Search

Проведён анализ методов математического моделирования электромагнитной левитации, которые могут быть использованы для прогнозирования движения транспортных средств на электромагнитной подвеске, а также для подвешивания и центрирования линейного ротора общепланетарного транспортного средства (ОТС). Основное преимущество рассматриваемого способа подъёма объектов – отсутствие трения и износа между неподвижной и подвижной поверхностями. Автором моделируется динамика электромагнитной левитации, сравниваются полученные результаты с натурным экспериментом, который осуществлён исследователями ранее.

При проектировании систем автоматизированного управления сложными техническими динамическими объектами используют математический аппарат на базе искусственных нейронных сетей, обладающие уникальными преимуществами: - возможность проведения параллельных вычислений; - нахождение ранее неизвестных взаимосвязей между входными и выходными последовательностями цифровых сигналов; - обеспечение более эффективного управления нелинейными системами за счет применения нелинейных функций активации. Кроме того, они иногда снимают возникающие сложности при описании некоторых задач в виде аналитических математических моделей. Нейроуправление является одним из перспективных направлений, находящееся на стыке теорий систем автоматического управления и искусственного интеллекта. В данной работе рассмотрена задача использования нейросетевой идентификации в системе автоматизированного управления магнитной левитации (нейросетевой регулятор). Метод. Решение поставленной задачи происходит на базе методов искусственного интеллекта - хорошо известных рекуррентных искусственных нейронных сетей NARX и LSTM. Обучение этих сетей производилось при помощи алгоритма обратного распространения и метода Левенберга-Марквардта имеющих хорошую сходимость. При обучении искусственных нейронных сетей необходимо учитывать эффект переобучения, который может привести к плохим результатам. Инструментальным средством для задания архитектуры нейронных сетей, их построения, обучения и тестирование являлась система MATLAB. Основные результаты. Применение обученных искусственных нейронных сетей к тестовым данным показало для данной задачи некоторое преимущество сети NARX по сравнению с LSTM. Причем среднеквадратичная ошибка (the root mean squared error - RMSE) для сети NARX с 50 скрытыми слоями для данной задачи меньше, чем для сети, имеющей 100 скрытых слоев. Отсюда следует рекомендация применения искусственной нейронной сети NARX при решении задач проектирования автоматизированных систем управления электромагнитными левитирующими объектами. Практическая значимость. Полученные результаты можно применять при проектировании автоматических систем управления левитирующими объектами. В настоящее время большинство таких систем разрабатывают для осуществления перевозок товаров различного назначения используя эффект левитации., When designing automated control systems for complex technical dynamic objects, a mathematical apparatus based on artificial neural networks is used, which has unique advantages: - the possibility of parallel computing; - finding previously unknown relationships between input and output sequences of digital signals; - providing more efficient control of nonlinear systems through the use of nonlinear activation functions. In addition, they sometimes remove the difficulties that arise when describing some problems in the form of analytical mathematical models. Neurocontrol is one of the promising areas, located at the intersection of theories of automatic control systems and artificial intelligence. This paper considers the problem of using neural network identification in the system of automated control of magnetic levitation (neural network controller). Method. The solution of the task is based on the methods of artificial intelligence - the well-known recurrent artificial neural networks NARX and LSTM. These networks were trained using the backpropagation algorithm and the Levenberg-Marquardt method, which have good convergence. When training artificial neural networks, it is necessary to take into account the effect of overfitting, which can lead to poor results. The MATLAB system was a tool for setting the architecture of neural networks, their construction, training and testing. Main results. The application of trained artificial neural networks to test data showed for this problem some advantage of the NARX network compared to LSTM. Moreover, the root mean squared error (RMSE) for the NARX network with 50 hidden layers for this problem is less than for the network with 100 hidden layers. Hence follows the recommendation to use the NARX artificial neural network in solving the problems of designing automated control systems for electromagnetic levitating objects. Practical significance. The results obtained can be applied in the design of automatic control systems for levitating objects. Currently, most of these systems are being developed for the transportation of goods for various purposes using the levitation effect.

