Warsztaty Doktoranckie 2012

Warsztaty Doktoranckie

WD 2012

oraz letnia szkoa metod numerycznych

Lublin 09 11 lipca 2012

Autorem logo jest Student IMUZ Piotr Kukieka

Organizowane przez:

Politechnika

Lubelska Wydzia Elektrotechniki

i Informatyki

Instytut Elektrotechniki Warszawa

Akademia Grniczo Hutnicza

Wydzia Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki

i Elektroniki

Pod patronatem Lubelskiego Oddziau Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej

Warsztaty Doktoranckie 2012

ii

autor: student WEiI PL Mariusz Kura


iii

Spis treci

1. STABILIZACJA WAHADA ODWRCONEGO Z NAPDEM INERCYJNYM PRZY POMOCY REGULATORA LQR .................................................................... 11

2. OCHRONA KATODOWA ZBIORNIKW PODZIEMNYCH PRZED KOROZJ 13

3. METODA ZBIORW POZIOMICOWYCH W TOMOGRAFII IMPEDANCYJNEJ

...................................................................................................................................... 15

4. ANALIZA PORWNAWCZA OPACALNOCI INWESTYCJI W RDA ENERGII ODNAWIALNEJ ........................................................................................ 17

5. ZASTOSOWANIE MULTIMODALNEJ KLASYFIKACJI W ROZPOZNAWANIU STANW EMOCJONALNYCH NA PODSTAWIE MOWY SPONTANICZNEJ .. 18

6. IDENTYFIKACJA SYSTEMW NIELINIOWYCH PRZY POMOCY

JDROWEGO ALGORYTMU LMS Z OGRANICZENIEM ZASOBW ............... 21

7. WPYW RODOWISKA OBLICZENIOWEGO NA WYDAJNO ALGORYTMU

ODWRACANIA MACIERZY .................................................................................... 23

8. INTELIGENTNY SYSTEM PRZYWOAWCZY ..................................................... 25

9. ROZSZERZONY FILTR KALMANA JAKO ESTYMATOR STANU W

UKADZIE WAHADA ODWRCONEGO Z NAPDEM INERCYJNYM ......... 27

10. SYSTEM POMIAROWY DO WIELOKANAOWEJ REJESTRACJI SYGNAW

NEURONOWYCH METOD INVIVO ..................................................................... 29

11. PORWNANIE FUNKCJI OCENY SEGMENTACJI W KONTEKCIE METODY

REDUKCJI NADSEGMENTACJI OBRAZW BARWNYCH ................................ 31

12. KOMPARATOR DO NADAWANIA ZNACZNIKW CZASOWYCH W UKADACH ODCZYTOWYCH DLA DETEKTORW PASKOWYCH ............... 33

13. METODY STOSOWANE W BADANIACH NIENISZCZCYCH .......................... 35

14. FSI - SYSTEM ELEKTRONICZNEGO STEROWANIA BEZPOREDNIM

WTRYSKIEM BENZYNY .......................................................................................... 38

15. ASIC IMPLEMENTATION OF HIGH EFFICIENCY 8-BIT OCTALYNX RISC MICROPROCESSOR .................................................................................................. 40

16. THERMAL ANALYSIS OF CMOS VOLTAGE-CONTROLLED OSCILLATORS 42

17. WPYW CZASU ODPOWIEDZI NEUROSTEROWNIKA NA JAKO

REGULACJI ................................................................................................................ 44

18. CONSTRUCTION AND VERIFICATION OF MATHEMATICAL MODEL OF

MASS SPECTROMETRY DATA .............................................................................. 46

19. WPYW ZWILALNOCI WYSOKOTOPLIWEGO PODOA NA JAKO WARSTW MIEDZIANYCH WYTWARZANYCH METOD POREDNIEGO

GRZANIA OPOROWEGO PRZY OBNIONYM CINIENIU ................................ 49


iv

20. MODELOWANIE I ANALIZA POLA MAGNETYCZNEGO W NIETYPOWYCH

UKADACH WSPRZDNYCH ........................................................................... 51

21. WYZNACZANIE WSPCZYNNIKA ABSORPCJI WACIWEJ W CZASIE RDMISZOWEJ HIPERTERMII MIKROFALOWEJ ................... 54

22. WYKORZYSTANIE FILTRU CZSTECZKOWEGO W PROBLEMIE IDENTYFIKACJI ........................................................................................................ 57

23. MODELOWANIE I BADANIA SYMULACYJNE HYDRAULICZNEGO UKADU ZAPEWNIENIA STATECZNOCI POJAZDU ......................................................... 60

24. PROJEKT 7-BITOWEGO NISKOMOCOWEGO PRZETWORNIKA A/C W

TECHNOLOGII SUBMIKRONOWEJ O MAEJ POWIERZCHNI DO

ZASTOSOWA WIELOKANAOWYCH ............................................................... 62

25. PROJEKT UKADU ELEKTRONIKI FRONT-END DO ODCZYTU DETEKTORW PIKSELOWYCH OPARTY NA INWERTERACH ....................... 64

26. ANALIZA SZUMOWA KANAU ODCZYTOWEGO PRZEZNACZONEGO DO WIELOKANAOWYCH UKADW SCALONYCH DEDYKOWANYCH DO

EKSPERYMENTW NEUROBIOLOGICZNYCH .................................................. 67

27. ANALIZA PORWNAWCZA PANELU FOTOWOLTAICZNEGO I DACHWKI

SOLARNEJ W ZASTOSOWANIU DO BUDOWNICTWA JEDNORODZINNEGO

...................................................................................................................................... 70

28. ZASTOSOWANIE REGULATORA PID DO STEROWANIA MANIPULATOREM

Z NAPDEM ELEKTROHYDRAULICZNYM O RWNOLEGEJ KINEMATYCE

...................................................................................................................................... 73

29. PRZEGLD METOD DO SYNCHRONIZACJI Z SIECI (PLL) DLA PRZEKSZTATNIKW ENERGOELEKTRONICZNYCH .................................... 75

30. METODA TWORZENIA MODELU ZIEMSKIEGO POLA MAGNETYCZNEGO ZOPTYMALIZOWANEGO DLA OBSERWATORA ORIENTACJI SATELITY ... 78

31. COMPARISON OF DECAY FUNCTION AND MAPPED INFINITE BOUNDARY

ELEMENTS USAGE IN OPTICAL MAMMOGRAPHY .......................................... 80

32. ALGORYTMY METAHEURYSTYCZNE I OPTYMALIZACYJNE W

REKONSTRUKCJI KONDUKTANCJI SIATEK REZYSTORW .......................... 82

33. WPYW KLASY CZYSTOCI CIECZY NA ZJAWISKO EROZYJI KRAWDZI STERUJCYCH SUWAKA SERWOZAWORU ....................................................... 85

34. CAKOWANIE SYMBOLICZNE W METODZIE ELEMENTW BRZEGOWYCH FOURIERA .................................................................................................................. 88

35. ELECTRONIC AIDS FOR BLIND PEOPLE OVERVIEW .................................... 90

36. METODA KLASYFIKACJI OBRAZW USG TARCZYCY

Z WYKORZYSTANIEM INDUKCJI DRZEW DECYZJI ........................................ 93

37. WIZUALIZACJA PARAMETRW ANTEN SYMULOWANYCH PROGRAMEM NEC-2 ........................................................................................................................... 95

38. RODOWISKO LABVIEW W SYMULACJI WIRTUALNEGO MOSTKA WHEATSTONE`A ...................................................................................................... 97

39. STEADY STATE SYMBOLIC COMPUTATION IMPLEMENTATION IN C++ 99


v

40. ON CEREBROSPINAL FLUID SEGMENTATION FROM CT BRAIN SCANS

USING INTERACTIVE GRAPH CUTS .................................................................. 102

41. ZASTOSOWANIE JEDNOWIZKOWEGO DYNAMICZNEGO MIESZANIA JONOWEGO DO MODYFIKACJI STYKW APARATW ELEKTRYCZNYCH

.................................................................................................................................... 104

42. ZASTOSOWANIE METOD POZIOMICOWYCH DO PRZETWARZANIA OBRAZW MEDYCZNYCH .................................................................................. 106

43. TOMOGRAF POJEMNOCIOWY DO ZASTOSOWA PRZEMYSOWYCH II .................................................................................................................................... 108

44. WPYW TEMPERATURY POARU NA WARTO NAPICIA ZASILAJCEGO URZDZENIA ELEKTRYCZNE ORAZ SKUTECZNO

OCHRONY PRZECIWPORAENIOWEJ URZDZE, KTRE MUSZ

FUNKCJONOWA W CZASIE POARU .............................................................. 110

45. SYMULACJA WYBRANYCH UKADW BEZPRZEWODOWEGO PRZESYU ENERGII ELEKTRYCZNEJ ..................................................................................... 119

46. TEMPERATURE MEASURING DEVICE BASED ON THIN FILM

THERMORESISTORS .............................................................................................. 121

47. WEIGHTED LEAST-SQUARES POLYNOMIAL APPROXIMATION EMPLOYED TO RH SENSORS CALIBRATION POINTS ......................................................... 123

48. ANALIZA ROZWIZA ZWIZANYCH Z JZYKAMI MODELOWANIA DLA

URZDZE MOBILNYCH POD KTEM INTERAKCJI UYTKOWNIKA Z

APLIKACJ .............................................................................................................. 125

49. WPYW NASYCENIA OBWODU MAGNETYCZNEGO NA PARAMETRY MODELU OBWODOWEGO MASZYNY SYNCHRONICZNEJ Z MAGNESAMI

TRWAYMI .............................................................................................................. 127

50. PORWNANIE WYBRANYCH METOD OKRELENIA OBSZARU POMIENIA

W WIZYJNYM SYSTEMIE DIAGNOSTYCZNYM .............................................. 129

51. 4 KANAOWY MODU LED DO SYSTEMU WSPOMAGAJCEGO ROZWJ ROLIN ..................................................................................................................... 131

52. WPYW WARUNKU BRZEGOWEGO DIRICHLETA NA SZYBKO I STABILNO ROZWIZA, PODCZAS MODELOWANIA PRDW

WIROWYCH ELEKTRYCZNYM POTENCJAEM SKALARNYM .................... 133

53. VIBRATING BRACELET INTERFACE FOR BLIND PEOPLE ............................ 135

54. WPYW IMPLEMENTACJI MODELU PRZEJCIA I MODELU POMIAROWEGO NA DZIAANIE FILTRU CZSTECZKOWEGO .................................................. 137


vi


vii

autor: student WEiI PL Mariusz Kura

Statystyka

lp Uczelnia Liczba uczestnikw

1 Politechnika Lubelska 16

2 Akademia Grniczo-Hutnicza 16

3 Instytut Elektrotechniki - Warszawa 5

4 Politechnika Poznaska 13

5 Politechnika dzka 3

6 Politechnika Warszawska 2

7 Uniwersytet Zachodniopomorski w Szczecinie 1

8 Politechnika lska 1

9 Wysza Szkoa Zarzdzania i Administracji w Zamociu 1

czna liczba artykuw 54*)

*)W tej tabeli prace autorw z rnych instytucji zaliczane s do kadej z nich.


8

Warsztaty Doktoranckie

WD i IIPhDW

W ramach studiw doktoranckich odbywaj si przemiennie krajowe Warsztaty

Doktoranckie (WD) i midzynarodowe Warsztaty Doktoranckie (IIPhDW) od

roku 2008.

Organizatorami warsztatw s: Instytut Elektrotechniki w Warszawie, Politechnika Lubelska oraz

Akademia Grniczo Hutnicza.

