10.14489/hb.supp.2022.08.pp.001-020

2022, 08 август (August)

DOI: 10.14489/hb.supp.2022.08.pp.001-020

Труханов К. А.
ДИНАМИКА ПНЕВМОПРИВОДА. ЦИКЛ ЛЕКЦИЙ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СЛЕДЯЩЕГО ПНЕВМОПРИВОДА
(с. 1-20)

Аннотация. В работе рассмотрены базовые понятия математической модели. Показана связь модели и реальности и ее место, и актуальность в современном мире. Представлена разработанная математическая модель следящего пневматического устройства, включающего в себя исполнительный механизм и пропорциональный или дискретный пневматический распределитель. Приведены основные уравнения, описывающие динамику следящего пневматического устройства, граничные и начальные условия, позволяющие проводить анализ устойчивости привода. Представлена нелинейная объектно-ориентированная компьютерная модель следящего пневматического устройства. Модель построена в виде блоксхем уравнений, описывающих связи между исходными физическими величинами. Показано влияние характера индуктивности катушки электромагнита на динамические свойства системы. Представлен разработанный метод идентификации передаточной функции пневматических аппаратов и его применения при составлении математических моделей. Создана методика исследования устойчивости пневмосистем, основанная на установлении однозначной взаимосвязи полученных экспериментальным путем частотных характеристик пневмоаппарата, входящего в систему, и вида его передаточной функции. Получен вид передаточных функций для рассматриваемых пневмоаппаратов. Для представленных в работе пропорциональных пневмораспределителей сформулированы и определены показатели качества переходных процессов во временной области, найдены запасы по фазе и амплитуде. Сформулированы критерии работоспособности пневмосистем. Приведены соотношения для определения описанных критериев. Установлены границы работоспособности систем с пневмоприводом. Научной новизной представленных в работе результатов является то, что создана нелинейная объектно-ориентированная компьютерная модель следящего пневматического устройства, в отличие от существующих, построена в виде блоксхем уравнений, описывающих связи между исходными физическими величинами, и обладающая принципом модульности. Модель включает передаточную функцию управляющих устройств, полученную с помощью разработанного метода идентификации параметров передаточной функции. Данная работа основана и внедрена в качестве учебного материала курса «Динамика пневмопривода», читаемого автором в МГТУ им. Н. Э. Баумана на кафедре «Гидромеханика, гидромашины и гидропневмоавтоматика» (Э10), в рамках подготовки магистров по специальности 05.04.13 «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты».

Ключевые слова: модель математическая; привод следящий; привод пневматический; распределитель дискретный; распределитель пропорциональный; передаточная функция; система нелинейная; процесс переходный; блок-схема.

Trukhanov K. A.
DYNAMICS OF PNEUMATIC DRIVE. LECTURE CYCLE.MATHEMATICAL MODEL OF THE SERVO PNEUMATIC ACTUATOR
(pp. 1-20)

Abstract. The paper considers the basic concepts of a mathematical model. The connection between the model and reality and its place and relevance in the modern world is shown. The developed mathematical model of a servo pneumatic device, which includes an actuator and a proportional or discrete pneumatic valve, is presented. The basic equations describing the dynamics of the servo pneumatic device, boundary and initial conditions are given, which make it possible to analyze the stability of the drive. A non-linear object-oriented computer model of a pneumatic servo device is presented. The model is built in the form of block diagrams of equations that describe the relationship between the original physical quantities. The influence of the nature of the inductance of the electromagnet coil on the dynamic properties of the system is shown. The developed method for identifying the transfer function of pneumatic devices and its application in the preparation of mathematical models is presented. A technique for studying the stability of pneumatic systems has been created, based on establishing an unambiguous relationship between the experimentally obtained frequency characteristics of the pneumatic apparatus included in the system and the type of its transfer function. The form of transfer functions for the pneumatic devices under consideration is obtained. For the proportional pneumatic valves presented in the work, the quality indicators of transient processes in the time domain are formulated and determined, and the phase and amplitude margins are found. The criteria for the performance of pneumatic systems are formulated. The ratios for determining the described criteria are given. The boundaries of the operability of systems with a pneumatic drive have been established. The scientific novelty of the results presented in the work is that a non-linear object-oriented computer model of a servo pneumatic device has been created, unlike the existing ones, it is built in the form of block diagrams of equations that describe the relationship between the initial physical quantities, and has the principle of modularity. The model includes the transfer function of the control devices obtained using the developed method for identifying the parameters of the transfer function. This work is based and is implemented as a course of lectures of the course “Dynamics of Pneumatic drive”, is red by the author at the Bauman Moscow State Technical University at the Department of “Hydromechanics, Hydraulic Machines and Hydropneumoautomatics” (E10), as part of the preparation of masters in the specialty 05.04.13 – Hydraulic machines and hydropneumatic drives.