Цель исследования – разработка конструкции магнитной системы силового стабилизирующего узла, обеспечивающего ограничение пяти степеней свободы ротора, а также теоретическое изучение его поведения при функционировании. Предложено решение задачи стабилизации центрального положения ротора в канале статора общепланетарного транспортного средства (ОТС) при помощи сил магнитных полей постоянных магнитов. Спроектированная система компенсирует внешние силы, действующие как на ротор при подготовке взлёта, так и на статор при наборе высоты. Смоделирован вариант, когда линейный комбинированный двигатель в составе ОТС выполняет несколько задач: передачу подъёмной силы с маховика на корпус ОТС; удержание маховиков в вакуумных каналах для движения, предотвращая контакт со стенками в статическом и динамическом режимах; разгон маховика, сообщение ему необходимой скорости; преобразование кинетической энергии маховика в электрическую в режиме отбора мощности.

В статье представлены результаты решения задачи стабилизации ротора в системе электромагнитного подвеса на основе применения нечетких моделей Takagi-Sugeno. Рассмотрены две задачи управления: построение стабилизирующих регуляторов и построение оптимальных регуляторов по заданному квадратичному критерию качества. Для решения поставленных задач исходная нелинейная математическая модель преобразовывалась к определенному виду, а затем заменялась эквивалентной нечеткой моделью, состоящей из совокупности линейных подсистем. Для построения нечеткой математической модели использовались функции распределения треугольного вида. Результирующая нечеткая модель представлялась как взвешенная сумма всех линейных подсистем. Для синтеза законов управления применялся аппарат линейных матричных неравенств, расширенный на случай нечетких систем. В этом случае каждой линейной подсистеме соответствовала своя система линейных матричных неравенств. В результате проведения численных расчетов были получены нечеткие регуляторы обоих типов, которые затем поочередно подставлялись в исходный нелинейный объект, замкнутый нечетким регулятором. Для проверки работоспособности регуляторов выполнялось математическое моделирование динамики ротора. В качестве результатов моделирования представлены переходные процессы в замкнутой системе. Результаты численных расчетов и проведенного математического моделирования показали, что с помощью нечетких моделей Takagi-Sugeno можно построить как стабилизирующий регулятор, так и оптимальный регулятор по заданному квадратичному критерию качества для управления ротором в электромагнитном подвесе. Найденные регуляторы обеспечивали стабилизацию ротора в достаточно широком диапазоне начальных возмущений, вплоть до максимально возможных значений. Основываясь на полученных результатах, можно заключить, что представленный подход, основанный на использовании нечетких моделей Takagi-Sugeno, позволяет в широком диапазоне начальных возмущений стабилизировать ротор в системе электромагнитного подвеса., An electromagnetic suspension is a rotor located in the field of gravity and the magnetic attraction force acting on the side of the electromagnet. When the two forces are equal, the rotor is stationary. The operation principle of an electromagnetic suspension is based on the phenomenon of magnetic levitation, which is applied in active magnetic bearings. Thanks to this, it becomes possible to overcome gravity without contact and to provide the rotor hanging in active magnetic bearings. The obvious advantage of such systems is, first of all, the absence of mechanical contact and, as a consequence, the absence of friction. This advantage allows significantly increase the service life and efficiency compared to traditional mechanical counterparts. The magnetic forces acting on the electromagnet are controlled by a control system that ensures a stable equilibrium position of the rotor. It is necessary to note that an electromagnetic suspension is inherently unstable system and it is describes nonlinear differential equations which present additional difficulties for the control low realizing. The standard scheme of the electromagnetic suspension assumes the presence of a sensor of the position of the suspended body as the main element for forming feedback in the control loop. Also there is another scheme that involves measuring only the current in the circuit of the electromagnet without measuring the position of the body and its speed. The advantages of such a scheme are the compactness and reliability of the design, as well as the lower cost compared to the traditional scheme. The control of the rotor in an electromagnetic suspension is an important and actual task associated with the wide practical application of electromagnetic bearings. The practical application of electromagnetic bearings covers a wide range of different areas of industry and technology, as well as some areas of medicine. For the construction of regulators, the most widely used approach is based on the use of linearized models. Despite its simplicity and convenience, the obvious disadvantage of linearized models is their limited applicability. Linearized models correctly describe the dynamics of an object only in the neighborhood of the equilibrium position, with small initial deviations. In fact, the initial perturbations of an object can go far beyond the applicability of linearized models. As a result, the regulators calculated on the basis of linearized systems are only operable for small initial perturbations. One of the ways to take into account the nonlinearities of the object and build corresponding controllers can be the use of fuzzy logic and fuzzy systems based on it. This paper presents the results of solving the problem of constructing fuzzy output regulators for an electromagnetic suspension system based on the use of Takagi-Sugeno fuzzy models. Two control problems are considered: the construction of stabilizing regulators and the construction of optimal regulators according to a given quadratic quality criterion. To solve these problems, the original nonlinear mathematical model was transformed to a special form, and then replaced with an equivalent fuzzy model consisting of a set of linear subsystems. То construct a fuzzy mathematical model of the system, triangular distribution functions were used. Ultimately, the fuzzy model was represented as a weighted sum of all linear subsystems. To synthesize the control laws, we used the apparatus of linear matrix inequalities, extended to the case of fuzzy systems. In this case, for each linear subsystem is consistent with its own system of linear matrix inequalities. As a result of numerical calculations, fuzzy controllers of both types were obtained, which were then alternately substituted into the original nonlinear object closed by the fuzzy controller. To check the operability of the regulators, mathematical modeling of the rotor dynamics was performed. Transient processes in a closed system are presented as simulation results. The results of numerical calculations and mathematical modeling showed that using the TakagiSugeno fuzzy models, it is possible to construct both a stabilizing regulator and an optimal regulator according to a given quadratic quality criterion for controlling the rotor in an electromagnetic suspension. The found regulators provided stabilization of the rotor in a fairly wide range of initial perturbations, up to the maximum possible values. Based on the results obtained, it can be concluded that the presented approach, based on the use of fuzzy Takagi-Sugeno models, allows to stabilize the rotor in an electromagnetic suspension system in a wide range of initial perturbations.