Kazimierz Dolny nad Wis 2008 Krynicy Grskiej czerwiec 2009


9

Lublin 2010

Zielona Gra - 2011


10


11

STABILIZACJA WAHADA ODWRCONEGO Z NAPDEM INERCYJNYM

PRZY POMOCY REGULATORA LQR

Adam Owczarkowski1, Jarosaw Goliski

2

1,2Politechnika Poznaska, Wydzia Elektyczny

Streszczenie. Praca jest na temat stabilizacji obiektu zwanego wahadem odwrconym z napdem inercyjnym IWP (ang. Interia Wheel Pendulum). Jest to

nieliniowy ukad mechaniczny w postaci wahada odwrconego skadajcego si z masztu i koa zamachowego umieszczonego na szczycie napdzanego silnikiem prdu staego. Autorzy zaproponowali stabilizacj przy pomocy regulacji LQR, ktra do funkcjonowania wymaga linearyzacji i dyskretyzacji

rwna matematycznych obiektu. Wykonano dziaania symulacyjno-eksperymentalne potwierdzajce poprawno dziaania proponowanej metody. Sowa kluczowe: wahado odwrcone, regulacja liniowo-kwadratowa LQR, system nieliniowy, sterowanie optymalne, wahado z napdem inercyjnym IWP

Stabilization control for the interia wheel pendulum based on LQR controller

Abstract. Work is about stabilizing the inverted pendulum object called IWP (Inertia Wheel Pendulum). It is a non-linear mechanical system in the form of an inverted pendulum containing a flywheel mounted on top accelerated by DC motor. The authors suggested stabilization by LQR control, which requires

the linearization and discretization of the mathematical equations of the object.Simulation and experiment have confirmed proper operation of the proposed

method.

Keywords: LQR (Linear Quadratic Regulator), IWP (Inertia Wheel Pendulum), optimal control, underactuated system, non-linear system, inverted pendulum

Wstp Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony schemat

budowy wahada odwrconego z napdem inercyjnym IWP

(ang. Interia Wheel Pendulum). Skada si z masztu

przytwierdzonego do podoa przy pomocy przegubu

obrotowego i masy wirujcej umieszczonej na szczycie, ktr

napdza silnik prdu staego. Posiada dwa stopnie swobody (kt

i ) i jedno wymuszenie co sprawia, e ukad ten nazywany

jest underactuated system. Celem ukadu regulacji jest

utrzymywanie wahada w pozycji pionowej poprzez

generowanie odpowiedniego momentu rozpdzajcego bd

hamujcego koo zamachowe. Problemem jest fakt, i

stabilizujce wymuszenie wystpuje w skoczonym horyzoncie

czasowym, poniewa z fizycznego punktu widzenia nie jest

moliwe rozpdzanie koa bez koca.

Rys. 1. Rysunek pogldowy przedstawiajcy wahado odwrcone.

Autorzy zaproponowali sterowanie przy pomocy

regulatora liniowo-kwadratowego LQR.

Na koniec przedstawiono wyniki dziaania w obiekcie

rzeczywistym stworzonym na potrzeby wykonania bada.

1. Model matematyczny Chcc wyznaczy sterowanie proponowan metod

naleao najpierw wyprowadzi dokadny model matematyczny.

Poniewa ukad ma dwa stopnie swobody, to do penego opisu

matematycznego wymagane s ponisze dwa rwnania:

rk

cps

II

mglbbik

sin (1)

k

s

I

bik

(2)

gdzie: ks staa silnika, b wspczynnik tarcia przegubu, b -

wspczynnik tarcia koa zamachowego, g

przyciganie ziemskie, - kt odchylenia masztu od

pionu, - kt obrotu koa zamachowego, Ik - moment

bezwadnoci koa zamachowego, Ir - moment

bezwadnoci caego wahada, lp - dugo masztu, i -

prd pyncy przez silnik, mc - masa cakowita.

2. Linearyzacja Regulacja LQR wymaga linearyzacji i dyskretyzacji

rwna stanu. W procesie linearyzacji skorzystano z macierzy

Jacobiego macierzy kolejnych pochodnych

czstkowych.Rwnania stanu, ktre wykorzystano w trakcie

regulacji wygldaj nastpujco:

i

I

k

II

kx

I

b

II

b

II

b

II

mglx

k

s

rk

s

k

rkrkrk

cp

0

00

010

, (3)

xy

100

010

001. (4)

3. Dyskretyzacja rwna Rwnania stanu w postaci dyskretnej wygldaj

nastpujco:

kdkdk

uBxAx 1

, (5)

kdkdk

uDxCy (6)

gdzie: k - oznacza numer prbki, Al, Bl, Cl i Dl to macierze dyskretnego rwnania stanu.

Taka posta rwna upraszcza implementacj ich w systemie

mikroprocesorowym. Zastosowano metod przyblion

wyznaczania macierzy rwnania stanu [4].

4. Regulator LQR Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy ukadu

regulacji z regulatorem LQR [1][7][8].

Rys. 2. Schemat blokowy ukadu regulacji z regulatorem LQR.


12

Jak wida tego typu regulator jako sprzenie zwrotne

wykorzystuje cay wektor stanu x. Celem regulatora jest

ustabilizowanie masztu w pooeniu pionowym i zatrzymania

koa zamachowego. Regulator ten za pomoc rwnania

Riccatiego wyznacza sterowanie optymalne w postaci wektora

wzmocnie K.

5. Wyniki symulacji Badania symulacyjne dokonano w rodowisku Matlab.

One pozwoliy wyznaczy wektor wzmocnie K, ktry jest

rwny:

13.020.604.43 K . (7)

Te wartoci mona wyznaczy znajc parametry obiektu i

wielkoci Q i R.

6. Wyniki eksperymentalne Na potrzeby bada zosta sporzdzony realny obiekt IWP,

ktry przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Widok obiektu zrealizowanego fizycznego.

Jednostk wykonawcz by niskoobrotowy silnik prdu staego.

Koo zamachowe wykonano ze zwykej stali, a wikszo

pozostaych elementw z aluminium. Do pomiaru pooenia

kontowego koa uyto enkoder inkrementalny posiadajcy 1800

impulsw na obrt. Zastosowano jednostk IMU (ang. Inertial

Measurement Unit) ADIS16355 firmy Analog Devices do

pomiaru odchylenia wahada od pionu. Zawiera ona trzyosiowy

akcelerometr i trzyosiowy yroskop. Na koniec estymowano

stan z pomoc rozszerzonego filtru Kalmana. Do zbierania

danych z czujnikw wykorzystano mikroprocesor ARM.

Nastpnie dane te kierowano do komputera klasy PC, w ktrym

dokonywano wszystkich oblicze.

Cay zrealizowany system automatycznej regulacji by w

stanie stabilizowa wahado w nieskoczonym horyzoncie

czasowym. Byo moliwe zakcanie ukadu, a tym samym

wychylanie go do 15 stopni.

7. Wnioski Poprawno rozwaania teoretyczno-symulacyjnych

zostaa udowodniona pozytywnym wynikiem eksperymentu.

Analitycznie wyznaczony wektor wzmocnie K, okaza si by

docelowym.

Regulator LQR dobrze nadaje si do stabilizacji obiektw

z natury nieliniowych. Jest moliwe poprawne funkcjonowanie

ukadu wok punktu linearyzacji, zwanej czsto ILQR (ang.

Iterative Linear Quadratic Regulator) [2][3].

Wejcie w stan nasycenia nie powoduje komplikacji w

procesie sterowania. Nie s wymagane dodatkowe kompensacje

uruchamiane w tego typu momentach.

Regulacja LQR pozwala zapanowa nad caym stanem

ukadu, co uatwia proces projektowania regulatora.

Literatura [1] Horla D., Sterowanie adaptacyjne wiczenia laboratoryjne, Wyd. III,

Wydawnictwo Politechniki Poznaskiej, Pozna 2010

[2] In-Won P., Bum-Joo L., Ye-Hoon K., Ji-Hyeong H. and Jong-Hwan K.,

Multi-objective Quantum-inspired Evolutionary Algorithm-based Optimal

Control of Two-link Inverted Pendulum, WCCI 2010 IEEE World Congress

on Computational Intelligence, July, 18-23, 2010 CCIB, Barcelona, Spain

[3] Li W. and Todorov E., Iterative linear quadratic regulator design for

nonlinear biological movement systems, in Proc. of Int. Conf. on

Informatics in Control, Automation and Robotics, Setubal, Portugal, Aug.

2004, pp. 18.

[4] Sauer P., Sterowanie procesami cigymi i dyskretnymi liniowe dyskretne

rwnania stanu, wykady, Politechnika Poznaska.

[5] Wang H., Dong H., He L., Shi Y., Zhang Y., Design and Simulation of

LQR Controller with the Linear Inverted Pendulum, International

Conference on Electrical and Control Engineering, China, 2010

[6] Yishao Z., Convergence of the Discrete-Time Riccati Equation to Its

Maximal Solution, Department of Mathematics Stockholm University,

Sweden, December 1996

[7] Zhang W., Hu J., On the Value Functions of the Optimal Quadratic

Regulation Problem for Discrete-Time Switched Linear Systems, 47th IEEE

Conference on Decision and Control, Cancun, Mexico, Dec. 9-11, 2008

[8] Zhang W., Hu J., Abate A., On the Value Functions of the Discrete-Time

Switched LQR Problem, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 54,

no. 11, November 2009

[9] Zhang B.,Wang J. G., The Analysis and Simulation of First-Order Inverted Pendulum Control System Based on LQR, Third International Symposium

on Information Processing, China, 2010

__________________________________________________________________

mgr in. Adam Owczarkowski

e-mail:

[email protected]

W 2011 roku ukoczy studia o kierunku Automatyka

i Robotyka na Wydziale Elektrycznym Politechniki

Poznaskiej. Od tego czasu, jest studentem studiw

doktoranckich na tej samej uczelni. Jego praca

gwnie skupia si na sensoryce opartej o technologi

MEMS, algorytmach sterowania robotw i

implementacji ich w systemach wbudowanych z

ukadami FPGA.

mgr in. Jarosaw Goliski

e-mail:

[email protected]

Ukoczy studia z tytuem magister inynier na

Politechnice Poznaskiej (2011). Od tego czasu, jest

studentem studiw doktoranckich na tej samej uczelni.

Zajmuje si gwnie sterowaniem robotw latajcych

(UAV), identyfikacj parametrw modelu oraz

obserwatorami stanu. Jego zainteresowania skupiaj

si rwnie w obszarze algorytmu roju, formowania

grup jednostek latajcych oraz ukadw cybernetyczno

fizycznych.


13

OCHRONA KATODOWA ZBIORNIKW PODZIEMNYCH PRZED

KOROZJ

Agnieszka Wantuch

AGH, Akademia Grniczo-Hutnicza w Krakowie, Wydzia EAIiE

Streszczenie. Niniejszy artyku opisuje metod obliczania gstoci prdu i potencjau w obrbie konstrukcji metalowych znajdujcych si w ziemi. Ochrona

antykorozyjna stalowych zbiornikw jest osigana dziki wykorzystaniu elektrod ochronnych. Symulacj wykonano w przestrzeni 3D.

Sowa kluczowe: korozja, ochrona katodowa

Sacrificial Cathodic Protection of Underground Objects

Abstract. The present article describes the method of computation of the current density and potential distribution around metallic structures buried in soil.

Protection against corrosion of the steel tank is attained by placing protecting electrode. The simulation was performed in 3D.

Keywords: corrosion, cathodic protection

Wstp Stal, dziki swoim waciwociom oraz stosunkowo

niskiej cenie, jest jednym z materiaw, ktre s

najczciej wykorzystywane w technice. Jednak poza

wieloma zaletami, posiada take dwie zasadnicze wady:

wikszo swoich cech mechanicznych traci w wyszych

temperaturach oraz nie jest odporna na korozj. Dlatego

koniecznym jest stosowanie ochrony przed korozj,

majcej na celu przede wszystkim zapewnienie

bezpiecznych warunkw eksploatacji i niezawodnoci

struktur metalowych. Zapobiega uszkodzeniom, ktre

mog zagraa ludziom i rodowisku.

