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
Hardware implementation of an analog spiking neuron with digital control of input signals weighing
(Національний університет «Запорізька політехніка», 2024) Gnilenko, A. B.; Гниленко, О. Б.
EN: Context. Significant challenges facing hardware developers of artificial intelligence systems force them to look for new non-standard architectural solutions. One of the promising solutions is the transition from von Neumann’s classic architecture to neuromorphic architecture, which at the hardware level tries to imitate the work of the neural network of the human brain. A neuromorphic processor built as hardware implementation of a spiking neural network consists of a large number of elementary electronic circuits that structurally and functionally correspond to neurons. Thus, the design of hardware implementation of a spiking neuron as the basic building element of a neuromorphic processor is of great scientific interest.
Objective. The goal of the work is to design an analog spiking neuron hardware implementation with digital control of input signals by binary synaptic weighting coefficients.
Method. Designing is performed at the logical/schematic and topological levels of the design flow using modern tools of electronic design automation. All proposed schematic and layout solutions are verified and simulated using computer aided design tools to prove their functionality.
Results. The schematic and layout solutions have been developed and investigated for the hardware implementation of the spiking analog neuron with digital control of input signals by binary synaptic weighting coefficients to be the basic building element of a spiking neural network of the neuromorphic processor.
Conclusions. The proposed hybrid design of the spiking neuron hardware implementation benefits by combining the simplicity of analog signal processing methods in the neuron with digital control of the state of the neuron using binary weighting coefficients. The simulation results confirm the functionality of the obtained schematic/layout solutions and demonstrate the possibility of implementing logical functions inherent in the perceptron. The prospects for further research may include the design of hardware implementation for a spiking neural network core based on the developed schematic and layout solutions for the spiking neuron.
UK: Актуальність. Значні виклики, що постають перед розробниками апаратного забезпечення систем штучного інтелекту, змушують шукати для реалізації таких систем нові нестандартні архітектурні рішення. Одним із таких перспективних рішень є перехід від класичної архітектури фон Неймана до нейроморфної архітектури, яка на апаратному рівні намагається імітувати роботу нейронної мережі людського мозку. Нейроморфний процесор, побудований як апаратна реалізація імпульсної нейронної мережі, складається з великої кількості елементарних електронних схем, які структурно та функціонально відповідають нейронам. Тому, проєктування апаратної реалізації імпульсного нейрона як основного будівельного елементу нейроморфного процесора представляє собою значний науковий та практичний інтерес.
Мета роботи. Метою роботи є розробка апаратної реалізації аналогового імпульсного нейрона з цифровим керуванням зважуванням вхідних сигналів двійковими синаптичними ваговими коефіцієнтами.
Метод. Проєктування виконується на схемотехнічному та топологічному рівнях наскрізного маршруту проєктування інтегральних схем з використанням сучасних засобів автоматизації проєктування електронних пристроїв. Для підтвердження функціональності усіх запропонованих схемотехнічних та топологічних рішень проведено їх верифікацію та моделювання засобами автоматизованого проєктування,.
Результати. Розроблено та досліджено схемотехнічні та топологічні рішення для апаратної реалізації аналогового імпульсного нейрона з цифровим керуванням зважуванням вхідних сигналів двійковими синаптичними ваговими коефіцієнтами як основного елемента побудови імпульсної нейронної мережі нейроморфного процесора.
Висновки. Запропонована гібридна конструкція апаратної реалізації імпульсного нейрона має переваги завдяки поєднанню простоти аналогових методів обробки сигналів в нейроні з цифровим керуванням станом нейрона за допомогою двійкових вагових коефіцієнтів. Результати моделювання підтверджують функціональність отриманих схемотехнічних та топологічних рішень і демонструють можливість реалізації логічних функцій, притаманних персептрону. Перспективи подальших досліджень можуть включати розробку апаратної реалізації ядра імпульсної нейронної мережі нейроморфного процесора на основі розроблених схемотехнічних та топологічних рішень для імпульсного нейрона.
