Implementación optimizada de algoritmos de búsqueda en hardware avanzado para aplicaciones

104 Pages·2017·18.33 MB·Spanish

Proyecto Fin de Carrera
Proyecto Fin de Grado
Ingeniería de Telecomunicación
Grado en Ingeniería Aeroespacial
Intensificación de Navegación Aérea
Implementación optimizada de
algoritmos de búsqueda en hardware
FormavaatondzeadPoubplicaarcaióanpdleiclaacEioscnueesladTeécanlictaa
Superior de Ingeniería
potencia
Autor: Francisco Javier González Rodríguez
Autor: F. Javier Payán Somet
Tutor:TJuutaonr:JoMséaMrtuarLillaogFuuneantGesarcía
Departamento de Ingeniería Electrónica
Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones
EEssccuueelalaTTécéncincaicSaupSeurpioerrdioerIndgeenIinegríeaniería
UUninveivrseirdsaiddadde SdeeviSlleavilla
SeviSlleav,i2l0la1,32017

Proyecto Fin de Grado
Grado en Ingeniería Aeroespacial
Intensificación de Navegación Aérea
Implementación optimizada de
algoritmos de búsqueda en hardware
avanzado para aplicaciones de alta
potencia
Autor:
Francisco Javier González Rodríguez
Tutor:
Marta Laguna García
ProfesorContratado
Departamento de Ingeniería Electrónica
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla,2017

ProyectoFindeGrado: Implementaciónoptimizadade
algoritmos de búsqueda en hardware avanzado para
aplicacionesdealtapotencia
Autor: FranciscoJavierGonzálezRodríguez
Tutor: MartaLagunaGarcía
Eltribunalnombradoparajuzgareltrabajoarribaindicado,compuestoporlossiguientes
profesores:
Presidente:
Vocal/es:
Secretario:
acuerdanotorgarlelacalificaciónde:
ElSecretariodelTribunal
Fecha:

Agradecimientos
E
nprimerlugar,megustaríadedicarunafectuosoagradecimientoamitutora,Marta
Laguna, así como a José Ignación León, por toda la ayuda y confianza que han
demostrado en mi entrada al mundo de la Electrónica de Potencia. Nunca encontraré
palabras suficientes para expresar mi gratitud de dejarme formar parte de este grupo de
trabajo.
Deigualforma,agradecerlalabordeRamónPortillo,porsuinvaluablelabortécnica
en preparar todo los equipamientos necesarios, así como a Leopoldo García Franquelo,
Sergio Vázquez y Abraham Marquez por sus acertadas propuestas y sugerencias en la
elaboracióndeestetrabajo,conespecialafectoaesteúltimoporsuinspiradoralaborcrítica
yderevisióndeladocumentación.
Agradecer por supuesto a mis padres, Tere y Paco, cuantísimos esfuerzos han tenido
queasumirparaquehoyestéaquíyseaquiensoy. Ellossiempre sabránquehansidomis
modelosaseguir.
Medisculporpornopodernombrar atodasaquellaspersonasque,deunaformauotra,
han aportado su grano de arena a que este documento haya sido editado y no han sido
recogidasaquí. Noobstante,hedenombrar: aJoannaPakuła-sheknowswhy!-,aMarcelo
MenesesMarín,porsu implacableinterésentodo ysugran capacidadparaaportar laidea
necesaria en el momento adecuado, a Fco. Garrocho López, por tantísimos momentos
especialesenestoscuatroañosdecamino-¡ylosquequedan!-yaAntonioMartínMorilla,
poraquellasideasquehansurgidojuntosalladodeunatazadecafé.
Porúltimo, agradeceralMinistero deEducación,Cultura yDeportey alaUniversidad
de Sevilla por su ayuda bajo el programa de ’Becas de Colaboración de estudiantes en
departamentosuniversitariosparaelcursoacadémico2016-2017’.
I

Resumen
E
laumentoincesantedelademandadeenergíahaconllevadolainstalacióndesistemas
de producción de energía de mayor potencia. Sin embargo, estos sistemas de alta
potenciatienenunosparámetrosmuyestrictosencuantoaeficiencia,robustez,tolerancia
afallos,fácilmantenimiento,etcétera.
Enalgunasaplicacionesdesistemasdealtapotencia,unadelastécnicasdemodulación
y control aplicadas es la eliminación selectiva de armónicos. Este método de control y
modulaciónse basaen elestudio aprioridelcontenido armónicodelas formas deonda
de salida del convertidor, facilitando el diseño del filtro de salida del convertidor, pero
limitando las pérdidas por conmutación del equipo, lo que hace que el rendimiento del
mismosemantengaporencimadeloslímitesrequeridos.
Lastécnicasdeeliminaciónselectivadearmónicosnecesitandeunacapacidaddecálculo
enorme parallevar a cabo unagran cantidad de operaciones nolineales con el objeto de
resolverunsistemadeecuacionescomplejo. Existenenlabibliografíamúltiplesmétodos
debúsqueda matemáticospara resolverestetipo desistemasde ecuaciones(se muestra un
ejemploen Fig. 1), perolavelocidadde resolucióndelmismo hacequenecesariamenteel
procesotengaquerealizarseoffline,nopudiéndoseimplementarentiemporeal,quesería
lomáseficiente.
Además,recientementesehapresentadolatécnicademitigaciónselectivadearmónicos,
queplantearesolverunsistemadeinecuacionesenvezdeunsistemadeecuaciones. Esto
hacequelabúsquedadesolucionesseaaúnmáscompleja.
Laevolucióndelossistemasmicroprocesadoresenlasúltimasdécadashahechoquese
puedanrealizarmillonesdeinstruccionesporsegundoyquenoseadescabelladopensar
en llevar a cabo técnicas de eliminación selectiva de armónicos en tiempo real. Uno de
estos potentes sistemas de procesamiento digital es el sistema denominado CUDA, que
presentaunacapacidaddecálculomuyaltagraciasalmúltipleprocesamientoparalelode
instrucciones. UndiagramadelaarquitecturasemuestraenFig. 2. Estetipodesistema
hardwaresehadiseñadoinicialmenteparaelprocesamientodegráficosytexturas,perosu
diseñoversátilhapermitidotambiénmodelosdedicadosalastareasespecíficasdelámbito
científico.
Elalcancedeestetrabajosefijaráendoshitosrelacionadosconelproblemademitigación
selectivadearmónicos:
1. ElestudiodeunmétodoexistenteparalaresolucióndelproblemadeSHM,conocido
por simmulated annealing. Para ello se partirá de la existente implementación del
III
IV Resumen
Figure1 Implementación de un algoritmo de eliminación selectiva de armónicos de tres
ángulos y necesidadde realizar una mitigaciónde armónicos para cumplir con la
normativa.
Figure2 ProcesamientoparalelodedatosenelsistemaCUDA.Reproducidobajolicencia
CCBY3.0porTosaka-commonswiki.
algoritmo en CUDA, sobre la cual se estudiarán las posibilidades de optimización
queofrecenlasnuevasherramientasdedesarrollodisponibles.
2. La propuesta de un nuevo algoritmo, propuesto en 2014 por Naser Ghorbani y
Ebrahim Babaeri, conocido por exchange market algorithm (EMA). Se realizará
la implementación del problema del mismo en el entorno de MATLAB, comparán-
dose los tiempos de ejecución de ambas resoluciones. Se realizará un montaje en
Simulink/SimPowerSystems con motivo de probar las soluciones obtenidas. Por
último,seimplementaráuninterfazsencillo,conlafinalidaddefacilitaralusuariola
interacciónconelgeneradordesoluciones.