Badania nad korozj wykazay, e najczciej

przebiega ona wedug mechanizmu elektrochemicznego i

chemicznego. Szybko korozji oglnej w ziemi i w

wodach naturalnych szacowana jest na poziomie 0,01

0,02 mm/rok [2].

Proces korozji mona zapisa reakcj chemiczn [1]: 2

2

2 2 2

Fe 2H Fe H

2Fe+O +2H O= 2Fe(OH)

W rodowisku obojtnym, powstajce aniony OH

cz si z kationami Fe2+ i powstaje Fe(OH)2, ktry

wytrca si w postaci osadu. Dalsze utlenienie Fe(OH)2

prowadzi do powstania hydratw Fe2O3nH2O,

tworzcych osad o charakterystycznym rdzawym

zabarwieniu.

Jedn z podstawowych prac z zakresu modelowania

korozji przemiennoprdowej jest artyku Nielsena i

Cohna [6], w ktrym przedstawiono zastpczy schemat

korodujcego ogniwa.

1. Ochrona przed korozj W procesie korozji wyrniamy dwa rodzaje reakcji

elektrochemicznych: anodow i katodow. Najwaniejsze

reakcje katodowe zwizane s z pojawianiem si H2 w

roztworach elektrolitw.

+ -

2

- -

2 2

2H +2e H

2H O+2e H +2OH

7ph

7ph

Zalenie od rodzaju korozji oraz charakteru

chemicznego czynnikw korozyjnych istnieje wiele

sposobw jej zapobiegania lub przynajmniej

zmniejszania skutkw. Za jedn z najbardziej

skutecznych metod ochrony przeciwkorozyjnej stali w

rodowiskach naturalnych uznawana jest ochrona

elektrochemiczna, wykorzystujca sposoby galwaniczne i

elektrolityczne. Najczciej stosowan metod

przeciwdziaania korozji jest ochrona katodowa, ktra

moe by stosowana do ochrony przed korozj wszelkich

obiektw metalowych oraz ze stopw, nawet czciowo

zniszczonych procesami korozyjnymi, znajdujcych si w

wodnym elektrolicie. Umoliwia ona zahamowanie

dalszych procesw korozyjnych i utrzymanie stabilnego

stanu w przyszoci.

Na rysunku 1 przedstawiono schemat ochrony katodowej, ktr mona realizowa na dwa sposoby:

wykorzystujc anod protektorow lub zewntrzne rdo

prdu (napicia). W pierwszym przypadku chroniony

przedmiot jest katod ogniwa galwanicznego, ktrego

anod stanowi metal mniej szlachetny. W drugim

przypadku pomocnicza anoda jest wykonana najczciej

z materiau nieulegajcemu roztwarzaniu (Pt, Pb, C, Ni).

a) b)

Rys. 1. Schemat ochrony katodowej metalowych konstrukcji

podziemnych: a) z uyciem elektrody protektorowej i b) z

wykorzystaniem zewntrznego rda prdu staego.

2. Podstawowe rwnania Rozkad potencjau w elektrolicie opisuje rwnanie:

div grad 0 (1)

Rwnanie to rozpatrujemy uwzgldniajc warunki

brzegowe Neumana i Dirichleta:

n

1i

n

(2)

dane

r

(3)

gdzie jest powierzchni elektrody. Rwnanie (1) razem z warunkami brzegowymi (2) i

(3) rozwizano metod elementw skoczonych [4].

Zjawisko przeniesienia adunku na granicy metal

dielektryk opisane jest za pomoc rwnania Butlera-

Volmera [3].

a k oa k

( ) exp expi i i i

(4)


14

gdzie: a

k(1 )

RT

nF

RT

nF

(5)

i0 gsto prdu wymiany [A/m2],

i gsto prdu na granicy metal-elektrolit,

V E0 nadpotencja danej elektrody [V], V potencja przeniesienia na elektrodzie korodujcej.

3. Obliczenia Trudnoci w projektowaniu ochrony katodowej przy

obecnoci zoonych struktur metalowych podziemnych

jest konieczno skoordynowania jej z ochron

odgromow oraz przeciwporaeniow. Zatem w ukadzie

takim stosuje sie rozwizania wywodzce si z koncepcji

lokalnej ochrony katodowej [5], zakadajcej, e

rurocigi poczone s z sieci uziemiajc oraz ze

zbrojeniami elbetu. W takiej sytuacji stosuje si ochron

prdem z zewntrznego rda.

W rozwaaniach uwzgldniono wystpowania w

bezporednim otoczeniu chronionego katodowo obiektu

innych metalowych przedmiotw i ich wpywu na

skuteczno jego ochrony, a przecie stosowanie tej

metody wie si z wystpowaniem tak zwanych prdw

bdzcych (rys. 2). Prdy te, pync przez metalowe

konstrukcje, zakcaj rozkad natenia pola

elektrycznego.

Rys. 2. Wystpowanie prdw bdzcych przy stosowaniu ochrony

katodowej.

Jako przykad do oblicze przyjto zbiornik

znajdujcy si pod ziemi, chroniony przed korozj

metod ochrony katodowej za pomoc dwch anod [7].

Przyjto nastpujce uproszczenia:

model izotermiczny i pod staym cinieniem,

przewodno materiau, z ktrego wykonane s

elektrody jest nieskoczenie dua,

charakterystyka polaryzacji dana rwnaniem Butlera-

Volmera.

Rys. 3. Geometryczne wymiary przykadowego problemu.

Konduktywno rury przyjto na poziomie 107 S/m,

natomiast przewodno ziemi 0,02 S/m. Zbiornik

wykonano z elaza, E0k 0,44 V, , a = k 0,2 V. Symulacje przeprowadzono dla dwch przypadkw:

1 brak metalowego obiektu w obrbie chronionego

zbiornika, 2 metalowy obiekt jest pooony poniej

zbiornika o 1 m.

Rysunki 4 i 5 przedstawiaj wykresy rozkadu gstoci

prdu oraz potencjau na obwodzie chronionej

konstrukcji. Wynika z nich, e pojawienie si

metalowego obiektu w obszarze, gdzie zastosowana jest

ochrona katodowa, powoduje wzrost wartoci gstoci

prdu chronicego zbiornik, a take wzrost napicia na

powierzchni ochronionego obiektu.

Rys. 4. Rozkad potencjau na

obwodzie chronionego zbiornika Rys. 5. Rozkad gstoci prdu

na obwodzie chronionego

zbiornika.

Prd wypywajcy z powierzchni metalowego

obiektu powoduje, e w tych miejsca nasili si korozja.

Dlatego w podobnych przypadkach, chronic jedn

konstrukcj, mona powodowa wzrost zjawiska korozji

na pobliskich metalowych obiektach. W przypadku, gdy

s to fragmenty pewnej wikszej instalacji, ochrona

katodowa moe stanowi dla niej powany problem.

Podobnie jak w przypadku ochrony z

wykorzystaniem anody galwanicznej, rwnie przy

ochronie z zewntrznym rdem prdu wida znaczcy

wpyw obiektu metalowego znajdujcego si w pobliu

chronionego obiektu na jako ochrony. Take

dodatkowy obiekt metalowy moe by naraony na

korozj.

Literatura [1] Praca zbiorowa: Ochrona elektrochemiczna przed korozj. Teoria i

praktyka, WNT, Warszawa 1991

[2] Dbrowski J., Mrwka M., Suwart C.: Specjalna stacja ochrony katodowej kompensujca oddziaywania prdw bdzcych, IX

Krajowa konferencja Polskiego Komitetu elektrochemicznej ochrony

przed korozj, 7-9.06.2006

[3] Jones, D.J.: Principles and prevention of corrosion, Mcmillan Publishing Company, N.Y., 1992

[4] Kurgan E., Soek M.: Distribution of the Corrosion Current Density in Inhomogeneous Soil, Proc. Internat. Conf. of Electromagnetic

Devices and Processes in Environment Protection, Naczw, 306-

315, 2003

[5] Markiewicz M., Zaborowska K.: Pomiary ochrony katodowej rurocigw na toczni gazu, Pomiary korozyjne w ochronie

elektrochemicznej, IX Krajowa Konferencja PKEOK, Zakopane, 7-

9. 06. 2006

[6] Nielsen L.V., Cohn P.: AC Corrosion and Electrical Equivalent Diagrams, CeoCor 2000, www.ceocor.lu, 1.03.2008

[7] Wantuch A.: Porwnanie oblicze trj- i dwuwymiarowych w analizie ochrony katodowej, IV Sympozjum PPEEm, Wisa 2011

Obwd metalowego obiektu [m]0 4 8 122 6 10

0.44000

0.44050

0.44100

0.44150

0.44200

0.44250

0.44025

0.44075

0.44125

0.44175

0.44225

Nap

ici

e na

pow

ierz

chn

i zb

iorn

ika

[V]

1

1

2

2

Obwd chronionego zbiornika [m]

Gs

to

pr

du

na

pow

ierz

chn

i zb

iorn

ika

[A/m

]2

0 4 8 122 6 10-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

-4

0.0

-3.5

-2.5

-1.5

-0.5

x10

1 1

2

2


15

METODA ZBIORW POZIOMICOWYCH W TOMOGRAFII

IMPEDANCYJNEJ

Bartosz Waleska

1, Jan Sikora

1,2

1Instytut Elektrotechniki, ul. Poaryskiego 28, 04-703 Warszawa 2Instytutat Elektroniki i Technik Informacyjnych, Wydzia Elektrotechniki i Informatyki, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 38 A, 20 618 Lublin

Streszczenie. W artykule zaprezentowano poczenie metody elementw brzegowych i metody zbiorw poziomicowych w poszukiwaniu

nieznanego ksztatu w elektrycznej tomografii impedancyjnej. Pokazane zostao jak wyznaczy prdko na symulowanym brzegu, jak j rozszerzy i wykorzysta do przesunicia brzegu jak rwnie w jaki sposb reinicjowa funkcj poziomicow, ostatecznie przedstawiono

przykad identyfikujcy trzy obszary niejednorodne przy wykorzystaniu zbioru poziomicowego zawierajcego wiele poziomic zerowych.

Sowa kluczowe: metoda elementw brzegowych, MEB, metoda zbiorw poziomicowych, elektryczna tomografia impedancyjna, analiza pola

Set level method in electrical impedance tomography

Abstract. In this paper was presented coupling BEM and Set Level methods for identification of unknown shape of interface in electrical

impedance tomography (EIT). Its shown how determinate velocity, how extend it, how use it to move interface and finally how to reset level

function, finally is presented example showing identification three areas of heterogeneous using multi zero levels function.

Keywords: Boundary Element Method, BEM, Set Level Methods, electrical impedance tomography, field analysis

Wstp

Badanie pola podzieli mona zasadniczo na dwa

zagadnienia. Pierwsze obejmuje analiz i wystpuje

wtedy, gdy poszukiwana jest informacja o rozkadzie

pola w danym obszarze. Drugie zwizane jest z

zagadnieniem zadania odwrotnego (ang. inverse

problem). Polega ono na wyznaczeniu np. ksztatu

obiektu przy znanym wspczynniku materiaowym. Na

brzegu (powierzchni) badanego obiektu zostaj

umieszczone elektrody. Poprzez polaryzacj pary z nich, wymusza si przepyw prdu przez obiekt, na

pozostaych elektrodach rejestruje si wartoci rozkadu

potencjau. Na podstawie uzyskanych wynikw

pomiarw za pomoc algorytmw dokonuje si

rekonstrukcji obrazu struktury wewntrznej.

4. Metoda Zbiorw Poziomicowych, niejednorodnoci strefowe

Metoda zbiorw poziomicowych (ang. LSM Level

Set Method) jest numeryczn metod przeznaczon do

ledzenia przesuwajcego si brzegu w kartezjaskim

ukadzie wsprzdnych bez koniecznoci jego

parametryzowania. Zastosowanie metody pozwala na

atwe ledzenie topologii brzegu, ktry dynamicznie si

zmienia [3].

