 |
Ученые Пермского Политеха создали «умный» стабилизатор напряжения, ускорив реакцию системы на 58%
Источники питания, такие как солнечные панели или гибридные энергосистемы из-за колебаний напряжения часто не применимы для питания электронных устройств. Ученые Пермского Политеха создали интеллектуальную систему управления напряжением для источников питания, которая работает на 58% быстрее традиционных решений.
Статья опубликована в журнале «Электротехника».
Современные электронные устройства — от бытовой техники до сложных автоматизированных систем — напрямую зависят от качества электропитания. Для их корректной и безопасной работы важно, чтобы напряжение оставалось стабильным, даже если источник питания нестабилен. На практике это происходит довольно часто: аккумуляторы постепенно разряжаются, солнечные панели выдают разную мощность в зависимости от погоды, а нагрузка на устройство может резко меняться.
Всё это приводит к колебаниям напряжения, которые способны ухудшить работу электроники или даже вывести её из строя. Именно поэтому задача стабилизации напряжения остаётся актуальной и важной для современной техники.
Основой системы является электронный DC-DC преобразователь —универсальный «переводчик» энергии каждого электронного устройства, который может как повышать, так и понижать напряжение. Его работой управляет небольшой микроконтроллер, который постоянно измеряет выходное напряжение и сравнивает его с заданным заранее значением. Если оно отличается от нужного, система автоматически корректирует свою работу.
При этом важной особенностью в работе преобразователя является электрическая развязка — изоляция, которая отделяет микроконтроллер от высоковольтных компонентов и повышает надёжность и безопасность всей системы. Однако ее внедрение создаёт дополнительные технологические сложности. Ключевая проблема заключается в том, что один из элементов такой развязки — оптопара — работает нелинейно. Это означает, что изменение входного управляющего сигнала не вызывает прямого и равномерного изменения сигнала на выходе. В результате в классических системах управления возникают искажения и погрешности в стабилизации напряжения. Система либо запаздывает с реакцией, либо не может точно выйти на заданный уровень, что снижает общую эффективность и точность преобразователя.
Традиционным решением этой проблемы является использование аналоговых схем на операционных усилителях, которые сравнивают текущее выходное напряжение с необходимым. Однако такой подход не обеспечивает безопасности работы системы. Дело в том, что аналоговые схемы работают по жёсткой, неизменяемой логике и не умеют подстраиваться под изменяющиеся со временем сигналы. В итоге резкие скачки и помехи способны не только вывести систему из строя, но и физически разрушить чувствительные компоненты устройств.
Ученые Пермского Политеха создали систему автоматизированного управления напряжением на базе нейронной сети. Она адаптируется под изменяющиеся колебания на входе и обеспечивает как точность, так и быстродействие. Такой подход позволяет свести погрешность стабилизации к минимуму, ускорить реакцию системы почти на 58% и более чем вдвое сократить вычислительные затраты по сравнению с традиционными методами.
Ключевой отличительной чертой предложенного решения стало применение адаптивной нейронной сети для готового преобразователя. Такая система способна учитывать нелинейности и погрешности, которые неизбежно возникают в реальных электронных компонентах. Со временем она адаптируется к конкретным условиям работы, компенсирует неточности измерений и изменения характеристик элементов, вызванные нагревом или старением. В результате выходное напряжение становится более стабильным, а процесс регулирования — более плавным.
– Одним из преимуществ нашей разработки является использование адаптивных алгоритмов управления. Структуру нейронной сети мы построили на базе персептрона – простой классической модели. Она работает следующим образом. В режиме реального времени микроконтроллер анализирует выходное напряжение преобразователя, сравнивает его с заданным значением и автоматически корректирует режим работы, – объясняет Вячеслав Никулин, доцент кафедры автоматики и телемеханики ПНИПУ.
Например, системе нужно получить на выходе напряжение ровно 15.0 В. Но из-за искажений оптопары микроконтроллер прибора «видит» меньшее значение (14.8 В) и ошибочно решает, что напряжения не хватает. Стандартная система управления увеличит напряжение, что на самом деле приведёт к скачку до 15.3 В. При этом представленная адаптивная нейронная сеть, уже обученная компенсировать эту погрешность, работает иначе. Ее применение позволяет повышать точность стабилизации без ручной перенастройки.
