Информационные технологии, моделирование и управление. Рубрика в журнале - Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий
Математические методы моделирования поиска принципов действия технических систем
Статья научная
Рассмотрим основные задачи обработки запросов к базе данных по физическим эффектам. Техническая задача может быть упрощенно представлена в виде трех компонент: начальное состояние, конечный результат, процесс превращения начального состояния в конечный результат. Возникает задача, если, по крайней мере, одна из компонент неизвестна. Отбрасывая случаи, когда все компоненты известны или все компоненты не известны, получим классификацию технических задач, состоящую из шести типов. При формировании набора запросов к базе данных естественным является требование полноты этого набора, т.е. набор запросов должен покрывать решение технических задач всех шести типов. С целью формулировки полного набора запросов проведем аналогию между описанием технической задачи и описанием физического эффекта. Сопоставим начальному состоянию входное воздействие физического эффекта, конечному результату – выходной результат, процессу превращения начального состояния в конечный результат – физический объект, либо последовательность физических эффектов. Рассмотрены требования к базе данных по физическим эффектам: расширяемость и совершенствование программного обеспечения и структуры данных без существенных переделок ранее написанных программ и хранящихся данных, возможность решения задач в режиме диалога. Разработана структура базы, состоящая из глобальной базы данных и множества локальных баз, которые генерируются для решения отдельных задач. Разработан набор запросов, покрывающих решение основных технических задач на уровне принципов действия. Сформулирована задача поиска принципов действия устройств для преобразования заданного исходного воздействия в заданный выходной результат. Разработана структура локальной базы данных для решения этой задачи и предложен алгоритм поиска. Приведены основные характеристики реализации алгоритма.
Бесплатно
Статья научная
Для описания процессов, происходящих в двигателе внутреннего сгорания и элементах трансмиссии, используются различные математические модели. В работе применяется раздел математической статистики – планирование эксперимента. Для оценки влияния внешних воздействий на температурные показатели масел ДВС и элементов трансмиссии был реализован полный факторный эксперимент, который направлен на определение температуры масла ДВС, коробки передач и главных передач. Моделирование влияния внешних воздействий на температурные показатели масел ДВС и элементов трансмиссии заключалось в следующем: строилась концептуальная модель; проводилась её формализация и исследование моделируемого процесса; определялись необходимые аппроксимации; строилась обобщённая схема процесса; по этой обобщённой схеме создавался алгоритм и разрабатывался программный комплекс; проводились расчёты на ЭВМ; определялись математические и графические зависимости внешних воздействий на температурные показатели масел ДВС и элементов трансмиссии; разрабатывались практические рекомендации по процессу подогрева применительно к эксплуатационным условиям СНО ОП. Объектом исследования является температура окружающего воздуха, время работы системы подогрева и мощность теплового агрегата, влияющие на температуру масел ДВС, коробки передач, главных передач ВАТ. Задача сводится к определению такой мощности теплового агрегата, при которой достигается максимальное значение температуры масла за минимальное время. Спланирован полный факторный эксперимент ПФЭ позволяющий определять взаимодействие двух факторов, которое и проявляется при одновременном варьировании этих факторов при действие каждого из них на выход в зависимости от уровня их нахождения.
Бесплатно
Статья научная
Представлена модель движения частиц в плазме электродугового разряда с учетом парных столкновений в процессе синтеза углеродных наноструктур таких, как фуллерены и нанотрубки. Рассмотрено решение системы безразмерных уравнений Власова-Пуассона по нахождению функций распределения частиц в плазме.