Realizacj rekonstrukcji pola badanego obiektu

wykonano w oparciu o numeryczn Metod Elementw

Brzegowych (MEB, ang. Bounduary Element Method

BEM). Gwn zalet MEB jest dyskretyzacja jedynie

brzegu obszaru, co oznacza skrcenie czasu oblicze.

Przykad zoonej niejednorodnoci strefowej zosta

pokazany na rys. 1.

Przypadek przedstawiony na rysunku 1 mona opisa

ukadem rwna rniczkowych wykorzystujc funkcj

Greena:

Rys. 1 Przykad struktury niejednorodnej zoonej, wewntrz obszaru

1 ograniczonej brzegiem 1 znajduj si dwa obiekty

wewntrzne: 2 ograniczony brzegiem 2 oraz 3 ograniczony

brzegiem 3

(1) (1)(1) (1) (1)

(1) (1) (1) (1) (1) (1)1 2 3 1 2 3

(2) (2)(2) (2) (2)

(2) (2)

(3) (3)(3) (3) (3)

(3) (3)

Gc d G d

n n

Gc d G d

n n

Gc d G d

n n

(2)

Przy czym warto wspczynnika c :

1,

0.5,

0,

jeeli punkt ley wewntrzobszaru

c jeeli punkt ley na brzeguobszaru

jeeli punkt ley na zewntrzobszaru

(3)

Caki krzywoliniowe oznaczono nowymi zmiennymi:

ij

GA d

n

(4)

ijB Gd

(5)

Stosujc nowe oznaczenie:

,

,

ij

ij

ij i

A i jA

A c i j

(6)

Ukad rwna (2) mona zapisa w postaci macierzowej:


16

1

1

1 12

1 1 1 1 1 1

11 2 2 3 3

2 2 1

2 2 12

3 3 13 3 3

1

3

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0

nA A B A B

A B Bn

A B

n

(7) Rwnanie stanu wyraone jest przez rwnanie Laplacea:

2 0 (8) Rwnanie sprzone do rwnania stanu wyraone jest

przez rwnanie Poissona w postaci:

0u (9)

Przyjmujc warunki brzegowe:

1 2 30, (10)

Zapis macierzowy rwnania sprzonego jest

nastpujcy: 1

1

1

2

1 1 1 1 1 1

1 2 2 3 3

2 2

2 2 2

3 3 13 3 3

1

3

0 0 0 0

0 0 0 0

T

fA A B A B

A B n

A B

n

(11)

Przy czym warto f

wyznaczono jako rnic

potencjaw w poszczeglnych elektrodach w ukadzie

symulowanym i pomiarowym:

,

0,

ij iju dla elektrod napiciowych

dla elektrod prdowychf

(12)

Przy czym ij oznacza potencja wyliczony w trybie

symulacji w j -tej projekcji w i elektrodzie, analogicznie

uij oznacza potencja zmierzony w ukadzie

rzeczywistym w j -tej projekcji w i elektrodzie.

Ostatecznie prdko w kierunku normalnym w

poszczeglnych wzach na ruchomym brzegu 2 i 3

wyznaczono:

1 1

2, , 2, ,

p

n ni j i jjnVi p

(13)

5. Przykad numeryczny Na rysunku 2 przedstawiono zdjcie rentgenowskie

obrazujce trzy obszary niejednorodne objte

krwotokiem oraz na rysunku 4 odniesienie tych obszarw

jako struktury przeznaczonej do symulacji numerycznych

(zaznaczone niebiesk przerywan lini).

Do identyfikacji zaznaczonych niejednorodnoci

strefowych wykorzystano zbir poziomicowy

posiadajcy dziewi obiektw ograniczonych

poziomicami zerowymi (rysunek 3). Podczas badania

przyjto dyskretyzacj 16 elementow, powierzchni

obiektu do wyczenia ze zbioru poziomicowego

okrelono na 0,5.

Rys. 2 Zdjcie rentgenowskie obrazujce trzy obszary niejednorodne

objte krwotokiem

Rys. 3 Wygld zbioru poziomicowego z 9 poziomicami zerowymi

Na rysunkach 4 i 5 przedstawiono poszczeglne kroki

dziaania programu. W 300 kroku iteracji wystpujce

niejednorodnoci zostay wykryte.

Rys. 4 Krok 1 Rys. 54 Krok 300 koniec symulacji

Literatura [1] Berowski P.,Stasiak M. Sikora J.: Optymalne projektowanie ksztatu

metod zbiorw poziomicowych. Prace Instytutu Elektrotechniki, no.

233, pp. 2230, 2007.

[2] Chen W., Cheng J., Lin J., Wang L.: A level set method to reconstruct the discontinuity of the conductivity in EIT. Science in

China Series A: Mathematics, vol. 52, no. 1, pp. 2944, 2009.

[3] Fedkiw R., Osher S., Level Set Methods and Dynamic Implicit Surfaces, Springer-Verlag, Nowy Jork, 2003

[4] Jaboski P., Metoda elementw brzegowych w analizie pola elektromagnetycznego, Wydawnictwo Politechniki Czstochowskiej,

Czstochowa, 2003.

[5] Ito K., Kunisch K., Li Z.: Level-set function approach to an inverse interface problem. INVERSE PROBLEMS, no. 17, pp. 12251242

[6] Sikora J., Numeryczne metody rozwizywania zagadnie brzegowych: Podstawy metody elementw skoczonych i metody

elementw brzegowych, Politechnika Lubelska, Lublin, 2011.

[7] Sikora J., Algorytmy numeryczne w tomografii impedancyjnej i wiroprdowej, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej,

Warszawa, 2000

[8] Waleska B.: Analiza pola w strukturze niejednorodnej metod elementw brzegowych. Prace Instytutu Elektrotechniki, no. 238, pp.

121133, 2008

[9] Waleska B.: Coupling boundary element method and set level methods for interface problems. Informatyka, Automatyka, Pomiary

w Gospodarce i Ochronie rodowiska, no. 3, pp. 1723, 2011

Mgr in. Bartosz Waleska

e-mail: [email protected]

Absolwent wydziau elektrycznego Politechniki

Warszawskiej kierunku Automatyka i Robotyka. W

chwili obecnej, autor jest pracownikiem dziau

Badawczo-Rozwojowego duej polskiej firmy

zwizanej z przemysem petrochemicznym.

Uczestnik Studiw Doktoranckich Instytutu

Elektrotechniki w Midzylesiu.


15

ANALIZA PORWNAWCZA OPACALNOCI INWESTYCJI W

RDA ENERGII ODNAWIALNEJ

Damian Guchy1

1Politechnika Poznaska , Wydzia Elektryczny

Streszczenie. W pracy przedstawiono trzy rne typy instalacji opartych na rdach odnawialnych umoliwiajcych generacj energii

elektrycznej. Dokonano porwnania parametrw technicznych wybranych rozwiza. Wyznaczono warto uzyskanej energii elektrycznej w

czasie przewidywanego uytkowania instalacji generacyjnej. Sformuowano wady i zalety kadego rozwizania oraz zaproponowano przestrze typu obiektw, dla ktrych mona je wprowadzi do uytkowania.

Sowa kluczowe: panel fotowoltaiczny, analiza porwnawcza, instalacja PV

The Comparative analysis of the profitability of investments in the renewable energy source

Abstract. The paper presents three different types of installations based on renewable resources enabling generation of electricity. Made a comparison of the technical parameters of the selected solutions. The value of electricity generated during the anticipated use of the

generation plant. Formulated advantages and disadvantages of each solutions and proposed area for the object types which can be put

into use.

Keywords: photovoltaic panel, comparative analysis, PV installation

Wstp

Na przestrzeni ostatniego dziesiciolecia znaczenie

energii elektrycznej pozyskiwanej z odnawialnych rde

znacznie si zwikszyo. Wynika to przede wszystkim ze

wzrastajcego deficytu energetycznego na wiecie,

zwizanego z intensywnym rozwojem gospodarki.

Jednoczenie zauway mona silne naciski polityczno-

spoeczne, aby nowo wyprodukowana energia bya

bardziej ekologiczna. Tym samym wzrasta udzia

odnawialnych rde energii w rynku energetycznym. W

zalenoci od wyboru metody pozyskiwania energii,

rozway naley wszystkie wady i zalety danego

rozwizania.

W niniejszym artykule skupiono si na okreleniu

kluczowych czynnikw determinujcych opacalno

inwestycji, opartej na rnego rodzaju technologiach

ekologicznego pozyskiwania energii. Przeprowadzono

rwnie analiz ekonomiczn wybranych instalacji OZE

(odnawialnych rde energii).

1. Energetyka odnawialna w Polsce Naciski na wytwarzanie energii ze rde

odnawialnych s rwnie wane z punktu widzenia

ekologii jak ekonomii. Kurczce si zasoby paliw

kopalnianych zmuszaj poszczeglne pastwa do

rozwoju OZE. Tego typu prace ju teraz przynosz

znakomite efekty w postaci zwikszenia efektywnoci

generacji i spadku cen instalacji generacyjnych, co

przekada si na zwikszenie ich wykorzystania na

wiecie. Rwnie w Polsce (tabela 1) odnotowano wzrost

iloci energii oraz udziau OZE w sumarycznym zuyciu

energii elektrycznej.

Tabela 1. Udzia energii elektrycznej z OZE w krajowym zuyciu energii

elektrycznej brutto w latach 2005-2009 [1]

2005 2006 2007 2008 2009

Produkcja

energii

elektrycznej w

OZE [TWh]

3,761 4,222 5,230 6,447 8,594

Zuycie energii

elektrycznej w

Polsce [TWh]

145,7 150,8 154,0 153,4 149,5

Udzia energii

elektrycznej

wytworzonej w

OZE [%]

2,58 2,80 3,40 4,20 5,75

Odpowiada to polityce energetycznej, jak Polska

przyja do roku 2030. Zakada ona, e zwikszenie

uniezalenienia Polski od dostaw energii z zagranicy w

duym stopniu uzyskana zostanie poprzez rozwj

energetyki odnawialnej. Ponadto wykorzystanie OZE

zwikszy stopie dywersyfikacji rde energii oraz

stworzy warunki do rozwoju energetyki rozproszonej

opartej na lokalnie dostpnych surowcach. Stworzenie

wielu niewielkich jednostek wytwrczych, bdcych w

bliskim otoczeniu odbiorcy, nie tylko podniesie lokalne

bezpieczestwo energetyczne, ale przede wszystkim

zmniejszy straty przesyowe. Tym samym rozwj

energetyki odnawialnej ma istotne znaczenie dla

realizacji podstawowych celw polityki energetycznej

Polski [2,3].

2. Kryteria doboru i konfiguracji instalacji PV Rozpatrujc instalacje wyposaone w odnawialne

rda energii, naley uwzgldni wiele czynnikw

determinujcych dug i poprawn, a przede wszystkim

wydajn prac. Dobierajc elementy takiego ukadu,

oprcz okrelenia sposobu wykonania ogniw

fotowoltaicznych, naley uwzgldni pozostae czynniki

takie jak:

powierzchnia do montau ogniwa,

wielkoci produkowanej energii,

zapotrzebowanie energetyczne urzdze,

sposb wykorzystania energii. Powysze kryteria musz by dobrane z uwzgldnieniem

najwaniejszego czynnika, czyli sposobu wsppracy

instalacji z sieci elektroenergetyczn. To od niego

zaley opacalno inwestycji.