Изучена возможность применения магнитных подвесов в составе транспортных систем нового поколения, движущихся со скоростью 400 км/ч и более. Приведены силовые и динамические характеристики, детально рассмотрена конструкция адаптированного для использования в составе общепланетарного транспортного средства (ОТС) магнитного подвеса – одного из ключевых элементов данного геокосмического комплекса.

Данная работа посвящена исследованию магнитных свойств сверхпроводников сплошных и неодносвязных (с полостью) для рационального использования их в технических приложениях. Конкретно в работе проводились исследования модельных сверхпроводников второго рода и произведены сравнения свойств для сплошных образцов и образцов с отверстием (неодносвязных). Рассмотрены статьи по исследованию магнитных свойств сверхпроводников и их технического применения. Проведены измерения зависимости магнитного момента M от магнитного поля H для сплошного и неодносвязного сверхпроводящего ниобия в поперечном поле. Измерения проведены с помощью вибрационного магнитометра автоматизированного комплекса PPMS. Проведены исследования полученных зависимостей для сплошных и полых сверхпроводников. Рассмотрено развитие скачков магнитного потока с изменением температуры. В результате было проанализировано влияние наличия полости в сверхпроводниках на процесс намагничивания. Приведен сравнительный анализ намагниченности сплошного сверхпроводника второго рода и с полостью., This work is devoted to the study of the magnetic properties of solid and non-simply connected superconductors (with a cavity) for their rational use in technical applications. Specifically, in the work, model superconductors of the second kind were studied and properties were compared for continuous samples and samples with a hole (non-connected). Articles on the study of the magnetic properties of superconductors and their technical applications are considered. The dependence of the magnetic moment M on the magnetic field H was measured for continuous and non-simply connected superconducting niobium in a transverse field. The measurements were carried out using a vibration magnetometer of the automated PPMS complex. The obtained dependences are studied for solid and hollow superconductors. The development of magnetic flux jumps with temperature is considered. As a result, the influence of the presence of a cavity in superconductors on the magnetization process was analyzed. A comparative analysis of the magnetization of a continuous superconductor of the second kind and with a cavity is given.