Бесплатно
Математическое моделирование квазистационарного режима запитывания несущего воздушного буфера
Статья научная
На сегодняшний день единственным способом устранения контакта с изделием в процессе изготовления является создание под его опорной поверхностью воздушного буферного слоя, образующегося за счет истечения рабочей среды сквозь отверстия перфорированных газораспределительных решеток форм. В статье предложен способ бесконтактного формования изделий из композиционных материалов с помощью воздушного буфера. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований гидрогазодинамических процессов, протекающих при отливке органоминерального композиционного материала на несущий воздушный буфер, выраженные в виде математического описания, реализующего оригинальные гипотезы, отраженные в выборе алгоритма преобразований и граничных условий. На основе полученной математической модели разработан алгоритм расчета оптимальных параметров транспортирующих систем с дискретно запитываемым газовым буфером. Предложен способ удержания полуфабриката на газовом буфере, позволяющий выравнивать поле давления под опорной поверхностью объекта удержания, за счёт использования в пневматических камерах устройств псевдоожиженного зернистого материала. Применение данного способа позволяет исключить возможность возникновения контакта композиционного материала с рабочими поверхностями оборудования, а также существенно снизить затраты на производство пневматических устройств, улучшить эксплуатационные характеристики такого оборудования. Представленные зависимости позволили разработать методологию и реализацию инженерного расчета устройств для бесконтактной отливки композиционных материалов на воздушный буфер, полупромышленные и промышленные варианты которых были созданы и внедрены в производство.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассмотрено, что наиболее эффективным мероприятием для уменьшения числа дорожно-транспортных происшествий при обгонах на участках с ограниченной видимостью является своевременная информация водителей о режимах движения и об отсутствии встречного автомобиля в пределах опасного участка. Более надёжные результаты дают световые табло, включаемые автоматически при прохождении автомобилем соответствующего датчика. При этом выдаваемая световыми табло информация должна быть получена водителем на таком расстоянии от мест концентрации дорожных происшествий, при котором водитель, получив её, смог бы беспрепятственно совершить тот или иной манёвр. Для определения этого расстояния использован метод расчёта пути обгона. Анализ различных вариантов дорожной ситуации, имеющих место на участках дорог с необеспеченной видимостью, показывает, что наиболее неблагоприятными будут следующие: по одной из полос первым движется тихоходный автомобиль, за ним с временным интервалом 3 с – быстроходный, водитель которого намерен совершить обгон; по встречной полосе по истечении 3 с от момента прохода тихоходным автомобилем датчика движется быстроходный. Разработана схема организации и регулирования движения на участках дорог с необеспеченной видимостью с помощью информационных устройств. Информационные устройства, предупреждающие водителей о режимах движения на участках дорог с ограниченной видимостью, устанавливаются на подходах к опасному участку с обоих направлений при расстоянии видимости не менее 400 м и интенсивности движения, не превышающей 400 авт/ч на одну полосу. Экономический эффект от внедрения информационных устройств достигается за счёт снижения количества дорожно-транспортных происшествий на участках дорог с ограниченной видимостью в плане и профиле, а также – повышения производительности работы автомобильного транспорта.
Бесплатно
Математическое моделирование процесса ацетоксилирования этилена на отечественном катализаторе
Статья научная
Виниловый мономер винилацетат (ВА) служит для производства поливинилового спирта, поливинилацетата, поливинилбутираля, сополимеров с этиленом и пропиленом. Мировой объём выпуска винилацетата составляет более 4 млн. т. в год. На современном этапе промышленного развития винилацетата получают в основном каталитическим синтезом этилена, уксусной кислоты (УК) и кислорода, в соотношении приблизительно равном 8:4:1. Степень конверсии за один проход – 8 %; 18 %; 45 %. Селективность по винилацетату составляет 91-92%. Основным побочным продуктом является диоксид углерода (ДУ), этилацетат, этилидендиацетат – все не более 1%. Из-за своей чрезвычайной пожаро- и взрывоопасности процесс распространен относительно мало. Всего в мире насчитывается примерно 30 таких установок. В Российской Федерации имеется только одно такое производство с производительностью по винилацетату 50 тыс. т в год (компания «Лукойл», ООО «Ставролен»), которое было закуплено в 1975 г. по лицензии фирмы «Байер» ФРГ. Для исключения зависимости от дорогостоящих импортных поставок, актуальным является переход данного производства на отечественный катализатор или производимый в странах СНГ. В этой связи авторами проведена структурная и параметрическая идентификация и получены экспериментальные данные. В данной работе приводится результат проведенных экспериментов, а именно динамическая математическая модель скорости образования целевого виниацетата (активности) и побочного – ДУ продуктов, имеющая существенно нелинейную структуру. Было принято, что реакция получения винилацетат протекает по первому порядку, а образования ДУ – по полуторному. Для использования модели при управлении реальным производственным процессом необходима параметрическая идентификация наиболее значимых коэффициентов регрессии.