Wyrnia si systemy pracujce w trybie on-grid, off-

grid oraz autonomiczne z podczeniem do sieci

publicznej

3. Porwnanie danych technicznych oraz analiza opacalnoci przykadowych instalacji opartych na

PV

Na rynku mona znale wielu producentw i ofert

sprzeday kompletnych instalacji opartych na panelach

fotowoltaicznych. Rni si one nie tylko mocami i

technologiami produkcji ogniw, lecz take sposobami

wsppracy z sieci elektroenergetyczn czy te

moliwoci magazynowania energii. Mnogo ofert


16

wraz z poprawnym uwzgldnieniem warunkw pracy

pozwala wybra takie rozwizanie, ktre bdzie

najbardziej korzystne nie tylko z punktu widzenia

energetycznego, lecz przede wszystkim finansowego. Do

analizy porwnawczej wybrano trzy kompletne instalacje

rnych producentw. W tabeli 2 zostay zebrane ich

podstawowe parametry. W dalszej czci pracy

poszczeglne instalacje bd okrelane mianem

WARIANT I, WARIANT II, WARIANT III; adekwatnie

do nazw przyjtych w tabeli. W rozwaaniach, w celu

uproszczenia, pominito zarwno wszelkie formy

dodatkowego finansowania tego rodzaju inwestycji jak i

koszty zwizane z jej eksploatacj na przestrzeni 25 lat.

WARIANT I, oparty na amorficznych panelach

fotowoltaicznych, przeznaczony jest do pracy w trybie

oddawania caoci energii do sieci. Cay zestaw

gwarantuje generacj mocy na poziomie co najmniej

90 % po 12 latach i 80 % po 25 latach eksploatacji.

Szacowana przez producenta roczna produkcja energii

okrelana jest na okoo 4,1 MWh. Zakadajc, e

rozpatrywana instalacja bdzie pracowaa nieprzerwanie

przez 25 lat, z uwzgldnieniem zmniejszania

generowanej mocy co roku o 1 % do wczeniej

przedstawionych progw gwarantowanych, wygeneruje

ona w przyblieniu ponad 91 MWh. Przy cenie energii (z

odnawialnych rde i zielonych certyfikatw z 2011

roku) na poziomie 470,24 z/MWh, inwestycja

wygeneruje blisko 43 tys z. zysku. Koszt analizowanego

zestawu to wydatek nieprzekraczajcy 30 tys. z.

Tabela 2. Dane techniczne poszczeglnych instalacji fotowoltaicznych

[5,6]

WARIANT I WARIANT II WARIANT III

Elektrownia

soneczna on-

grid 4 kW

KANEKA

Zestaw zasilania

sieciowego

on-grid 2.35kW

Zestaw

autonomicznego

zasilania

0,94kW

Specyfikacja

zestawu

42 x moduy

KANEKA HB95

10 x moduy Vet

P 235Wp

4 x moduy Vet P

235Wp

Falownik KACO

Powador 4202

inwerter

SMA SB

2100TL

inwerter Victron

Energy C24/1600

2 x akumulatory

220Ah

regulator

adowania CXN

40

Technologia

wykonania

krzem

amorficzny krzem polikrystaliczny

Wymiary

moduy

fotowoltaiczn

ego [mm]

1210x1008x40 1685x993x50

Gwarantowa

na nominalna

moc baterii

sonecznych

[kW]

3,99 2,35 0,94

Szacowana

roczna

produkcja

energii

[kWh]

4100 2232,5 893

Napicie

sieci [V] 230

Czstotliwo

sieci [Hz] 50

Tryb pracy on-grid;

cao energii do sieci

on-grid;

energia na

potrzeby

wasne

on-grid;

energia

tylko na

potrzeby

wasne

Cena [z] 28 597,50 28 000 18 950

WARIANT II oparty na panelach wykonanych z

ogniw polikrystalicznych, przeznaczony jest do generacji

energii przede wszystkim na potrzeby wasne. Nadwyki

zostaj przesane do sieci, natomiast wszelkie niedobory

musz by uzupeniane poprzez zakup energii od

dystrybutora.

Cay zestaw gwarantuje generacj mocy na poziomie co

najmniej 90 % po 10 latach i 80 % po 25 latach

eksploatacji. Szacowana przez producenta roczna

produkcja energii okrelana jest na okoo 2,2325 MWh.

Przyjmujc zaoenia jak poprzednio instalacja ta

wygeneruje w przyblieniu prawie 50 MWh. Wartoci tej

energii nie mona jednoznacznie okreli, co wynika

przede wszystkim z charakteru instalacji. W najmniej

opacalnym scenariuszu cao wygenerowanej energii

bdzie odsprzedawana do sieci co wygeneruje zysk na

poziomie ponad 23 tys. z. Jeli natomiast nasza instalacja

bdzie tak dobrana do obiektu, e cao wygenerowanej

energii bdzie wykorzystywana, to na jej warto bdzie

skadaa si w przyblieniu cena energii elektrycznej oraz

opata za usug dystrybucji. Przyjmujc, czn

oszczdno na kadej kWh na poziomie 0.55z/kWh [4]

oraz uwzgldniajc coroczny wzrost ceny energii

elektrycznej o 6%, wyprodukowana energia bdzie warta

prawie 45 tys. z. Jak wynika z powyszych oblicze

opacalno inwestycji w duej mierze zaley od

poprawnego doboru instalacji do zasilanego obiektu.

Koszt analizowanego zestawu to wydatek 28 tys. z.

WARIANT III oparty na strategii autonomicznego

zasilania obiektu ma najgorsz relacj ceny do iloci

wytworzonej energii. Jego gwn zalet jest natomiast

moliwo gromadzenia energii oraz jej wykorzystania w

innym dowolnym momencie. Postpujc w obliczeniach

analogicznie jak w poprzedniej instalacji, tzn.

uwzgldniajc zmniejszenie sprawnoci oraz oszczdno

na kosztach wytworzenia i dystrybucji energii; okazuje

si, e inwestycja pozwoli wygenerowa energi wart

blisko 19 tys. z. Warto ta jest identyczna z kosztami

przedsiwzicia co, uwzgldniajc spadek wartoci

pienidza, sprawia, e inwestycja wydaje si by

nieopacalna. Oczywicie, w przypadku autonomicznego

systemu zasilania, naley pamita o oszczdnociach

zwizanych z kosztami przycza, ktre czsto

zniechcaj. Naley rwnie uwzgldni przypadek, w

ktrym brak jest jakiejkolwiek moliwoci dostpu do

sieci elektroenergetycznej. W takich okolicznociach

jedynym sposobem dostarczenia energii jest ukad typu

off-grid.

4. Wnioski Kryzys energetyczny, jaki ma miejsce w ostatnich

latach, skania do inwestowania w odnawialne rda

energii. Spory potencja tkwi w ogniwach

fotowoltaicznych i ich odpowiednim wykorzystaniu.

Zarwno producenci jak i uytkownicy zaczynaj

dostrzega korzyci z generacji przyjaznej rodowisku.

Dodajc do tego dynamiczny rozwj technologii

zwizanej z odnawialnymi rdami i zwikszenie

sprawnoci ich generacji, uzyskuje si kompletne

instalacje, ktrych opacalno stale ronie.

Przedstawione rozwaania potwierdzaj, jak wielkie

znaczenie ma dobr odpowiedniego sposobu zasilania z

ogniw fotowoltaicznych w stosunku do ukadu

wykorzystujcego energi. Wymienionym instalacjom

mona przypisa szereg zalet i wad, ktrych wiadomo

przekada si na wiksz opacalno inwestycji.


17

WARIANT I to instalacja stosunkowo prosta w swej

konstrukcji, pozwalajca wygenerowa spor ilo

energii. Takie rozwizanie jest idealne dla wszystkich

osb, ktre chc zainwestowa swoje oszczdnoci i mie

pewny zwrot kapitau. Po uruchomieniu tego typu

instalacji obowizki inwestora sprowadzaj si

praktycznie tylko do okresowych przegldw.

WARIANT II pozyskiwania energii ju na wstpie

wymaga odpowiedniego doboru ukadu odbiorczego. Jak

wynika z oblicze, najwiksz opacalno uzyskuje si,

gdy cao wytworzonej energii zostaje spoytkowania na

potrzeby wasne. Analizujc krzywe uzysku energii ze

rde fotowoltaicznych w skali roku zauway mona,

e idealny odbir bdzie cechowa si duym

zapotrzebowaniem na moc w okresie letnim w godzinach

okoo-poudniowych. Ponadto instalacja pozwala

bilansowa wszelkie niedobory i nadwyki energii z

sieci elektroenergetyczn.

WARIANT III instalacji ju podczas wstpnych

oblicze znalaz si poniej progu opacalnoci. Nie

zmienia to faktu, e w przypadku braku moliwoci

przyczenia do sieci elektroenergetycznej istnieje

moliwo pozyskiwania energii praktycznie w tej samej

cenie, a w znacznie bardziej ekologiczny sposb.

Przedstawione informacje mog posuy

potencjalnym inwestorom do wykonania oceny

techniczno-ekonomicznej instalacji fotowoltaicznej

rnego typu.

W pracy nie poruszono zagadnie zwizanych z

dodatkowymi formami finansowania instalacji

odnawialnych rde energii.

Literatura

[1] Raport okrelajcy cele w zakresie udziau energii

elektrycznej wytwarzanej w odnawialnych rdach

energii znajdujcych si na terytorium

Rzeczypospolitej Polskiej, w krajowym zuyciu

energii elektrycznej na Lata 2010-2019, Ministerstwo

Gospodarki, Warszawa 2011.

[2] Polityka energetyczna Polski do 2030 roku,

Ministerstwo Gospodarki, Warszawa 2011.

[3] Kowalska A., Wilczyski A., rda rozproszone w

systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwo

KAPRINT, Lublin 2007.

[4] http://www.enea.pl dn.15.05.2012r.

[5] http://sklep.rotero.pl dn. 16.05.2011r.

[6] http://sg-systems.pl dn. 22.05.2011r.

Mgr in. Damian Guchy


Obszarem zainteresowa autora s tematy zwizane z

zasilaniem budynkw inteligentnych oraz

odnawialnymi rdami energii. Szczegln uwag

skupia na systemach zasilania hybrydowego

zoonego z turbin wiatrowych oraz systemw PV.

Jako student Studiw Doktoranckich na kierunku

Nowoczesna Inynieria Elektryczna i Informacyjna

oraz pracownik Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki

Przemysowej Politechniki Poznaskiej zaprezentowa

wiele ciekawych publikacji na konferencjach

krajowych i midzynarodowych


18

ZASTOSOWANIE MULTIMODALNEJ KLASYFIKACJI W

ROZPOZNAWANIU STANW EMOCJONALNYCH NA PODSTAWIE

MOWY SPONTANICZNEJ

Dorota Kamiska Politechnika dzka , Wydzia ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI, INFORMATYKI I AUTOMATYKI

Streszczenie. Artyku prezentuje zagadnienie zwizane z rozpoznawaniem stanw emocjonalnych na podstawie analizy sygnau mowy. Na

potrzeby bada stworzona zostaa polska baza mowy spontanicznej, zawierajca wypowiedzi kilkudziesiciu osb, w rnym wieku i pci. Na

podstawie analizy sygnau mowy stworzono przestrze cech, ktr kolejno poddano selekcji. Klasyfikacj stanowi multimodalny mechanizm rozpoznawania, oparty na algorytmie k-NN. rednia poprawno rozpoznawania wynosi 62%.

Sowa kluczowe: rozpoznawanie emocji, sygna mowy, algorytm k-NN.

Spontaneous emotion recognition from speech signal using multimodal classification.

Abstract. The article presents the issue of emotion recognition from a speech signal. For this study, a Polish spontaneous database, containing speech from people in different age and gender, was created. From the speech signal features were determined and subjected to selection. The process of recognition was based on multimodal classification, related to k-NN algorithm. The average of accuracy

performance is up to 62%.

Keywords: emotion recognition, speech signal, k-NN algorithm.