Ячиков Игорь Михайлович, д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры вычислительной техники и программирования, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск; jachikov@mail.ru. Ширяев Владимир Иванович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой систем автоматического управления, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; shiriaevvi@susu.ru. I.M. Yachikov1, jachikov@mail.ru, V.I. Shiryaev2, shiriaevvi@susu.ru 1Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russian Federation 2South Ural state University, Chelyabinsk, Russian Federation Введение. Существуют различные практические способы реализации магнитной левитации как метода удержания или подъема объекта с помощью одного только магнитного поля. В работе рассматривается следующий принцип создания равновесия тела. Небольшой цилиндрический неодимовый магнит удерживается при электромагнитном взаимодействии с пульсирующим током, протекающим через катушку. Для возникновения парящего эффекта при приближении магнита к катушке ток через нее отключается электронным ключом, срабатывающим от цифрового датчика Холла, расположенного на оси катушки. Вызывает практический интерес разработка простых рекомендаций, позволяющих прогнозировать факт удержания тела при данной конструкции катушки, токе через нее, размерах и свойствах постоянного магнита. Мало инженерных методик, позволяющих определять положение тела, его устойчивость и характер движения во взвешенном состоянии. Целью исследования является теоретическое и экспериментальное исследование динамических параметров постоянного магнита при его удержании в импульсном магнитном поле и создание упрощенной расчетно-экспериментальной методики для определения характеристик поведения тела во взвешенном состоянии. Материалы и методы. При выполнении работы применялись методы математического и компьютерного моделирования, а также экспериментального исследования. Созданное программное обеспечение с использованием средств разработки пакета Mathcad основывалось на известных методах численного интегрирования системы дифференциальных уравнений. Результаты. Предложена упрощенная расчетно-экспериментальная методика по определению магнитных моментов для постоянного цилиндрического магнита и катушки с током, а также примерного значения координаты положения тела во взвешенном состоянии. Разработана математическая модель одномерного движения магнита под действием силы тяжести и электромагнитной силы взаимодействия с импульсным магнитным полем при известном расстоянии, на котором происходит выключение тока. Заключение. Экспериментально и посредством компьютерного моделирования установлено, что чем выше частота пульсаций, тем при удержании тела наблюдается его меньшая амплитуда пульсаций и устанавливается более устойчивое равновесие. Частота пульсаций уменьшается с увеличением массы постоянного магнита, причем есть критическая масса, которая уже не удерживается в электромагнитном поле. При увеличении напряжения, подаваемого на коммутатор катушки, возрастает частота пульсаций тела и потребляемая электрическая мощность, при этом коэффициент заполнения импульсов тока снижается. Introduction. There are various practical ways to implement magnetic levitation as a method of holding or lifting an object using a magnetic field alone. The following principle of creating the balance of the body is considered in the work. A small cylindrical neodymium magnet is held during electromagnetic interaction with a pulsating current flowing through the coil. For a soaring effect to occur when the magnet approaches the coil, the current through it is switched off by an electronic key that is activated by a digital Hall sensor located on the axis of the coil. Of practical interest is the development of simple recommendations to predict the fact of body retention with a given coil design, current through it, dimensions and properties of a permanent magnet. There are few engineering techniques to determine the position of the body, its stability and the nature of movement in suspension. The aim of the study is a theoretical and experimental study of the dynamic parameters of a permanent magnet when it is held in a pulsed magnetic field and the creation of a simplified computational- experimental technique for determining the characteristics of the body in suspension. Materials and methods. When performing the work, methods of mathematical and computer modeling were used, as well as experimental studies. The created software using the development tools of the Mathcad package was based on well-known methods: numerical integration of a system of differential equations. Results. A simplified computational and experimental technique is proposed for determining magnetic moments for a permanent cylindrical magnet and coil with current, as well as an approximate value of the coordinate of the position of the body in suspension. A mathematical model of the onedimensional motion of a magnet under the influence of gravity and electromagnetic forces of interaction with a pulsed magnetic field at a known distance at which the current is turned off is developed. Conclusion. It was established experimentally and through computer simulation that the higher the frequency of the pulsations, the more rigid the pulsation amplitude is observed when the body is held and a more stable equilibrium is established. The ripple frequency decreases with increasing mass of the permanent magnet, and there is a critical mass that is no longer held in the electromagnetic field. As the voltage supplied to the coil switch increases, the frequency of the pulsations of the body and the consumed electric power increase, while the duty cycle of the current pulses decreases.