Моделювання автономних інверторів напруги джерел живлення однофазних асинхронних приводів
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2023) Бородай, В. А.; Нестерова, О. Ю.; Боровик, Р. О.; Федоров, С. І.; Borodai, V. A.; Nesterova, O. Yu.; Borovyk, R. O.; Fedorov, S. I.
UK: Мета роботи. Розробка оригінальних моделей інверторів напруги адаптованих до управління однофазним асинхронним двигуном із подальшою перспективою побудови автоматичних систем підвищення енергоефективності побутових механізмів, а також розробки навчальних комплексів вивчення роботи перетворювачів частоти для формування навичок з їх ремонту та налагодження.
Методи досліджень. Для проведення досліджень використані положення теорії електричних машин, методи синтезу цифрових систем керування, способи та методи моделювання у САПР електронна лабораторія компанії NATIONAL INSTRUMENTS складової Multisim, методи схемотехнічного проектування.
Отримані результати. Розроблено та побудовано моделі розподільників імпульсів для випадків живлення однофазних асинхронних двигунів з мостовими роздільно-індивідуальними інверторами пускової та робочої обмоток, напівмостових інверторів із двополярним джерелом живленням та трифазного інвертора із керуванням за 180 градусною діаграмою управління. Отримано часові діаграми наочного підтвердження працездатності системи за задекларованими принципами.
Наукова новизна. Запропоновано ряд оригінальних діаграм перемикання ключів силової ланки моделей розподільників імпульсів автономних інверторів напруги із врахуванням фазового зсуву та тривалості пауз перемикання плечей силового блоку задля уникнення аварійних режимів, надано рекомендації щодо рівнів частот генерації, які подаються на вхід комбінаційних схем, показано перспективу використання даної системи у складі однофазного асинхронного електропривода із можливістю енергоефективного керування.
Практична цінність. Запропоновані оригінальні модельні рішення автономних інверторів напруги, які адаптовані до сумісної роботи із однофазним АД, можуть бути корисними для розробників перетворювальної техніки та стати наочним матеріалом для застосування їх у навчальному процесі із підготовки фахівців спеціальності 141 «Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка».
EN: Purpose. Development of original models of voltage inverters adapted to control a single-phase asynchronous motor with the subsequent prospect of creating automatic systems for improving the energy efficiency of household mechanisms, as well as developing educational complexes for studying the operation of frequency converters to form skills for their repair and tuning.
Methodology. The provisions of the theory of electric machines, methods of synthesis of digital control systems, methods and methods of modeling in CAD electronic laboratory of the company NATIONAL INSTRUMENTS of the Multisim component, methods of circuit design were used for conducting research.
Findings. Models of pulse distributors were developed and built for the cases of power supply of single-phase asynchronous motors with bridge inverters of separate and individual starting and working windings, half-bridge inverters with a bipolar power source and a three-phase inverter with control according to a 180-degree control diagram.
Time diagrams of visual confirmation of the system's performance according to the declared principles have been obtained.
Originality. A number of original switch diagrams of the power section of the models of impulse distributors of autonomous voltage inverters are proposed, taking into account the phase shift and the duration of the switching pauses of the switching arms of the power unit to avoid emergency modes, recommendations are given on the levels of generation frequencies that are fed to the input of the combinational circuit, the prospect of using this system as part of a singlephase asynchronous electric drive with the possibility of energy-efficient control is shown.
Practical value. The proposed original model solutions for autonomous voltage inverters, which are adapted to work together with a single-phase IM, can be useful for developers of converter technology and become visual material for their use in the educational process for training specialists in specialty 141 "Electric power engineering, electrical engineering and electromechanics".
Ensemble of simple spiking neural networks as a concept drift detector
(Національний університет «Запорізька політехніка», 2024) Bodyanskiy, Ye. V.; Savenkov, D. V.; Бодянський, Є. В.; Савенков, Д. В.