Wstp W komunikacji midzyludzkiej sygna mowy, poza

przekazem semantycznym, niesie ze sob informacje

dotyczce stanu emocjonalnego mwcy. W celu

polepszenia komunikacji czowiek-komputer/czowiek-

robot (HCI/HRI) powstaj systemy rozpoznawania

emocji, dziki czemu staaby si ona bardziej naturalna i

wiarygodna. Dotychczasowe badania opieraj si gwnie

na prbkach mowy odegranej, w ktrej zdefiniowane jest

konkretne zabarwienie emocjonalne gosu. Uzyskiwane

s w ten sposb bardzo dobre wyniki rozpoznawania.

Jednake spontaniczna mowa moe stanowi zbir

rnych emocji bd ich mieszanin [3]. Zdarza si, e

etykietowanie mowy przez ludzkich decydentw stanowi

problem, a emocje s przez nich rnie identyfikowane

[1]. Dlatego tworzc system, ktry miaby dziaa w

warunkach naturalnych, naley wzi pod uwag

zoono emocji zawartych w mowie spontanicznej.

Przedmiotem niniejszych bada jest opracowanie

systemu realizujcego identyfikacj stanu emocjonalnego

mwcy. Podczas eksperymentw dokonano porwnania

cech reprezentujcych zarwno mow spontaniczn jak i

odegran przez profesjonalistw oraz ich wpyw na

identyfikacj emocji naturalnych. Biorc pod uwag

zoono emocji w mowie spontanicznej oraz ich

zmienno w trakcie wypowiedzi, zaproponowano

multimodalny proces klasyfikacji.

Pozostaa cz niniejszej pracy zostaa podzielona

na cztery rozdziay. Pierwszy rozdzia prezentuje krtki

przegld literatury. Bazy mowy wykorzystane w

niniejszych badaniach opisane s w rozdziale 2. Nastpny

rozdzia prezentuje przegld metod i algorytmw

badawczych wykorzystanych w badaniach. W rozdziale

4. opisane zostao autorskie podejcie do klasyfikacji

emocji w mowie naturalnej. Rozdzia 5. stanowi krtkie

podsumowanie wykonanych bada oraz przysze kierunki

rozwoju.

1. Przegld literatury Prace nad systemem rozpoznajcym emocje

rozpoczynaj si od zgromadzenia odpowiedniej bazy

plikw dwikowych. Wikszo naukowcw korzysta z

gotowej, oglnodostpnej bazy prbek nacechowanych

emocjami tzw. Berlin Database [5]. S to nagrania

dziesiciu profesjonalnych aktorw (kobiet i mczyzn),

wypowiadajcych dziesi zda w siedmiu rnych

stanach emocjonalnych (zo, strach, zadowolenie,

smutek, obrzydzenie, znudzenie, mowa neutralna). Inni

nagrywaj dwiki z audycji radiowych, filmw czy

programw telewizyjnych.

Kolejn faz automatycznego rozpoznawania jest

dobr odpowiednich cech. Zasadniczo zbir

deskryptorw powszechnie stosowanych do analizy

mowy spenia si rwnie przy rozpoznawaniu emocji.

Wikszo naukowcw opiera swoje badania o

czstotliwo podstawow, formanty, energi sygnau i

prozodia. Czasami sigaj jednak do bardziej zoonych

cech, jak wspczynniki MFCC, ktre s standardem w

rozpoznawaniu mowy [2].

Na podstawie zgromadzonych cech tworzone s

wektory cech uywane w nastpnym kroku

klasyfikacji. Metody klasyfikacji to narzdzia

standardowe, ale ich dobranie jest rwnie wanym

elementem. Spord prostych statystycznych metod

najczciej uywany jest algorytm k-NN, ktry daje

bardzo dobre wyniki. Z bardziej zaawansowanych metod

najwiksz popularnoci ciesz si ukryte modele

Markowa oraz coraz czciej wykorzystywane sztuczne

sieci neuronowe. Najczciej jednak dokonywane jest

porwnanie skutecznoci kilku metod.

2. Bazy mowy Na potrzeby niniejszych bada stworzona zostaa

polska baza mowy spontanicznej nacechowanej

emocjami. Gwnym rdem nagra s programy

telewizyjne i audycje radiowe. Zebrano ponad 500 nagra

o czasie trwania kilka-kilkanacie sekund pochodzcych

od kilkudziesiciu osb w rnym wieku i rnej pci.

Nagrania zapisano w formacie PCM WAVE 44,1 kHz.

Na podstawie skompletowanych nagra, omiu

decydentw dokonao ich klasyfikacji w sze

podstawowych grup (klas) emocji: rado (H), smutek

(S), zo (A), strach (F), znudzenie (B) oraz mowa

neutralna (N). W ten sposb dokonano selekcji nagra

niejednoznacznie okrelanych. Ostatecznie wybrano 300

nagra ocenionych jednoznacznie. Zachowano

proporcjonalny rozkad prbek na dane grupy.


19

Dodatkowo dokonano porwnania jakoci

klasyfikacji emocji spontanicznych oraz odegranych. W

tym celu zastosowano rwnie polsk baz emocji

udostpnian przez Zakad Elektroniki Medycznej

Politechniki dzkiej. Stanowi ona zbir 240 nagra

piciu rnych zda wypowiadanych przez omiu

aktorw (4 kobiety, 4 mczyzn). Zbir podzielono na te

same grupy emocji, co baza opisana powyej [6].

3. Metody i algorytmy badawcze Z wyselekcjonowanych prbek mowy wyznaczono

parametry sygnau szeroko stosowane w rozpoznawaniu

mowy ludzkiej. Wrd nich znalazy si midzy innym:

parametry statystyczne wyznaczone z czstotliwoci podstawowej sygnau F0;

energia sygnau;

pooenie i szeroko pasm formantw F1-F4;

parametry statystyczne wyznaczone z wspczynnikw mel-cepstralnych MFCC;

parametry statystyczne wyznaczone z wspczynnikw PLP;

parametry statystyczne wyznaczone z wspczynnikw LPC;

informacja o dwicznoci i tempie mowy oraz inne parametry jakoci gosu.

Na podstawie wymienionych grup parametrw,

stworzone zostay oddzielne wektory cech, ktre kolejno

poddano sekwencyjnej selekcji postpujcej, w celu

zmniejszenia ich licznoci.

Do klasyfikacji multimodalnej, szerzej opisanej w

nastpnym rozdziale, wykorzystano algorytm k

najbliszych ssiadw. Klasyfikacja obiektu dokonywana

jest poprzez liczenie odlego midzy reprezentujcym

go wektorem cech, a wszystkimi wektorami zbioru

treningowego. Do obliczenia odlegoci w niniejszej

pracy uyta zostaa metryka Manhattan. Nowy obiekt

zaliczany jest do tej klasy, ktra jest najczciej

reprezentowana wrd k najbliszych obiektw zbioru

treningowego. Algorytm ten daje moliwoci nieliniowej

separacji klas, mimo prostoty, jest efektywny

obliczeniowo oraz pomocny w rozwizaniu zoonych

problemw [4].

4. Proponowany system rozpoznawania emocji Typowy algorytm przetwarzania sygnau na potrzeby

rozpoznawania emocji skada si z trzech podstawowych

elementw. Pierwszym elementem jest wstpna obrbka

sygnau, ktr w niniejszej pracy stanowi jedynie

odszumianie nagra. Nastpnie tworzona jest przestrze

cech, na podstawie ktrej jest przeprowadzane

rozpoznawanie. Ostatni etap stanowi klasyfikacja, czyli

okrelenie do jakiej klasy naley badany obiekt.

Biorc pod uwag moliwo zmiany zabarwienia

emocjonalnego w czasie, algorytm klasyfikacji,

przedstawiony na rysunku nr 1, skada si z czterech

elementw. Pierwsz z nich stanowi podzia wypowiedzi

na trzy rwne czci: pocztek, rodek i koniec.

Nastpnie kada cz jest poddana osobnej klasyfikacji

przy uyciu klasyfikatora k-NN. Naley podkreli, i

proces ten rwnie zosta podzielony na oddzielne

elementy, a ich liczno odpowiada licznoci rnych

grup parametrw szerzej opisanych w poprzednim

rozdziale. Wyjcie z pierwszego etapu klasyfikacji

stanowi wejcie do kolejnego, jakim jest gosowanie. Na

podstawie licznoci klas wskazanych przez klasyfikatory

w danej czci wypowiedzi, wybierana jest najliczniejsza.

Kolejny etap to kolejne gosowanie ju w obrbie

konkretnych klas na caej dugoci wypowiedzi. W

wyniku tego gosowania uzyskujemy prognoz.

Rys. 1. Algorytm klasyfikacji

Badania przeprowadzono w trzech grupach,

podzielonych ze wzgldu na typy zbiorw uczcych i

testowych:

baza emocji odegranych stanowi zbir uczcy i testowy (grupa I);

baza emocji odegranych stanowi zbir uczcy, za baza emocji spontanicznych zbir testowy

(grupa II);

baza emocji spontanicznych stanowi zbir uczcy i testowy (grupa II).

W grupach, ktrych zbir testowy i treningowy

stanowi ta sama baza (grupa I i III) jako metod testw

zastosowano walidacj krzyow. Jednoczenie (rwnie

w przypadku grupy I i III) zadbano, by w zbiorze

testowym nie pojawiay si nagrania mwcw, ktrzy

byli w zbiorze uczcym, otrzymujc w ten sposb

warunek rozpoznawania niezaleny od mwcy. W

przypadku grupy II warunek ten jest automatycznie

speniony. Wartoci rednie rozpoznawania dla trzech

wyej opisanych grup przedstawia tabela 1.

Tabela 1. Wyniki klasyfikacji emocji

Nr grupy redni wynik klasyfikacji dla

danej grupy

I 78%

II 58%

III 62%

5. Wnioski Jak pokazuj badania, rozpoznawanie emocji w

gosie jest zadaniem trudnym, a pki co osigane

rezultaty dalekie s od ideau. Ocena stanu

emocjonalnego na podstawie mowy stanowi problem

nawet dla czowieka. Szczeglnie trudnym, cho bardzo

wanym, zagadnieniem jest rozpoznawanie emocji w

mowie spontanicznej. Zgodnie z oczekiwaniami w

przeprowadzonych badaniach wyniki klasyfikacji grupy

I, zawierajcej zarwno w zbiorze testowym jak i

treningowym staranne nagrania aktorskie, okazay si

wyranie lepsze ni tej, zawierajcej nagrania mowy

spontanicznej. Przyczyna tkwi zarwno w zoonoci

mowy naturalnej (zmiana zabarwienia emocjonalnego w

trakcie wypowiedzi oraz moliwo wystpienia kilku

emocji w tym samym czasie) jak rwnie w

subiektywnym charakterze odbioru emocji. Osignite

wyniki pokazuj, e wykorzystany algorytm okaza si


20

przydatny do rozpoznania stanw emocjonalnych w

mowie spontanicznej

Naturalnym kierunkiem rozwoju prowadzonych

bada jest przede wszystkim sprawdzenie moliwoci

innych algorytmw klasyfikacji jak rwnie analiz

innych parametrw sygnau mowy. By moe dobrym

krokiem byoby poczenie systemu analizujcego

sygna mowy z analiz semantyczn wypowiedzi.

Literatura [1] Izdebski K.: Emotions in the Human Voice Volume I

Foundations, October 15, 2007

[2] Niewiadomy D., Pelikant A.: Digital Speech Signal

Parameterization by Mel Frequency Cepstral

Coefficients and Word Boundaries.

[3] Plutchik R.: The nature of emotion, American

Scientist, Volume 89, July-August 2001.

[4] lot K.: Rozpoznawanie biometryczne Nowe metody

ilociowej reprezentacji obiektw, 2010.

[5] http://pascal.kgw.tu-berlin.de

[6] http://www.eletel.p.lodz.pl/med/

______________________________________________ Mgr in. Dorota Kamiska


Dorota Kamiska uzyskaa tytu mgr in. w 2009

roku na wydziale Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i Automatyki Politechniki dzkiej.

