2018 год, №1

Содержание выпуска
Применение инерциальной навигации для определения буксования сельскохозяйственных тракторов
Федоренко Вячеслав Филиппович, Мишуров Николай Петрович, Трубицын Николай Владимирович, Таркивский Виталий Евгеньевич
Стр. 8 — 23
Введение. В статье обоснована необходимость определения буксования колес сельскохозяйственного трактора при проведении его испытаний. Рассмотрены принцип работы и конструкция применяемых датчиков определения буксования ведущих колес (движителей) при испытаниях тракторов и сельскохозяйственных машин, отмечены конструктивные особенности и характеристики распространенных датчиков буксования на основе вращающегося диска с прорезями через фиксированный угол. Проанализированы достоинства и выделены ключевые недостатки существующих датчиков: сложность монтажа, необходимость изготовления деталей крепления датчика под конкретную модель трактора. Целью исследования является разработка универсального датчика буксования, который легко монтируется и может использоваться при проведении испытаний колесных и гусеничных тракторов. Материалы и методы. Предложено решение, определяющее положение ведущего колеса в трехмерном пространстве на основе инерциальной навигационной системы. Описаны принципы работы компонентов данной системы: акселерометра, гироскопа и магнетометра. Проанализированы основные применяемые математические цифровые фильтры ориентации для обработки «сырых» данных. Результаты исследования. Разработана конструкция устройства определения буксования трактора, основным элементом которого является инерциальный датчик положения колеса. Обоснован выбор основных компонентов датчика: марка и модель инерциальной навигационной системы, цифровой фильтр ориентации и микроконтроллер для функционирования датчика. В результате исследований был сконструирован и изготовлен датчик положения ведущего колеса на базе инерциальной навигационной системы MPU-9250 и микроконтроллера STM32F405. Разработано программное обеспечение датчика на языке C. Для обработки данных в реальном времени реализован цифровой фильтр на основе алгоритма Мэджвика. Обсуждение и заключения. Датчик буксования колес трактора на основе инерциальной навигационной системы лишен основных недостатков широко распространенных датчиков ведущих колес. К преимуществам датчика относятся простота монтажа, беспроводной способ передачи данных.
Ориентированная посадка луковиц катушечно-вильчатым высаживающим аппаратом
Аксенов Александр Геннадьевич, Емельянов Павел Александрович, Сибирёв Алексей Викторович
Стр. 24 — 35
Введение. Существующие лукопосадочные машины не обеспечивают единичной подачи луковиц высаживающим (высевающим) аппаратом, что приводит к нарушению агротехнических требований посадки луковиц. Необходим поиск новых решений по сохранению положения луковиц в борозде донцем вниз и их равномерному распределению. Материалы и методы. В статье представлена конструкция опытного образца посадочной машины, оснащенная катушечно-вильчатым высаживающим аппаратом для ориентированной посадки лука-севка в борозду. Исследования данного аппарата проводились на ровном участке, где в дни посадки измерялись физико-механические свойства почвы и показатели качества посадки лука-севка. Влияние скорости движения посадочного агрегата на качество посадки определялось изменением поступательной скорости движения посадочного агрегата в пределах от 0,8 м/с до 1,2 м/с с шагом 0,1 м/с; показатели качества посадки луковиц - раскрытием закрытой борозды. Результаты исследования. В статье приведены результаты лабораторно-полевых исследований лукопосадочной машины, оснащенной катушечно-вильчатым высаживающим аппаратом для посадки лука-севка и экспериментально определены его оптимальные технологические параметры. Были определены количество луковиц, расположенных вешкой вверх (51 %) и равномерность посадки катушечно-вильчатым высаживающим аппаратом (79 %). Достижение данных показателей обеспечивается при поступательной скорости посадочной машины = 0,9-1,0 м/с, высоте падения луковицы H = 0,12 м и частоте вращения высаживающего барабана п = 0,47 c. Обсуждение и заключения. Применение катушечно-вильчатого высаживающего аппарата позволяет повысить долю луковиц высаженных донцем вниз на 200 % по сравнению с ленточным аппаратом, а равномерность посадки луковиц - на 19 %.