Бесплатно
Математическое моделирование процесса инфракрасной пастеризации молока
Статья научная
На основании модельного представления процесса пастеризации молока инфракрасным излучением получены закономерности изменения температур продукта в зоне нагрева с учетом тепловых потоков различной природы, а также изменение основных рабочих характеристик кварцевого излучателя в процессе работы.
Бесплатно
Математическое моделирование процесса принятия решения о состоянии стохастических систем
Статья научная
Вследствие трудности построения строгих математических моделей технологических, биомедицинских и экономических объектов получили своё развитие методы прогнозирования состояния на основе статистического анализа. Сложность анализируемого объекта эквивалентна его информационной ёмкости. Максимальная ёмкость достигается, если все состояния объекта равновероятны. Относительная неопределённость информации, получаемой решающей системой, затрудняет принятие решения о состоянии объекта. Для надёжного предсказания состояния объекта измеряется несколько его признаков, диапазон измерения разбивается на градации, а в пределах каждой градации производится усреднение сигнала. Далее решают две задачи: обнаружения (выявление отклонения функционирования объекта от нормального режима), и распознавания (оценка степени отклонения от нормы). Число градаций признака тесно связано с мощностью обучающей выборки (не менее 40). При описании системы с 8–30 признаками и мощностью обучающей выборки от 40 до 120, методика, включающая в себя формализацию признаков на первом этапе, отбор с помощью корреляционного анализа наиболее информативных признаков на втором этапе и классификацию состояния объекта методом кластерного анализа позволили правильно диагностировать состояние системы в аварийном режиме с точностью от 89 до 98 %. Предложенный информационный подход позволяет осуществлять классификацию и прогнозирование технических, экономических и биомедицинских систем любой сложности, что открывает возможности предсказания поведения таких систем и управления при появлении помех.
Бесплатно
Математическое моделирование процесса сушки модифицированного корма
Статья научная
Рациональное аппаратурное оформление процесса сушки и снижение затрат энергии на его осуществление является актуальной задачей. В данной работе разработана математическая модель процесса сушки модифицированного корма в виброкипящем слое.
Бесплатно
Математическое моделирование процессов нагрева и охлаждения колбасных изделий
Статья научная
В статье проведено математическое моделирование процессов нагрева и охлаждения колбасных изделий с целью определения эталонных характеристик протекания процессов. В графическом виде представлены основные зависимости процессов.
Бесплатно
Математическое моделирование процессов при электродуговом синтезе углеродных нанотрубок
Статья научная
В данной работе синтезирована математическая модель теплообмена при синтезе УНТ, учитывающая отвод тепла из зоны испарения анода. Исследовано влияние параметров теплоотводящего элемента (ТЭ) на ширину зоны формирования УНТ.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается реологическая модель жидкости, которая учитывает эффект “отвердевания”.
Бесплатно
Математическое моделирование электронных процессов и кинетика ионизации глубоких уровней
Статья научная
Предложена математическая модель кинетики перезарядки глубоких уровней в запрещённой зоне полупроводника, учитывающая процессы обмена носителями заряда между глубокими уровнями и обеими разрешёнными зонами, которая адекватно описывает неэкспоненциальный характер релаксации ёмкости. Разработан метод определения спектра глубоких электронных состояний, обладающий большей точностью и разрешающей способностью по сравнению с традиционными методами, использующими приближение времени релаксации. Представлены результаты численного эксперимента с использованием предлагаемой в работе модели кинетики перезарядки глубоких уровней в рамках предложенных приближений. Учёт генерационных и рекомбинационных составляющих процесса перезарядки всей совокупности глубоких уровней в запрещённой зоне полупроводника приводит к выводу о том, что кинетика ионизации этих центров, в общем случае, не подчиняется больцмановской статистике. Учёт процессов обмена зарядами между различными глубокими уровнями оказывает существенное влияние на кинетику их перезарядки. Результаты численного анализа показывают, что процесс ионизации глубоких уровней имеет более сложный характер, чем подразумевают стадийные кинетики. Сделан вывод о том, что в большинстве случаев все стадийные кинетики при релаксационной спектроскопии глубокоуровневых центров будут приводить к значительной методологической погрешности в определении параметров. Из результатов численного анализа следует, что плотность поверхностных электронных состояний оказывает существенное влияние в целом на кинетику перезарядки всех глубоких уровней. Проведённый с использованием данной математической модели анализ перезарядки донорных глубоких уровней выявил не только особенности ионизации глубоких уровней в полупроводнике, но и позволил дать ответ на некоторые вопросы, характерные для всей релаксационной спектроскопии глубоких уровней в целом.