– Чтобы доказать эффективность разработки, мы провели сравнение в среде компьютерного моделирования, а также с помощью натурного эксперимента. Мы создали две виртуальные копии: одну с интеллектуальным алгоритмом на основе адаптивной нейронной сети, а другую — с классической схемой управления. Оба алгоритма тестировались в одной и той же цифровой модели: в них подавались одинаковые «скачки» входного напряжения, имитирующие работу от нестабильного источника, например, солнечной панели. Далее в виртуальной среде и на реальном физическом прототипе фиксировались все ключевые параметры – точность выходного напряжения, скорость реакции на изменения и количество вычислительных итераций, необходимое для стабилизации, – дополнил Вячеслав Никулин.
Анализ показал, что система управления с адаптивной нейронной сетью превосходит классические решения по трем ключевым параметрам. Она обеспечивает высокую точность стабилизации выходного напряжения, то есть, в отличие от стандартных подходов, погрешность разработки стремится к нулю. Также при использовании интеллектуального управления с нейросетью повышается быстродействие системы на 58%.
Это значит, что время, за которое напряжение выходит на заданный уровень, сократилось с 125 микросекунд до 79 микросекунд. Такое резкое уменьшение позволяет электронному устройству мгновенно адаптироваться к скачкам, что напрямую повышает его общую производительность. Кроме того, предложенный интеллектуальный алгоритм показал более высокую вычислительную эффективность. Для стабилизации напряжения ему потребовалось всего 24 итерации пересчёта против 57 у классического подхода. Это значит, что система тратит существенно меньше ресурсов для достижения лучшего результата.
Представленная разработка открывает новые возможности применения элементов искусственного интеллекта в источниках питания и является перспективным направлением развития современной электроники.
Предложенный подход позволяет создавать более надёжные, адаптивные и энергоэффективные системы, которые могут найти применение в портативной технике, автономных источниках питания, робототехнике и других областях, где стабильность и качество электропитания играют ключевую роль.
Контактное лицо: Макарова Татьяна Андреевна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 17:07, 15.01.2026
Количество просмотров: 313
Страна: Россия
| Ученые Пермского Политеха нашли способ улучшить качество бумаги и картона, ПНИПУ, 22:45, 17.07.2026, Россия |
446 |
| Ученые Пермского Политеха впервые в России разработали систему, которая диагностирует состояние воды в реальном времени. Это позволит в несколько раз быстрее отслеживать ухудшение ее качества и оперативно реагировать на него, сокращая убытки предприятий и снижая себестоимость товаров. |
|
| Ученый Пермского Политеха рассказал о «горизонтальном» июльском звездопаде, ПНИПУ, 22:02, 17.07.2026, Россия |
44 |
| С середины июля до конца августа россияне смогут наблюдать звездопад Южные дельта-Аквариды. В ночь на 31 июля ожидается до 25 метеоров в час. Эти метеоры летят почти горизонтально, их называют «пасущимися». Ученый Пермского Политеха объяснил, почему поток стабилен, как на него влияет Юпитер и откуда желтоватый след. |
|
| Улучшает иммунитет, пищеварение и защищает от инсульта: ученый Пермского Политеха назвал 7 причин разрешать себе лениться, ПНИПУ, 22:13, 14.07.2026, Россия |
274 |
| 15 июля отмечается День русской лени. Ученый ПНИПУ рассказал, как она помогает очищать мозг от токсинов, восстанавливать оболочку нервов, повышать иммунитет, улучшать пищеварение, предотвращает образование тромбов, увеличивает фазу медленного сна и поднимает мотивацию, а также чем здоровая лень отличается от вредной. |
|
| Ученый Пермского Политеха объяснил, почему мы испытываем симптомы акклиматизации, даже не покидая родной город, ПНИПУ, 21:26, 14.07.2026, Россия |
52 |
| Резкие перепады температуры могут вызывать у человека симптомы, сходные с теми, что возникают при смене климатической зоны. Ученый ПНИПУ рассказал, что происходит с организмом при температурных контрастах, какие привычные средства самопомощи только вредят и почему самочувствие может ухудшиться уже после нормализации. |
|
|
|