EN: Context. This paper provides a new approach in concept drift detection using an ensemble of simple spiking neural networks. Such approach utilizes an event-based nature and built-in ability to learn spatio-temporal patterns of spiking neurons, while ensemble provides additional robustness and scalability. This can help solve an active problem of limited time and processing resources in tasks of online machine learning, especially in very strict environments like IoT which also benefit in other ways from the use of spiking computations.
Objective. The aim of the work is the creation of an ensemble of simple spiking neural networks to act as a concept drift detector in the tasks of online data stream mining.
Method. The proposed approach is primary based on the accumulative nature of spiking neural networks, especially Leaky Integrate-and-Fire neurons can be viewed as gated memory units, where membrane time constant is a balance constant between remembering and forgetting information. A training algorithm is implemented that utilizes a shallow two-layer SNN, which takes features and labels of the data as an input layer and the second layer consists of a single neuron. This neuron’s activation implies that an abrupt drift has occurred. In addition to that, such model is used as a base model within the ensemble to improve robustness, accuracy and scalability.
Results. An ensemble of shallow two-layer SNNs was implemented and trained to detect abrupt concept drift in the SEA data stream. The ensemble managed to improve accuracy significantly compared to a base model and achieved competitive results to modern state-of-the-art models.
Conclusions. Results showcased the viability of the proposed solution, which not only provides a cheap and competitive solution for resource-restricted environments, but also open doors for further research of SNN’s ability to learn spatio-temporal patters in the data streams and other fields.
UK: Актуальність. У цій статті запропоновано новий підхід до виявлення дрейфу концепцій з використанням ансамблю простих спайкових нейронних мереж. Такий підхід використовує подієву природу та вбудовану здатність нейронів вивчати просторово-часові патерни, а ансамбль забезпечує додаткову робастність та масштабованість. Це може допомогти вирішити актуальну проблему обмеженості часових та обчислювальних ресурсів у задачах онлайн машинного навчання, особливо в дуже суворих середовищах, таких як IoT, які також мають інші переваги від використання шипінг-обчислень.
Мета роботи. Метою роботи є створення ансамблю простих спайкових нейронних мереж для роботи в якості детектора концептуального дрейфу в задачах інтелектуального аналізу потоків даних в Інтернеті.
Метод. Запропонований підхід в першу чергу базується на накопичувальній природі спайкових нейронних мереж, особливо негерметичних нейронів інтеграції-та-пострілу, які можна розглядати як одиниці пам’яті із затворами, де мембранна постійна часу є константою балансу між запам’ятовуванням та забуванням інформації. Реалізовано алгоритм навчання, який використовує неглибоку двошарову SNN, що використовує ознаки та мітки даних як вхідний шар, а другий шар складається з одного нейрона. Активація цього нейрона означає, що відбувся різкий дрейф. Крім того, така модель використовується як базова модель в ансамблі для покращення робастності, точності та масштабованості.
Результати. Ансамбль неглибоких двошарових SNN було реалізовано та навчено для виявлення різкого дрейфу концепції в потоці даних SEA. Ансамблю вдалося значно підвищити точність порівняно з базовою моделлю та досягти конкурентних результатів із сучасними передовими моделями.
Висновки. Результати показали життєздатність запропонованого рішення, яке не тільки забезпечує дешеве і конкурентоспроможне рішення для середовищ з обмеженими ресурсами, але і відкриває двері для подальших досліджень здатності спайкових нейромереж вивчати просторово-часові патерни в потоках даних та інших областях.
Підвищення якості стабілізації вихідного струму імпульсного перетворювача постійного струму, що працює на плазмову дугу
(Національний університет "Запорізька політехніка", 2023) Верещаго, Є. М.; Костюченко, В. І.; Vereshchago, E. M.; Kostiuchenko, V. I.