Бесплатно
Математическое моделирование эффективной вязкости теста из муки цельносмолотого зерна пшеницы
Статья научная
Исследовано изменение реологических свойств теста из муки цельносмолотого зерна пшеницы в процессе брожения при внесении обогатителей. Получены математические зависимости, позволяющие прогнозировать и регулировать эффективную вязкость теста в процессе брожения.
Бесплатно
Матрично-графовая модель процесса деструкции полимерных материалов
Статья научная
В работе рассматривается задача математического моделирования процесса термохимической деструкции с использованием теории графов. Для синтеза математической модели предложен аппарат цепей Маркова, при этом для формализации модели используется матрично-графовый метод кодирования. Предлагается рассматривать процесс деструкции как случайный процесс, при котором изменяется состояние системы, характеризующееся долей макромолекул в каждой фракции молекулярно-массового распределения. Интенсивности переходов из состояния в состояние характеризуют соответствующие скорости процессов деструкции для каждой фракции молекулярно-массового распределения (ММР). Процессами структурирования и полимеризации в данной работе пренебрегли, и принято, что существует вероятность перехода из любого состояния с низшим порядковым индексом (соответствующим фракции с более высокими молекулярными весами) в любое состояние с более высоким индексом (соответствующим фракциям с более низкими молекулярными весами)...
Бесплатно
Статья научная
Нейронное моделирование зачастую не гарантирует выполнения принципа общности - нейронная модель, обученная на одном наборе данных, может оказаться неадекватной при подаче на ее вход данных из другого набора. Поэтому при использовании нейронного моделирования необходима процедура тестирования полученных результатов с помощью метода гребневой (ridge) регрессии, основанного на теории регуляризации некорректно поставленных задач. Существо предлагаемого метода адаптации нейронной сети с фиксацией смещений (АФНС) состоит в следующем: 1. Вместо двухслойной нейронной сети для адаптации рекомендуется однослойная нейронная сеть, более полно отвечающая использованию метода характеристических точек, в качестве которых выбираются взвешенные суммы отдельных групп признаков. 2. Для устранения проблемы неоднозначности, вызванной традиционным выбором случайных начальных условий, начальные значения весов и смещений нейронов выбираются равными нулю. 3. Для методологического единства решения прямой и обратной задачи экспертизы на веса и смещения нейронной сети программно накладываются следующие ограничения: веса [0, 1], а смещения принудительно полагаются равными нулю путем выбора параметра скорости адаптации. 4. Результаты нейронного моделирования часто могут быть недостоверными в силу нарушения принципа общности и для проверки его соблюдения необходимо обязательное тестирование полученных результатов, например, с помощью метода гребневой регрессии. Как следует из представленных результатов, во всех случаях следует пользоваться предложенными методами последовательной и групповой адаптации с фиксацией смещений нейронов, поскольку при этом имеется возможность восстановления исходной регрессионной модели. При фиксации нулевых смещений нейронов их найденные веса приобретают значения из диапазона [0, 1], что обеспечивает методологическое единство решения прямой и обратной задачи экспертизы.