Очистка питьевой воды от фторидов методом обратного осмоса
Шабарин Александр Александрович, Водяков Владимир Николаевич, Котин Александр Владимирович, Кувшинова Ольга Александровна, Матюшкина Юлия Ивановна
Стр. 36 — 47
Введение. Одной из важнейших задач в сфере санитарно-эпидемиологического благополучия населения Российской Федерации является обеспечение его доброкачественной питьевой водой, безопасной в эпидемиологическом отношении и безвредной по химическому составу. Одной из главных задач водоочистки является регулирование содержания фторид-ионов в питьевой воде. Цель настоящей работы - изучение возможности очистки водопроводной воды от ионов фтора методом обратного осмоса. Материалы и методы. Для удаления фторид-ионов была использована установка Alfa Laval PilotUnit 2.5" RO/NF с комплектом мембранных элементов спирального типа RO99-2517/48. Контроль за содержанием фторид-ионов проводили потенцио-метрическим методом с использованием pH-метра/милливольтметра Hanna HI 2211. В качестве индикаторного электрода использовали фторид-селективный электрод марки ЭЛИС 131 F, в качестве электрода сравнения - стандартный хлоридсеребря-ный электрод марки ЭВЛ-1М3. Градуировочные и буферные растворы изготавливали из реактивов марки х.ч. и ч.д.а., согласно ГОСТ 4386-89. Результаты исследования. При однократном пропускании воды через обратноосмо-тическую мембрану содержание фторид-ионов сократилось с 2,29 ± 0,02 мг/л до 0,240 ± 0,015 мг/л; при двукратном - еще в 2 раза. По мере возрастания содержания фторид-ионов в ретентате наблюдалось некоторое увеличение концентрации F~ и в фильтрате. После очистки воды, содержащей 20 мг/л ионов фтора, его концентрация в фильтрате не превышала 0,5 мг/л. Обсуждение и заключения. Использование установки Alfa Laval PilotUnit 2.5" RO/NF с комплектом мембранных элементов спирального типа RO99-2517/48 позволяет эффективно очищать водопроводную воду от ионов фтора до уровня ниже предельно допустимой концентрации. Данное исследование открывает перспективу применения обратного осмоса для очистки водопроводной воды с высоким содержанием фторид-ионов.
Применение новых технических решений в конструировании термоэлектрических систем
Шелехов Игорь Юрьевич, Шишелова Тамара Ильинична, Смирнов Евгений Игоревич
Стр. 48 — 61
Введение. В статье представлен анализ применения полупроводников при конструировании устройств, которые работают с использованием возобновляемых источников энергии; показано, что особый интерес проявляется к системам, работающим на основе термоэлектрической энергии. Задача исследования заключается в расширении спектра применения термоэлектрических систем. Показано, что для преобразования рассеянной тепловой энергии в другой вид энергии целесообразно и эффективно использовать системы, созданные с помощью термоэлектрических элементов. Материалы и методы. Исследования проводились в Научно-исследовательской лаборатории современных нагревательных приборов ФГБОУ ВО «ИРНИТУ». Были изготовлены образцы термоэлектрических модулей с использованием толстопленочной технологии. Сравнивалась эффективность работы термоэлектрического модуля классического вида с радиаторами охлаждения и запатентованной авторами конструкции термоэлектрического модуля с пространственной ориентацией сторон теплообмена. В качестве термоэлектрического материала использовался теллурид висмута (BiTe); показания напряжения и тока термоэлектрических модулей фиксировались универсальным цифровым прибором В7-28; показания температуры теплоносителя и нагревательных элементов измерялись термопарами и фиксировались с помощью приборов ТРМ 151 и программного комплекса фирмы «ОВЕН». Токовая нагрузка во время проведения экспериментов была постоянной и составляла 1А; корректировка осуществлялась постоянными резисторами марки МЛТ-1. Результаты исследования. В статье приводятся результаты исследования термоэлектрических модулей с поддержанием постоянной температуры на одной стороне модуля и заданием градиента температуры в диапазоне от +50 °С до 190 °С на другой. Детально рассматривается взаимное влияние теплопередающих сторон в процессе длительной эксплуатации при различных конструкциях термоэлектрических модулей. Обсуждение и заключения. Толстопленочная технология - одно из направлений по удешевлению производства термоэлектрических модулей и увеличению эффективности их работы. Исследования в данной области целесообразно проводить в направлении разработки конструкций термоэлектрических модулей и технологий по их изготовлению. Использование толстопленочной технологии изготовления термоэлектрических модулей дает возможность полностью удалить взаимное влияние горячей и холодной сторон, а также увеличить площадь рассеивания тепла в очень широких пределах.
