність управління енергосистемою за рахунок врахування реальних умов роботи системи (динаміка навантаження та генерації).
EN: Purpose of the work. The improvement of the method for optimizing active power losses in networks using dynamic control of capacitor bank parameters, taking into account the variability of generation and loads. Research methods. Analysis of an electrical system modeled in MATLAB using elements of renewable energy sources and capacitor banks. The study of optimizing active power losses is carried out by using an improved objective function that includes the multifactorial nature of the system and certain restrictions. A comparison of active losses and their changes in the presence of renewable energy sources and capacitor banks in the electrical network is carried out.
Results obtained. The obtained modeling results demonstrate the practical applicability of the proposed method for reducing active losses in the system. This, in turn, leads to a reduction in costs for network operation and maintenance, a reduction in energy losses, and an improvement in the quality of energy supply. Reducing active losses contributes to increasing the economic efficiency of the power system.
Modeling in MATLAB/Simulink provides the ability to conduct analysis to assess the behavior of the system under various operating conditions, such as peak loads or sharp fluctuations in generation. This allows to ensure the flexibility and adaptability of the power system to real operating conditions.
The results obtained also contribute to solving sustainable development problems, as they ensure effective integration of RES without deteriorating the stability and parameters of the network.
Scientific novelty. A comprehensive modeling of the power system operation is proposed, taking into account the dynamic control of capacitor units and the integration of renewable energy sources (RES), which allows to assess the effectiveness of various compensation measures and their impact on active losses. The scientific novelty lies in creating a model that takes into account the variable nature of the load, transmission line parameters and unstable RES generation, providing a comprehensive approach to optimizing the operation of the power system.
Practical value. Improving the objective function to minimize active power losses by adding capacitor banks to the generation function, changing the generation of renewable energy sources, and changing the load of the PV system (active and reactive), this allowed a more accurate assessment of the impact of reactive power and RES integration on active losses, and increased the efficiency of power system management by taking into account the real operating conditions of the system (load and generation dynamics).
Stewart platform multidimensional tracking control system synthesis
(Національний університет «Запорізька політехніка», 2024) Zozulya, V. A.; Osadchy, S.І.; Зозуля, В. А.; Осадчий, С. І.
EN: Context. Creating guaranteed competitive motion control systems for complex multidimensional moving objects, including unstable ones, that operate under random controlled and uncontrolled disturbing factors, with minimal design costs, is one of the main requirements for achieving success in this class devices market. Additionally, to meet modern demands for the accuracy of motion control processes along a specified or programmed trajectory, it is essential to synthesize an optimal control system based on experimental data obtained under conditions closely approximating the real operating mode of the test object.
Objective. The research presented in this article aims to synthesize an optimal tracking control system for the Stewart platform’s working surface motion, taking into account its multidimensional dynamic model.
Method. The article employs a method of a multidimensional tracking control system structural transformation into an equivalent stabilization system for the motion of a multidimensional control object. It also utilizes an algorithm for synthesizing optimal stabilization systems for dynamic objects, whether stable or not, under stationary random external disturbances. The justified algorithm for synthesizing optimal stochastic stabilization systems is constructed using operations such as addition and multiplication of polynomial and fractional-rational matrices, Wiener factorization, Wiener separation of fractional-rational matrices, and the calculation of dispersion integrals.
Results. As a result of the conducted research, the problem of defining the concept of analytical design for a Stewart platform’s optimal motion control system has been formalized. The results include the derived transformation equations from the tracking control system to the equivalent stabilization system of the Stewart platform’s working surface motion. Furthermore, the structure and parameters of the main controller transfer function matrix for of this control system have been determined.
Conclusions. The justified use of the analytical design concept for the Stewart platform’s working surface optimal motion control system formalizes and significantly simplifies the solution to the problem of synthesizing complex dynamic systems, applying the developed technology presented in [1]. The obtained structure and parameters of the Stewart platform’s working surface motion control system main controller, which is divided into three components W1, W2, and W3, improve the tracking quality of the program signal vector, account for the cross-connections within the Stewart platform, and increase the accuracy of executing the specified trajectory by increasing the degrees of freedom in choosing the controller structure.
UK: Актуальність. Створення гарантовано конкурентоспроможних систем керування рухами складних багатовимірних рухомих об’єктів, у тому числі нестійких, які функціонують в умовах дії випадкових контрольованих та неконтрольованих збурюючих факторів, з мінімальними витратами на проектування є однією з головних вимог досягнення успіху на ринку даного класу пристроїв. Також важливо, для досягнення сучасних вимог до точності процесів керування рухом рухомого об’єкта на заданій або програмованій траєкторії руху необхідно синтезувати оптимальну системи керування на підставі експерементальних даних отриманих в умовах наближених до реального режима функціонування дослідного зразка об’єкту.
Мета роботи. Метою дослідження, результати якого представлені у цій статті, є виконання синтезу оптимальної слідкувальної системи керування рухом робочої поіерхні платформи Стюарта з врахуванням її багатовимірної моделі динаміки.
Метод. У статті використано метод структурного перетворення багатовимірної слідкувальної системи керування до еквівалентної системи стабілізації руху багатовимірних об’єктів керування. Також викорестано алгоритм синтезу оптимальної системи стабілізації динамічних об’єктів, як стійких, так ні, в умовах дії стаціонарних випадкових зовнішніх збурень. Обґрунтований алгоритм синтезу оптимальних стохастичних систем стабілізації, побудований за допомогою операцій додавання, множення поліноміальних та дробово – раціональних матриць, вінеровської факторизації, вінеровської сепарації дробово – раціональних матриць, знаходження дисперсійних інтегралів.
Результати. В результаті проведених досліджень формалізовано задачу визначеня концепції аналітичного конструювання оптимальної системи керування рухом РП платформи Стюарта. Результати включають визначені рівняння перетворення з слідкуючої системи керування до еквівалентної системи стабілізації руху робочої поіерхні платформи Стюарта. Також визначено структуру і параметри матриці передавальних функцій гововного регулятора оптимальної слідкувальної системи керування рухом робочої поіерхні платформи Стюарта.
Висновки. Обгрунтоване використання концепції аналітичного конструювання оптимальної системи керування рухом РП платформи Стюарта формалізує і істотно спрощує розв’язання задачі синтезу складних динамічних систем та застосування для цього розробленої технології, представленої у [8]. Отримані структура та параметри головного регулятора системи керування рухом РП платформи Стюарта, який розподілений на три складові W1, W2 та W3, сприяє поліпшенню рівень якості слідкування за вектором програмних сигналів і дозволяє врахувати перехресні зв’язки всередині платформи Стюарта, підвищує точності виконання заданої траєкторії за рахунок збільшення кількості ступенів свободи при виборі структури регулятора.