Соломин Евгений Викторович, профессор, кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения », Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; solominev@susu.ru. Сироткин Евгений Анатольевич, аспирант, кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения », Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; tv-222@mail.ru. Буданов Геннадий Владимирович, аспирант, кафедра «Спортивное совершенстование», ЮжноУральский государственный университет, г. Челябинск; budanovgv@susu.ru. Козлов Сергей Васильевич, аспирант, кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения », Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; soninpapa@mail.ru. Мирошниченко Алексей Алексеевич, магистрант, кафедра «Электрические станции, сети и системы электроснабжения», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; alex.miroshnichenko@ mail.ru. E.V. Solomin, easirotkin@susu.ru, E.A. Sirotkin, easirotkin@susu.ru, G.V. Budanov, budanovgv@susu.ru, S.V. Kozlov, soninpapa@mail.ru A.A. Miroshnichenko, alex.miroshnichenko@mail.ru South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation Представлено исследование преимуществ и недостатков магнитной левитации ротора ветроэнергетической установки. В мировом научном сообществе представлено много исследований об использовании магнитной левитации роторов ветроэнергетических установок. Однако наблюдаются не только преимущества, но и некоторые отрицательные стороны «магнитного подшипника» в ветроэнергетических установках, что приводит к вопросу о целесообразности применения данного технического решения. Авторами выявлены основания повышенного внимания к магнитной левитации ветроколеса и проанализированы основные подходы к проектированию. Работа включает в себя расчет магнитной опоры и оценку стоимости вертикально-осевой ветроэнергетической установки с магнитным подшипником ротора. Результаты исследования показали, что экономическая эффективность этого подхода крайне низка и не оправдана для использования в коммерческих продуктах. The article presents a study of the advantages and disadvantages of rotor magnetic levitation in wind turbines. Globally, a lot of research is done into the use of windwheels magnetic levitation. However, the “magnetic bearing” in wind turbines has both positive and negative effects. This prompts a question whether this technical solution should be used. The authors identified the basis for increased attention to the magnetic levitation of the windwheel and analyzed the main approaches to the design. The work includes the calculation of the magnetic support and an estimate of the cost for a vertical-axial wind power plant with a rotor magnetic bearing. The results of the study showed that the economic efficiency of this approach is extremely low and it is not justified to be used in commercial products. Статья выполнена при поддержке стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов (СП-71.2018.1) и Правительства РФ (Постановление № 211 от 16.03.2013 г.), соглашение № 02.A03.21.0011. The work was supported by RF President scholarship for young scientists and postgraduate students (SP-71.2018.1), by Act 211 Government of the Russian Federation, contract № 02.A03.21.0011.

В статье проведен анализ существующих магнитолевитационных технологий на транспорте и пред­ложена идея создания железной дороги на основе технологии работы подвижного состава на постоянных магнитах с применением соленоида. Создана оригинальная физическая модель железной дороги на маг­нитной тяге., The paper analyses the existing magnetic levitation transport technologies. We have proposed the idea of creating a railway based on the technology of the rolling stock operation on a permanent magnet with the use of the solenoid. An original physical model has been created for the railway on a magnetic traction., №4(37) (2019)