Obecnie jest doktorantk w Instytucie

Mechatroniki i Systemw Informatycznych

Politechniki dzkiej. Gwne zainteresowania

badawcze obejmuj przetwarzanie sygnaw,

metody klasyfikacji oraz bazy danych.


21

IDENTYFIKACJA SYSTEMW NIELINIOWYCH PRZY POMOCY

JDROWEGO ALGORYTMU LMS Z OGRANICZENIEM ZASOBW

Dominik Rzepka1 , Piotr Otfinowski

1

1AGH Akademia Grniczo-Hutnicza , Wydzia Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki

Streszczenie. W artykule zaprezentowano zastosowanie nowego algorytmu jdrowego LMS do identyfikacji systemw nieliniowych. Aby

ograniczy ilo wektorw nonych, bdcych nieodcznym elementem algorytmw opartych o metody jdrowe zastosowano kryterium selekcji. Nowe wektory wejciowe s przyjmowane do sownika, a nastpnie ze zbioru tych wektorw usuwany jest ten, ktry ma najmniejszy

wpyw na tworzony model nieliniowy. Przedstawione przykady identyfikacji systemw nieliniowych potwierdzaj skuteczno porwnywaln

do algorytmw wykorzystujcych wiksz liczb wektorw nonych.

Sowa kluczowe: metody jdrowe, uczenie maszynowe, regresja nieliniowa, algorytm LMS, dobr wektorw nonych

Identification of Nonlinear Systems Using Fixed Budget Kernel LMS Algorithm Abstract. In this paper a new version of kernel normalized least mean squares algorithm is applied to identification of nonlinear system. To

maintain a fixed amount of support vectors, requisite for kernel-based algorithm a pruning criterion is used. After admitting a new input

vector to the dictionary, a least important entry is selected and discarder. A few cases of nonlinear system identification are presented, proving that algorithm performs well and it can maintain a performance comparable to state-of-the-art algorithms, using smaller number of

support vectors, with linear complexity.

Keywords: kernel methods, machine learning, nonlinear regression, least mean squares, pruning

Wstp Modelowanie i identyfikacja systemw, ktrych

odpowied jest nieliniow funkcj sygnau wejciowego

jest wykorzystywana w szerokiej gamie aplikacji, od

akustyki, przez automatyk, radiokomunikacj, po

inynieri biomedyczn i wiele innych dziedzin techniki.

Najbardziej uniwersalnym modelem stacjonarnego

systemu nieliniowego jest nieskoczony szereg Volterry,

jednak jego zoono jest wad, ktra uniemoliwia jego

praktyczne zastosowanie. Uproszczone odpowiedniki

modele Wienera i Hammersteina maj struktur

stosunkowo wygodn do implementacji, jednak nie s w

stanie przedstawi dowolnego systemu nieliniowego.

Efektywnym rozwizaniem tego zagadnienia jest

zastosowanie metod jdrowych, ktre charakteryzuj si

elegancka struktur matematyczn, a moliwociami

modelowania dorwnuj modelowi Volterry. Jeeli

modelowanie zostanie ograniczone do pewnego zbioru

wymusze, to model systemu nieliniowego moe by

opisany przy pomocy skoczonej liczby punktw

odniesienia (wektorw nonych), dziki czemu zoono

obliczeniowa zostanie ograniczona do poziomu

umoliwiajcego praktyczne zastosowanie. Identyfikacja

systemu przy pomocy tego rodzaju modeli moe by

przeprowadzana z wykorzystaniem algorytmw

adaptacyjnych, minimalizujcych redniokwadratowy

bd aproksymacji. Popularnym algorytmem stosowanym

powszechnie do tego celu jest LMS (ang. Least Mean

Squares), ktry cechuje si nisk zoonoci

obliczeniow O(N). W niniejszym artykule zostanie

przedstawiona znormalizowana, jdrow wersja LMS,

wzbogacona o prosty algorytm ograniczania iloci

wektorw nonych.

1. Metody jdrowe W najprostszym przypadku liniowym, wyjcie filtru

jest liniow kombinacj elementw wektora wejciowego

( ) Nn x . Modelowanie systemw nieliniowych

wymaga rwnie uwzgldnienia czonw zalenych od

wejcia w sposb nieliniowy. Rozszerzenie wektora

wejciowego o te czony mona zapisa w postaci

przeksztacenia : N F , gdzie F jest nazywane

przestrzeni cech. Poniewa wymiarowo tej przestrzeni

jest wysoka, to wykonanie w niej iloczynu skalarnego

(koniecznego do minimalizacji bdu modelowania)

wymaga duej iloci oblicze. Dla niektrych

przeksztace : N F istnieje funkcja zwana

jdrem, umoliwiajca obliczenie tego iloczynu

skalarnego bez przechodzenia do wysokowymiarowej

przestrzeni F.

, , x y x y (1)

2. Algorytm Kernel LMS Celem filtracji adaptacyjnej jest modelowanie

nieznanego systemu na bazie obserwacji zalenoci

pomidzy jego wejciem x(n) a wyjciem ( )d n

(zazwyczaj w obecnoci szumu na wyjciu). Wyjcie jest

waon sum elementw wektora wejciowego, a celem

modelowania jest minimalizacja bdu

redniokwadratowego midzy systemem modelowanym a

modelem:

22 Te n d n n w x (2)

Wektor Nw mona otrzyma stosujc metod

gradientu prostego, na ktrej opiera si algorytm LMS

(ang. least mean squares). Po dodaniu normalizacji, ktra

poprawia zbieno algorytmu, iteracj algorytmu opisuje

rwnanie

2

21

e n nn n

n

xw w

x

(3)

gdzie jest parametrem okrelajcym rozmiar kroku w algorytmie. Aby umoliwi modelowanie systemu nieliniowego

naley zastosowa przeksztacenie : N F .

22 Te n d n n u x (3)


22

Wektor u musi wic mie wymiarowo rwn

wymiarowoci n x . Taki wektor Fu mona

przedstawi jako sum

1

M

m m

m

u x (4)

przy uyciu pewnego zbioru wektorw xm. Wtedy

1

1

,

MT

m m

m

MT

m m

m

n n

n n

u x x x

x x k

(5)

Dziki temu moliwe jest zamodelowanie systemu

nieliniowego bez bezporedniego operowania na

wysokowymiarowej przestrzeni cech. Konieczne jest

wyznaczenie wektora oraz zbioru wektorw nonych

xm. Wektor wspczynnikw mona otrzyma przy

pomocy algorytmu LMS:

2

21

e n nn n

n

k

k

(6)

3. Dobr wektorw nonych W przypadku penej regresji jdrowej, jako zbir

1

M

m mx wykorzystywane s wszystkie wektory trenujce

model, jednak nakad obliczeniowy w takim rozwizaniu

jest bardzo duy. Aby ograniczy rozmiar tego zbioru

proponujemy uycie prostego kryterium selekcji, ktre

utrzymuje rozmiar zbioru 1

M

m mx na staym poziomie.

Odrzucane s wektory, ktrym odpowiadaj najmniejsze

bezwzgldne wartoci wspczynnikw . Algorytm

zosta zastosowany do identyfikacji kilku systemw

nieliniowych. Wyniki symulacyjne (bd

redniokwadratowy MSE) dla jednego z nich przedstawia

rys. 1. W wyniku zastosowania selekcji wektorw

rozmiar zbioru 1

M

m mx wynis 50 wektorw nonych,

podczas gdy peny zbir wektorw trenujcych liczy 256

elementw. Ograniczenie to spowodowao jedynie

nieznaczne pogorszenie osigw algorytmu, przy

znaczcym zmniejszeniu wymaga obliczeniowych.

Rys. 1. Porwnanie identyfikacji systemu nieliniowego algorytmami

NLMS nieliniowym (jdrowym) oraz liniowym

Literatura [1] M. O. Franz, B. Schlkopf, A unifying view of Wiener and Volterra

theory and polynomial kernel regression, Neural Computation,

Volume 18 Issue 12, December 2006, Pages 3097 3118

[2] B. de Kruif and T. de Vries. Pruning error minimization in least squares support vector machines. Neural Networks, IEEE

Transactions on, 14(3):696 702, may 2003.

[3] P. S. Diniz. Adaptive Filtering: Algorithms and Practical Implementation. Kluwer Academic Publishers, Norwell, MA, USA,

2 edition, 2002.

[4] Y. Engel, S. Mannor, and R. Meir. The kernel recursive least squares algorithm. IEEE Transactions on Signal Processing,

52:22752285, 2003.

[5] L. Hoegaerts, J. Suykens, J. Vandewalle, and B. De Moor. A comparison of pruning algorithms for sparse least squares

support vector machines. Lecture Notes in Computer Science, page

12471253, 2004.

[6] P. Honeine, C. Richard, and J. C. M. Bermudez. On-line nonlinear sparse approximation of functions. Information Theory, 2007. ISIT

2007. IEEE International Symposium on, pages 956 960, june 2007.

[7] M. Lazaro-Gredilla, S. Van Vaerenbergh, and I. Santamaria. A Bayesian approach to tracking with kernel recursive least-squares.

Machine Learning for Signal Processing (MLSP), 2011 IEEE

International Workshop on, pages 1 6, sept. 2011.

[8] W. Liu, J. C. Principe, and S. Haykin. Kernel Adaptive Filtering. John Wiley & Sons, Inc., 2010.

[9] J. Suykens, J. D. Brabanter, L. Lukas, and J. Vandewalle. Weighted least squares support vector machines: robustness and

sparse approximation. Neurocomputing,48(14):85 105, 2002.

[10] S. Van Vaerenbergh, I. Santamaria, W. Liu, and J. Principe. Fixed-budget kernel recursive least-squares. Acoustics Speech and Signal

Processing (ICASSP), 2010 IEEE International Conference on, pages

1882 1885, march 2010.

[11] S. Van Vaerenbergh, J. Via, and I. Santamaria. A sliding window kernel RLS algorithm and its application to nonlinear channel

identification, Proceedings of the International Conference on

Accoustics, Speech and Signal Processing 2006, volume 5, page 789

792, may 2006.

Mgr in. Dominik Rzepka


Ukoczy studia na AGH na kierunki

Elektronika (2009), a obecnie jest uczestnikiem

studiw doktoranckich w Katedrze Elektroniki

AGH, wsppracujc z Zespoem Widzenia

Komputerowego i Systemw Wbudowanych.

Jego zainteresowania obejmuj radiowe

techniki transmisji danych, przetwarzanie

sygnaw cyfrowych, uczenie maszynowe i

sprztow implementacj algorytmw.

Mgr in. Piotr Otfinowski


Ukoczy Akademi Grniczo-Hutnicz w

2009, kierunek: Elektronika i

Telekomunikacja, specjalno: Sensory i

mikrosystemy. Obecnie jest na trzecim roku

Studiw Doktoranckich na Wydziale EAIiE,

AGH. Pracuje jako asystent w Katedrze

Metrologii, AGH. Jego gwnym tematem

bada naukowych s ukady scalonych

przetwornikw analogowo-cyfrowych.


23

WPYW RODOWISKA OBLICZENIOWEGO NA WYDAJNO

ALGORYTMU ODWRACANIA MACIERZY

Daniel Sawicki1

1Politechnika Lubelska, Wydzia Elektrotechniki i Informatyki.