Метод относительных величин для расчета магнитных потоков в электрических машинах
Захаржевский Олег Александрович
Стр. 62 — 76
Введение. Статья знакомит с результатами исследований модели асинхронного электродвигателя, выполненных автором в рамках целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Материалы и методы. В системах векторного управления, как правило, используется модель идеализированной асинхронной машины (с синусоидальным распределением магнитной индукции в воздушном зазоре), изготовить обмотки которой не представляется возможным. Основой представленного в статье метода расчета стал метод проводимостей зубцовых контуров, разработанный на кафедре электрических машин ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет "МЭИ"». В отличие от данного метода, в работе были использованы не абсолютные, а относительные величины магнитных потоков, что принципиально улучшило возможности метода. Для относительных величин не требуется дополнительное рассмотрение точной картины магнитного поля зубца и соседних пазов, поскольку данные картины для всех зубцов машины отличаются только величиной. Целью расчетов стал не традиционный гармонический анализ распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины, а уточнение уравнений модели электрической машины. Исследователи векторного управления использовали только функцию cos(d) как величину коэффициента взаимной магнитной связи между обмотками. Результаты исследования. Был разработан способ учета конструкции обмоток реальной машины путем использования (воображаемой) измерительной обмотки, имеющей такую же конструкцию, что и реальная фазная обмотка. Расчет относительных магнитных потоков этой обмотки, которая может помещаться в позицию любой из обмоток машины, позволил рассчитать реальные величины коэффициентов магнитной связи обмоток и найти поправочные функции к модели идеализированной машины. Моделирование в MATLAB показало, что предложенное уточнение модели идеализированной машины делает электромагнитные процессы подобными процессам реальных машин. Обсуждение и заключения. Важно, что применение предложенных поправочных функций не требует переработки созданных ранее систем векторного управления. Данные функции также уточняют преобразования Парка и Кларк. Модель электрической машины становится более точной, a процессы в ней - соответствующими процессам в реальной машине; появляются возможности для более верного управления электрической машиной.
Проектирование структуры технологических процессов на основе синтеза
Калякулин Сергей Юрьевич, Кузьмин Владимир Владимирович, Митин Эдуард Валерьевич, Сульдин Сергей Петрович, Тюрбеева Татьяна Борисовна
Стр. 77 — 84
Введение. Процесс автоматизации проектирования структуры технологических процессов достаточно сложен в виду множества разработанных, но слабо формализованных правил проектирования и динамичности схем их применения. Вследствие этого разработанные в настоящее время системы используют эвристические алгоритмы формирования структур. Целью работы является повышение уровня проектирования структуры технологических процессов на основе синтеза при решении задачи выбора конструкторско-технологических баз. Материалы и методы. В основе полученных научных результатов лежат фундаментальные положения теории базирования, технологии машиностроения, теории графов, теории моделей, методологии проектирования ТП механической обработки, логики предикатов и исчисления высказываний. Результаты исследования. Установлены связи между параметрами структуры технологических процессов и выбором конструкторско-технологических баз. Описана математическая постановка задачи оптимизации выбора конструкторско-технологических баз при решении задачи на графе и выбором конструкторско-технологических баз. Описана математическая постановка задачи оптимизации выбора конструкторско-технологических баз при решении задачи на графе. Обсуждение и заключения. Задачи, решенные в данной статье, позволяют сделать шаг к повышению уровня проектирования структуры технологических процессов на основе синтеза при выборе конструкторско-технологических баз. Реализация в системах автоматизированного проектирования технологических процессов описанной в статье задачи позволит повысить общий уровень автоматизации проектирования данных процессов проектирования структуры технологических процессов на основе синтеза при выборе конструкторско-технологических баз. Реализация в системах автоматизированного проектирования технологических процессов описанной в статье задачи позволит повысить общий уровень автоматизации проектирования данных процессов.
Анализ угроз информационной безопасности протоколов и систем управления освещением
Ивлиев Сергей Николаевич, Крылова Светлана Львовна, Шиков Станислав Александрович
Стр. 85 — 94
Введение. В статье рассматриваются возможные угрозы в сфере информационной безопасности при использовании PLC-технологий (power line communications). Подобные технические решения дают возможность управления и обратной связи с управляемыми устройствами, однако данные технологии не соответствуют необходимому уровню информационной безопасности. В статье предлагаются пути решения данной проблемы. Материалы и методы. Рассмотрены объекты и методы исследования; указаны проводимые исследования и список решаемых задач, проведен анализ угроз информационной безопасности. Результаты исследования. Приводится общая модель информационной системы, а также модель угроз для системы управления освещением по протоколу Dali. Обсуждение и заключения. Были сделаны выводы по уязвимостям рассмотренных примеров. Даны общие рекомендации о необходимых действиях по увеличению уровня безопасности в сегменте протоколов управления освещением. Был составлен список минимальных объемов мероприятий по обеспечению безопасного функционирования систем освещения: идентификация и аутентификация субъектов доступа и объектов доступа; управление доступом субъектов доступа к объектам доступа; ограничение программной среды; защита машинных носителей информации; регистрация событий безопасности; антивирусная защита; обнаружение вторжений и др.