UK: Мета роботи. Підвищення показників якості процесів керування імпульсними перетворювачами постійного струму, які працюють на дугове навантаження, на основі побудови процедур синтезу робастних систем.
Методи дослідження. Розглянуто спосіб підвищення якості стабілізації вихідного струму імпульсного перетворювача постійного струму, що базується на поєднанні керування по збурюючому впливу з керуванням по відхиленню вихідного струму від заданого значення (метод локалізації).
Отримані результати. В статті розглянуто розв'язання задач оптимізації системи стабілізації вихідного струму імпульсного перетворювача постійного струму, що живить плазмову дугу при, в тому числі, стохастичних зовнішніх впливах зі зв'язком з проблемами негрубості та суворої реалізованості оптимальних регуляторів і вирішення задач оптимізації за якістю інваріантності. Розглядаються методи побудови оптимальних регуляторів та встановлюється можливість розв'язання задачі оптимізації за якістю інваріантності. Наводяться приклади вирішення детермінованих та стохастичних завдань оптимізації з урахуванням властивостей грубості, структурної та суворої реалізованості стабілізуючого регулятора.
Забезпечено кращу точність стабілізації струму дуги в статиці та динаміці, що підтверджується імітаційним моделюванням. Якість стабілізації струму дуги досягається під час використання систем керування за якістю інваріантності та розв'язання задач оптимізації в класі «хороших» регуляторів, побудованих на основі методу локалізації. Регулятори, розраховані на основі співвідношень методу локалізації, забезпечують необхідну якість процесів і мають властивість грубості (робастності) по відношенню до відхилення параметрів об'єкта від номіналів у широкому діапазоні. Якщо об'єкт містить нестаціонарні параметри або його властивості не повністю відомі, краще використовувати для розрахунку регулятора метод локалізації.
Наукова новизна. Отримали подальший розвиток процедури синтезу оптимальних регуляторів та методи вирішення задач оптимізації за властивістю інваріантності.
Практична цінність. На основі методу комбінованого керування та концепцій локалізації синтезовано оптимальні закони керування вільним та вимушеними рухами одновимірної системи. Остання при цьому має властивість грубості. Ефективність синтезованих алгоритмів ілюструється результатами математичного моделювання.
EN: Purpose. Improving the quality indicators of control processes for pulsed DC converters operating on an arc load, based on the construction of procedures for the synthesis of robust systems.
Methodology. A method of improving the quality of stabilization of the output current of a pulsed direct current converter based on a combination of disturbance control with control of the output current deviation from a given value (localization method) is considered.
Findings. The article deals with the solution of the optimization problems of the output current stabilization system of the pulsed direct current converter feeding the plasma arc under, among other things , stochastic external influences in connection with the problems of non-roughness and strict implementation of optimal regulators and the solution of optimization problems according to the quality of invariance. Methods for constructing optimal controllers are
considered and the possibility of solving the optimization problem by the invariance property is established. Examples of solving deterministic and stochastic optimization tasks are given, taking into account the properties of roughness, structural and strict implementation of the stabilizing regulator.
Better accuracy of arc current stabilization in statics and dynamics is provided, which is confirmed by simulation modeling. The quality of arc current stabilization is achieved when using control systems based on the quality of invariance and solving optimization problems in the class of "good" regulators built on the basis of the localization method. Regulators calculated on the basis of the correlations of the localization method provide the required quality of the processes and have the property of roughness (robustness) in relation to the deviation of the object parameters from
the nominal values in a wide range. If the object contains non-stationary parameters or its properties are not fully known, in this case it is better to use the localization method to calculate the controller.
Originality. We received further development of the procedure for the synthesis of optimal regulators and methods of solving optimization problems by the property of invariance.
Practical value. On the basis of the method of combined control and the concepts of localization, the optimal laws of control of free and forced movements of a one-dimensional system are synthesized. The latter, however, has the property of rudeness. The efficiency of the synthesized algorithms is illustrated by the results of mathematical modeling.