Работоспособность электромагнитной подъемной установки обеспечивается слаженной работой всех его узлов и элементов, а именно строго вертикальным движением скипа. Отклонение скипа от вертикальной оси может привести к остановке и повреждению как скипа, так и установки. Поэтому система регулирования воздушного зазора и защиты скипа электромагнитной подъемной установки, которая включает определение размера воздушного зазора между электромагнитом скипа и электромагнитом направляющего устройства, а также разработка системы стабилизации для обеспечения постоянной величины воздушного зазора и регулирования величины тока в обмотке электромагнита, обеспечивают как строго вертикальное движение скипа, так и его защиту.Статья направлена на теоретическое определение величины воздушного зазора между электромагнитом направляющего устройства и электромагнитом скипа при помощи закона Био Савара Лапласа., The efficiency of the electromagnetic lifting system is ensured by the well-coordinated work of all its parts and elements, namely those providing the strictly vertical movement of the skip. The deviation of the skip movement from the vertical axis can lead to a stop and damage of both the skip and the unit. Therefore, the air gap adjustment and skip protection system of the electromagnetic lifting system, which includes determining the size of the air gap between the electromagnet of the skip and the electromagnet of the aligning device, and the development of a stabilization system to ensure a constant air gap and regulate the current in the electromagnet winding, provide both a strictly vertical movement skip, and its protection.The article is devoted to the theoretical determination of the air gap between the electromagnets of the aligning device and the skip using the Biot Savar Laplace law., №229(1) (2018)

into space for resource conservation, taking into account modern trends in the development of world energy. The ways of solving the critical flaws of the Lofstrom project are proposed, and preliminary calculations of the characteristics of a hypothetical installation are presented. A further direction for the development of the work is also outlined, which includes the calculation of structural elements and the calculation of economic indicators of the project. В данной работе представлена концептуальная модель установки для неракетного запуска полезного груза в космос. Проект основан на идее Кейта Лофстрома (пусковая петля Лофстрома), описанной в 1981 г. Обоснована актуальность неракетного запуска в космос для ресурсосбережения с учетом современных трендов развития мировой энергетики. Предложены пути решения критических недостатков проекта Лофстрома. Представлены предварительные вычисления характеристик гипотетической установки. Намечено дальнейшее направление развития работы, которое включает в себя расчет элементов конструкции и вычисление экономических показателей проекта.

Представлено конструктивне рішення по побудові космічного корабля, що рухається з опором на електромагнітні поля Сонячної системи і Галактики з прискоренням. Проведено розрахунки необхідної сили току по контуру і величини заряду на корисній поверхні об’єкту для отримання прискорення в 1g в довільному напрямку у просторі., Представлено конструктивное решение по построению космического корабля, движущегося с опорой на электромагнитные поля Солнечной системы и Галактики с ускорением. Проведен рассчет необходимой силы тока по контуру и величины заряда на полезной поверхности объекта для получения ускорения в 1g в произвольном направлении в пространстве., Subject of interstellar flights remains actual taking into account limitedness of the terrestrial resources, overpopulation of the planet, and demographic, sociopolitical and ecological problems at the planet. A constructive solution is submitted of the construction of a spacecraft moving with acceleration resting upon electromagnetic fields of the Solar system and the Galaxy. Calculation of the current intensity within the circuit and charge value at the object's useful surface necessary for the achievement of acceleration equal to at arbitrary direction in the space is conducted.

В докладе описан разработанный и запатентованный в АО «НИИЭФА» комбинированный электромагнитный подвес, использующий в своем составе постоянные опорные магниты или ВТСП магниты. Описан изготовленный исследовательский среднемасштабный макет комбинированного подвеса. Приведены результаты измерения потребляемой мощности при работе среднемасштабного макета.

В данной работе проведена разработка математической модели системы магнитной левитации и синтез регуляторов различных типов. В работе приводится описание аспектов магнетизма, электроприводов и сил, описывающих происходящие процессы, построение самой разрабатываемой системы и исследование ключевых параметров регуляторов при разных начальных условиях в среде Matlab. Осуществляется сравнительный анализ работы регуляторов, анализируются данные колебательных процессов системы. Рассматривается анализ устойчивости полученных систем управления., This master thesis presents the development of a mathematical model of the magnetic levitation system and the synthesis of various types of controllers. It considers aspects of magnetism and electric power, describes the processes, builds the effective system and studies key parameters of regulators for different initial conditions in Matlab environment. Also it is provided the comparative analysis of regulators and data analysis of oscillatory processes in the system.