Streszczenie. Artyku przedstawia porwnanie wydajnoci wybranych rodowisk obliczeniowych dla rozwizania zagadnienia numerycznego odwracania

macierzy. Do obliczenia macierzy odwrotnej wykorzystano algorytm Gaussa-Jordana. Obliczenia w algorytmie zostay zrwnoleglone w kadej iteracji

przez jednoczesne wykonywanie oblicze dla wierszy parzystych i nieparzystych. Jako rodowiska obliczeniowe wybrano nowe technologie: obliczenia w chmurze oraz obliczenia na procesorach graficznych. Wykonano pomiary czasu oblicze algorytmu odwracania macierzy i porwnano wydajno

poszczeglnych rodowisk. Najlepsz wydajno osignito dla oblicze na procesorach graficznych. Sowa kluczowe: odwracanie macierzy, obliczenia rwnolege, obliczenia w chmurze, obliczenia na procesorach graficznych

IMPACT COMPUTING ENVIRONMENT ON PRODUCTIVITY MATRIX INVERSION ALGORITHM

Abstract. This paper presents performance comparison of selected computing environments to solve the numerical problem of matrix inversion. To calculate

the inverse matrix uses Gauss-Jordan algorithm. Calculations algorithm have been parallelized in each iteration by simultaneously perform calculations for even and odd rows. As computing environments selected: cloud computing and calculations on GPUs. Computation time measurements of the matrix

inversion algorithm and compared the performance of specific environments. The best performance was achieved for GPU computing.

Keywords: matrix inversion, parallel computing, cloud computing, GPU computing

Wstp Wydajno obliczeniowa powstajcych urzdze ronie

Pierwsze karty graficzne do komputerw PC pozwalay tylko na

wywietlanie jednokolorowego tekstu. Niedugo potem pojawiy

si ich udoskonalone warianty, ktre udostpniay moliwo

wywietlania dwuwymiarowego obrazu graficznego, a kolejne

wersje pozwalay na coraz wysz rozdzielczo i ilo kolorw.

W 1995 roku pojawiy si pierwsze karty graficzne

przetwarzajce rwnie tryb 3D. W kolejnych latach, napdzane

wymaganiami rynku, firmy produkujce chipsety graficzne

tworzyy coraz szybsze karty GPU, a wzrost wydajnoci kart

graficznych by zdecydowanie szybszy ni wzrost wydajnoci

CPU . Obecnie najszybsze procesory CPU maj wydajno ok.

100 GigaFlops , a najszybsze GPU osigaj ponad 1000

GigaFlops, zawieraj dziesitki rdzeni i zapewniaj du

moliwo zrwnoleglania operacji.

1. Technologia CUDA CUDA (ang. Compute Unified Device Architecture) jest

technologi typu GPGPU (ang. general-purpose computing on

graphics processing units) pozwalajc na tworzenie z poziomu

jzyka C programw (obliczeniowych) wykonywanych

bezporednio na procesorze karty graficznej (GPU, ang.

graphics processing unit). CUDA wprowadzona zostaa przez

firm nVidia na pocztku 2007 roku i jej uycie wymaga

wykorzystania GPU projektowanych przez t korporacj. Aby

wykorzysta CUDA, naley posiada kart graficzn zgodn z t

technologi, potrzebny jest rwnie specjalny sterownik

graficzny oraz pakiet CUDA Runtime. Istniej te oficjalne

biblioteki na t platform CUBLAS (do wykonywania operacji

macierzowych) i CUFFT (do wykonywania transformacji

Fouriera). Na rysunku 1 jest podany schemat elementw

skadowych.

Technologia CUDA ma skalowalny model programowania

rwnolegego program mona uruchomi na kadej iloci

mikroprocesorw GPU. Jedna funkcja wykonywana na GPU

kernel opisuje dziaania wykonywane w jednym wtku. Przy

wywoaniu kernela wymagane jest podanie iloci tzw. blokw

w gridzie, oraz iloci wtkw w bloku. Liczby te okrelaj, ile

wtkw zostanie uruchomionych rwnolegle. Kady blok

w gridzie oraz kady wtek w bloku ma indeks okrelony

maksymalnie trzema wymiarami (na powyszej ilustracji

dwoma). Do kadego uruchomionego kernela mona uy innej

iloci blokw lub wtkw. Po rozpoczciu kernela, GPU ma

za zadanie przypisa kady blok do wykonania ktremu z

dostpnych mikroprocesorw strumieniowych. Z tego wzgldu,

aby wykorzysta pen moc GPU, ilo blokw powinna by

przynajmniej rwna iloci multiprocesorw w GPU. Wikszo

programw wykonywanych przy pomocy frameworku CUDA,

korzysta z niego uywajc nastpujcej sekwencji dziaa:

alokowanie wejciowej i wyjciowej pamici na karcie

graficznej, kopiowanie danych wejciowych do pamici

graficznej, wykonywanie waciwych operacji (kerneli) na GPU,

kopiowanie danych wyjciowych z pamici graficznej do RAM,

dealokowanie wejciowej i wyjciowej pamici na karcie

graficznej.

Do testw uyto karty graficznej nVidia GT525M, ktra

dysponuje 96 zunifikowanymi jednostkami Shader, 2GB

wasnej pamici. Taktowania rdzenia, pamici i jednostek

Shader, wynosz odpowiednio 600/900/1200 MHz.

Rys. 1. Architektura CUDA

2. System Eucalyptus System Eucalyptus pozwala na budow struktur chmur

prywatnych zgodnych ze standardem Amazon EC2. Dziki

temu, uytkownicy tego systemu korzystaj z zasobw chmury

w ten sam sposb jak zasoby chmury publicznej oferowanej

przez Amazon. Pozwala to na prost integracj tego rozwizania

w ramach projektw chmur hybrydowych. Struktura systemu

Eucalyptus skada si z czterech elementw:


24

kontrolera wza NC (ang. Node Controller) - jest to zasb

fizyczny (najczciej pojedynczy host), na ktrym

uruchamiane s poszczeglne instancje maszyn wirtualnych,

kontrolera klastra CC (ang. Cluster Controller) urzdzenie

to ma spenia trzy funkcje: przydziela zasoby NC dla zada,

zarzdza instancjami maszyn wirtualnych, a take zbiera

informacje o procesie realizacji zada i wykorzystaniu

zasobw,

kontrolera magazynowania Walrus (ang. Storage Controller)

ten element przechowuje obrazy maszyn wirtualnych i

dane uytkownikw,

kontrolera chmury CLC (ang. Cloud Controller) ten

element odpowiada za dostp do zasobw zgaszanych przez

uytkownikw oraz za planowanie przydziau zasobw do

zgoszonych da.

Podstaw do budowy rodowiska testowego byy system

Eucalyptus a jego poszczeglne elementy zostay

zaimplementowane w oparciu o komputery klasy PC.

Komputery te byy wyposaone w dwu-rdzeniowy procesor

firmy Intel ze wsparciem dla sprztowej wirtualizacji, 2 GB

pamici RAM, pami dyskow o pojemnoci 250GB oraz 2

interfejsy sieciowe. Podstaw realizacji wirtualizacji by pakiet

KVM. Poszczeglne elementy struktury testowego systemu

Eucalyptus zostay przypisane do pokazanego na rys. 3b sprztu

komputerowego w nastpujcy sposb:

kontroler klastra, kontroler magazynu, kontroler chmury

oraz Walrus (CC,SC, CLC, WS) komputer PC1 (2

rdzenie, 4 procesory logiczne, wspdzielone), 2 GB RAM,

250 GB HDD SATA, system Fedora 12 (x86_64),

kontroler wza (NC) komputer PC2, PC3 (2 rdzenie, 4

procesory logiczne, wspdzielone), 2 GB RAM

(wspdzielona z VM), 250 GB HDD SATA, system Fedora

12 (x86_64),

klient - komputer PC4 (1 rdze, 2 procesory logiczne,

wspdzielone), 512 MB RAM, 8 GB HDD SATA, system

Fedora 12 (x86_32).

a) b)

Rys.2. Architektura rodowiska testowego a) logiczna, b) fizyczna

3. Wyniki pomiarw Algorytm odwracania macierzy zosta przetestowany na:

karcie graficznej GT525 - GPU, rodowisku chmurowym - CL,

procesorze 2 rdzeniowym - CPU oraz w programie MATLAB.

Przeprowadzono seri 30 pomiarw czasu dla 30 rozmiarw

macierzy poczwszy od rozmiaru 16x16, a skoczywszy na

rozmiarze 8192x8192. Wyniki przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 3. Wyniki pomiarw dla poszczeglnych rozmiarw macierzy

Literatura [1] NVIDIA: NVIDIA CUDA. Programming Guide, ver. 4.1, 2011 r. [2] NVIDIA CUDA: Non-graphic computing with graphics processors. Amazon,

2008 r.

[3] Triolet D.: Nvidia CUDA: Preview. www.behardware.com, 2007 [4] Nurmi D, Wolski R, Grzegorczyk Ch, Obertelli G, Soman S, Youseff L,

Zagorodnov D: The Eucalyptus Open-source Cloud-computing System, 9th

IEEE/ACM International Symposium on Cluster Computing and the Grid

(CCGRID), Vol. 0, 2009, pp. 124-131.

[5] Johnson D, Murari K, Raju M, Suseendran RB, Girikumar Y: Eucalyptus Beginners Guide UEC Edition, CSS Corp. 2010,

http://www.csscorp.com/eucauecbook, lipiec 2011.

[6] Robinson N., Valeri L., Cave J., Starkey T., Creese S., Hopkins P. : The Cloud: Understanding the Security, Privacy and Trust Challenges, Raport Unit

F.5, Directorate-General Information Society and Media, European

Commission, 2010.

[7] Lei Z., Zhang B., Zhang W., Li Q., Zhang X., Peng J.:Comparison of Several Cloud Computing Platforms. Second International Symposium on Information

Science and Engineering, pages 2327, 2009.

_________________________________________________

M.Sc. Daniel Sawicki


ukoczy studia o kierunku elektrotechnika na

Wydziale Elektrotechniki i Informatyki Politechniki

Lubelskiej w 2006r. Obecnie jest zatrudniony jako

asystent w Instytucie Elektroniki i Technik

Informacyjnych Politechniki Lubelskiej


25

INTELIGENTNY SYSTEM PRZYWOAWCZY

Dorota Typaska, ukasz Putz Politechnika Poznaska, Wydzia Elektryczny

Streszczenie. Celem artykuu jest przedstawienie stanowiska laboratoryjnego symulujcego system przywoawczy instalowany w szpitalach. Wyjaniono co to

jest inteligentny system przywoawczy, przedstawiono szczegowy opis wykorzystanych elementw wcznie ze schematem budowy tablicy, rozmieszczeniem

komponentw oraz ich okablowaniem i podczeniem. Szczegowo zosta rwnie opisany proces oprogramowania.

Sowa kluczowe: inteligentny system przywoawczy, programowalne przyciski, centrala sterujca

Inteligent calling system

Abstract. Describing the laboratory post simulating the calling system installed at hospitals is a purpose of the article. They explained what the calling

intelligent system was, a detailed description of used elements was presented inclusive with the outline of construction of the board, with arranging components

and wiring them up and connecting. In detail an also described process of providing software remained.

Keywords: intelligent calling system, programmable buttons, steering switchboard

Wstp

Systemy przywoawcze znajduj zastosowanie

w wikszoci placwek medycznych na wiecie. Maj na

celu zagwarantowa szybkie i atwe informowanie

personelu o miejscu w ktrym potrzebna jest

natychmiastowa pomoc. Nowoczesne systemy

umoliwiaj archiwizowanie zdarze oraz

porozumiewanie si z innymi oddziaami poprzez sie

przenonych telefonw.

Poniej zostay opisane poszczeglne elementy skadowe

systemu, oraz sposb ich poczenia.

1. System przywoawczy charakterystyka oglna System przywoawczy jest to system uywany

najczciej w szpitalach, domach opieki lub hospicjach

sucy do przywoania personelu medycznego w czasie

nagego zego samopoczucia pacjenta.

System przywoawczy, ktrego komponenty zostay

wykorzystane do zbudowania stanowiska laboratoryjnego

nazywa si Va

Warsztaty Doktoranckie 2012

Documents

Transcript of Warsztaty Doktoranckie 2012