Проектирование прототипа системы автоматизации деятельности совета многоквартирного дома в жилищно-коммунальной сфере
Фирсова Светлана Анатольевна, Тепаева Татьяна Евгеньевна
Стр. 95 — 119
Введение. Низкое качество работы предприятий жилищно-коммунальной отрасли и услуг, предоставляемых ими, является одной из наиболее острых социальных проблем в современной России, тормозящих развитие экономики. Для предотвращения злоупотреблений в жилищно-коммунальной сфере в соответствии с Жилищным кодексом Российской Федерации собственники помещений могут избрать Совет многоквартирного дома, который осуществляет контроль за оказанием услуг и выполнением работ по управлению многоквартирным домом, а также представляет интересы жильцов. Выполнение поставленных перед Советом задач будет существенно упрощено и более эффективно при использовании современных программных систем, предназначенных для автоматизации деятельности в жилищно-коммунальной сфере. В связи с этим разработка, реализация и внедрение подобных систем является актуальной задачей. Материалы и методы. В исследовании использовались поквартирные данные из квитанций на оплату жилищно-коммунальных услуг, а также информация, предоставляемая Государственной информационной системой жилищно-коммунального хозяйства. При создании прототипа программной системы был использован комплекс технологий и инструментов, состоящий из объектно-ориентированного языка Ruby, фреймворка Ruby on Rails, реляционной системы управления базами данных PostgreSQL, шаблонизатора Slim, расширения CSS Sass. Результаты исследования. Был разработан прототип программной системы для автоматизации деятельности Совета, рассмотрена реализация дополнительных возможностей, не предусмотренных в подобных российских и зарубежных системах. Обсуждение и заключения. Практическая значимость разработанного прототипа программной системы заключается в соответствии реализованных в нем функций целям и задачам, стоящим перед Советом и его председателем согласно ЖК РФ, а также применимости к решению других проблем, возникающих в ходе деятельности Совета.
Моделирование и прогнозирование показателей эффективности образовательной деятельности высшего учебного заведения
Яндыбаева Наталья Валентиновна
Стр. 120 — 136
Введение. Для контроля эффективности образовательной деятельности вузов проводится ежегодный мониторинг. Министерством образования и науки Российской Федерации были установлены порядок проведения данного мониторинга и 8 пороговых значений показателей эффективности. Если более 4 показателей окажутся ниже данных значений, вуз лишается права на осуществление образовательной деятельности или реформируется. В настоящее время отсутствует специализированное программное обеспечение для осуществления оперативного управления показателями эффективности. Целью исследования является разработка математических моделей, методов и программ для моделирования и прогнозирования показателей эффективности образовательной деятельности вуза. Материалы и методы. Разработан комплекс математических моделей, состоящий из модели системной динамики и регрессионной модели. В качестве моделируемых переменных использовались базовые показатели эффективности: образовательная деятельность вуза, научно-исследовательская деятельность, международная деятельность, финансово-экономическая деятельность, заработная плата профессорско-преподавательского состава, трудоустройство выпускников, контингент студентов, дополнительные показатели образовательных организаций. Выполнена проверка адекватности разработанных математических моделей с помощью фактических значений показателей эффективности. Приведено описание численного метода решения системы дифференциальных уравнений с помощь «ручного» интегрирования с применением рекуррентной трехшаговой процедуры с интуитивным выбором шага. Данный метод основан на методе Рун-ге-Кутты 4-го порядка точности. Результаты исследования. Показан пример расчета прогнозных значений показателей эффективности Балаковского филиала ФГБОУ ВО «РАНХиГС» на временном интервале [0; 3] года с использованием разработанного математического обеспечения. Описана процедура вычисления квадратичного критерия, применяемого для оперативного управления показателями эффективности. Величина данного критерия определяется с помощью метода Симпсона и искусственной реккурент-ной нейронной сети Элмана, что позволяет повысить точность вычислений. Приведена структурная схема взаимодействия пользователей с программным модулем в процессе мониторинга. Обсуждение и заключения. Разработанное математическое и программное обеспечение может использоваться для прогнозирования показателей эффективности образовательной деятельности вуза при осуществлении мониторинга, что существенно снижает вероятность возникновения критических ситуаций. Оперативное управление показателями эффективности проводится с помощью варьирования значений квадратичного критерия.