Solution of a multicriteria assignment problem using a categorical efficiency criterion
(Національний університет «Запорізька політехніка», 2024) Novozhylova, M. V.; Karpenko, M. Yu.; Новожилова, М. В.; Карпенко, М. Ю.
EN: Context. The paper considers a problem of assigning a set of employees to a finite set of operations in a multicriteria statement, under condition of a hierarchical structure of a partial efficiency criterion of performing a set of operations, being presented in such a way that each employee possesses a finite set of competencies and each operation has a finite set of characteristics. Numerical and categorical data types are provided for the use as exogenous parameters of the problem. The relevance of the assignment problem being considered is determined by an extremely wide range of practical applications, both in the classical statements and new modifications, the high demand for which is constantly generated by the dynamically developing economic environment. At the same time, a critically smaller number of scientific publications propose means of modeling and solving multi-criteria assignment problems, despite the importance of this type of problems in decision-making, both in theoretical and practical aspects. In general, in conditions of lack of information, the exogenous parameters of the problem cannot be specified in numerical form, therefore there is a need to use categorical data with further numerical coding.
Objective. The goal of the work is to build a multicriteria mathematical model and, on this basis, carry out a numerical study of the optimization assignment problem, taking into account a hierarchical structure of a partial efficiency criterion of the selection of «operation – employee» pairs.
Method. The study proposes a novel method of solving the assignment problem that implemented as a multi-stage process, which includes the stage of transformation of exogenous parameters of the model, given by categorical variables, based on the implementation of the Pareto principle and logistic mapping, the stage of constructing linear scalarization of the efficiency and the cost criteria.
UK: Актуальність. В роботі розглядається задача про призначення множини виконавців на скінчений набір операцій в багатокритеріальній постановці за умови ієрархічної структури частинного критерію ефективності виконання набору операцій, поданого таким чином, що кожний виконавець володіє скінченим набором компетентностей і кожна операція має скінчений набір характеристик. В якості екзогенних параметрів задачі передбачено застосування числових та категоріальних типів даних. Актуальність задачі про призначення, що розглядається, обумовлюється надзвичайно широким спектром практичних застосувань як в класичній постановці, так і нових модифікаціях, запит на які постійно генерується економічним середовищем, що динамічно розвивається. При цьому критично менша кількість наукових публікацій присвячена засобам моделювання та розв’язання саме багатокритеріальних задач про призначення, незважаючи на важливість задач такого типу в прийнятті рішень, як в теоретичному, так і в практичному аспектах. В загальному випадку в умовах нестачі інформації екзогенні параметри задачі не можуть бути задані в числовій формі, тому виникає потреба застосування категоріальних даних з подальшим числовим кодуванням.
Метою роботи є побудова математичної моделі та проведення на цій основі чисельного дослідження оптимізаційної задачі про призначення з урахуванням можливості ієрархічної структури частинного критерію ефективності вибору пар «операція – виконавець».
Метод розв’язання задачі – це багатоетапний процес, що включає етап трансформації екзогенних параметрів моделі, заданих категоріальними змінними, на основі втілення принципу Парето та логістичного відображення, етап побудови лінійної згортки частинних критеріїв ефективності та вартості виконання робіт.
Результати роботи. Проведено системологічний аналіз існуючих підходів та запропоновано методику числового кодування категоріальних даних. Обґрунтовано засіб зведення багатокритеріальної за постановкою задачі до набору однокритеріальних оптимізаційних задач на основі лінійної згортки та функціонально-вартісного аналізу, побудовано множину Парето основної задачі дослідження.
Висновки. Проведене моделювання та розв’язання задачі про призначення на основі створення програмного симулятора із застосуванням солверу Google OR-Tools підтвердило можливість узагальнення запропонованих інструментальних засобів на інші класи задач про призначення.