Бесплатно
Метод функций Грина в математических моделях для двухточечных краевых задач
Статья научная
В различных прикладных задачах, в которых рассматриваются вопросы управления и оптимизации, теории систем, теоретической и строительной механике при изучении структур из струн и стержней, теории колебаний, теории упругости и пластичности, в задачах механике, связанных с разрушениями и моделированием ударных волн, используются математические модели, основанные на применении обыкновенных дифференциальных уравнений высокого порядка. Подобная методология также применяется при исследовании математических моделей методами дифференциальных уравнений на графах, описывающих различные связанные системы с возможным упорядочиванием. Такие уравнения используются как в теоретическом обосновании математических моделей, так и служат основой для конструирования численных методов решения и компьютерных алгоритмов. В работе исследование таких моделей проводится методом функций Грина. В первой части работы приводятся общие сведения о методе функций Грина для многоточечных краевых задач. Описывается основное уравнение, вводятся понятия многоточечных краевых условий, граничных функционалов, вырожденных и невырожденных задач, фундаментальной матрицы решений. В основной части работы вначале даётся постановка задачи, включающая условия разрывов и деформаций. Далее приводятся основные результаты работы. В теореме 1 приведены условия однозначной разрешимости рассматриваемой задачи. В теореме 2 установлены условия строгой положительности решения и соизмеримости для пары решений. В теореме 3 установлено существования и оценки для минимального собственного значения, свойства точек спектра, положительность собственных функций. В теореме 4 доказана весовая монотонность функции Грина. В конце работы приводятся возможные приложения к теории сигналов и теории операторов преобразования.
Бесплатно
Статья научная
Несмотря на огромное количество работ, посвященных изучению фотостимулированных процессов (ФСП) в кристаллах со смешанным типом связи, проблема разработки и совершенствования информационно-измерительных методов контроля физических параметров объектов размеров в несколько нанометров и выработки критериев оценки возможности применения таких методов на сегодня остается актуальной. С практической точки зрения актуальной является проблема разработки информационно-измерительных методов на базе кинетических моделей процессов, что позволяет предложить алгоритмы применения новых методов контроля процессов зарождения или модификации центров с участием ионов или атомов металла в кристаллах со смешанным типом связи, так как к ним относится широкий класс полупроводников. Описана проблема контроля параметров технологических процессов на ранних стадиях зарождения новой фазы на поверхности конденсированных сред. Проанализирована возможность применения метода фотостимулированной вспышки люминесценции (ФСВЛ) для люминесцирующих кристаллов с ионно-ковалентной связью...
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается методика определения параметров реологической модели жидкости, которая демонстрирует эффект “отвердевания”. Приводится пример использования предложенного алгоритма
Бесплатно
Статья научная
Для контроля технического состояния резинотехнических изделий (РТИ) существенное значение имеет усовершенствование методов видеометрического анализа степени разрушения и старения резины в агрессивной среде. Основным фактором, определяющим степень разрушения резинового изделия, является степень покрытия его трещинами, которая характеризуется количеством, суммарной площадью, периметром трещин, геометрической формой и рядом других параметров. В процессе создания методики оценки степени разрушения РТИ возникает задача разработки алгоритма машинного зрения для оценки степени покрытия образца трещинами, а также определения характеристик разрушения. Для разработки алгоритма обработки изображений проведен ряд экспериментальных исследований по искусственному состариванию ряда образцов изделий, изготовленных из различных резин. В ходе экспериментов была получена серия снимков ряда образцов вулканизатов в реальном времени. Для достижения поставленных целей изначально производится стабилизация освещенности полученного массива изображений с использованием фильтра Гаусса. После этого для каждого изображения применяется операция бинаризации. Для выделения контуров поверхностных повреждений образца применяется алгоритм Кэнни. Обнаруженные контуры преобразуются в массив точек. Однако одна трещина может быть выделена как несколько контуров. Поэтому был разработан алгоритм объединения контуров по критерию минимума расстояния между ними. В конце производится расчёт морфологических признаков каждого контура (площадь, периметр, длина, ширина, угол наклона, фрактальная размерность Минковского). Приводятся графики полученных с помощью методики параметров разрушения образцов РТИ. Разработанная методика позволяет автоматизировать оценку степени старения РТИ в телеметрических системах, исследовать динамику процесса старения полимеров, получать исходную информацию для математического моделирования процессов старения полимеров, прогнозировать изменение состояния РТИ с течением времени.
Бесплатно