Keywords: Mathematical model; Servo drive; Pneumatic drive; Discrete valve; Proportional valve; Transfer function; Non-linear system; Transient process; Block diagram.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

К. А. Труханов (Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, Москва, Россия) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Eng

K. A. Trukhanov (Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia) E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Труханов К. А. Методы проектирования оптимальных следящих пневматических устройств для управления системами с жидкими рабочими средами: дис. ... д-ра техн. наук. М.: Москва, 2019. 301 с.
2. Труханов К. А. Применение «длинных линий» в современной подводной добывающей промышленности // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2020. № 4. С. 43 – 51.
3. Труханов К. А., Нестеров А. С. Способы решения проблем, возникающих в гидросистемах оборудования при выполнении технологических работ в подводной добывающей промышленности // Газовая промышленность. 2020. Спецвыпуск № 2(802). Автоматизация. С. 48 – 56.
4. DNV-RP-0513. Assurance of Simulation Models. Введ. 2021-06. Recommended practice – DNV-RP-0513. Edition June 2021. 97 p.
5. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 464 с.
6. Донской А. С. Математическое моделирование процессов в пневматических приводах: учеб. пособие. СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2009. 122 с.
7. Труханов К. А. Математическое моделирование гидропривода вентилятора для системы охлаждения автомобильного двигателя // Изв. МГТУ «МАМИ». 2012. № 1(13). С. 84 – 96.
8. Труханов К. А. Синтез гидропривода с дискретно управляемым движением выходного звена: дис. ... канд. техн. наук // Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана. М., 2013.
9. Труханов К. А., Попов Д. Н., Ефремова К. Д. Влияние электродинамических свойств пневмо/гидрораспределителей на расчет систем при математическом моделировании // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2018. № 10. С. 42 – 48.
10. Труханов К. А., Ефремова К. Д., Макаров И. В. Методика идентификации передаточной функции пневмо/гидро-аппаратов // Изв. МГТУ «МАМИ». 2016. № 4(30). С. 74 – 81
11. Машиностроение. Энциклопедия / ред. совет: К. В. Фролов (пред.) и др. Т. IV-2. Электропривод. Гидро- и виброприводы. В 2-х кн. Кн. 2. Гидро- и виброприводы / Д. Н. Попов, В. К. Асташев, А. Н. Густомясов и др.; под общ. ред. Д. Н. Попова, В. К. Асташева. М.: Машиностроение, 2012. 304 с.
12. Попов Е. П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 256 с.
13. Andersen B. W. The Analysis and Design of Pneumatic Systems, New York, USA, John Wiley&Sons, 2001.
14. Труханов К. А. Цифровой ПИД-регулятор для пневмо/ гидросистем // Изв. МГТУ «МАМИ». 2018. № 3(37). С. 65 – 75.
15. Киреева В. А., Труханов К. А. Устойчивость следящего пневматического привода в зависимости от принятой модели трения // Гидравлика. 2020. № 11. С. 80 – 96.
16. Киреева В. А., Труханов К. А. Оптимизация переходных процессов следящего пневматического привода с учетом модели трения с эффектом Штрибека // Изв. МГТУ «МАМИ». 2021. № 2(48). С. 71 – 80. DOI 10.31992/2074-0530-2021-48-2-71-80
17. Труханов К. А. Работоспособность пневмо/гидросистем в условиях непредсказуемых возмущений // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2018 № 12.

Eng

1. Trukhanov K. A. (2019). Methods for designing optimal servo pneumatic devices for controlling systems with liquid working media. Moscow: Moskva. [in Russian language]
2. Trukhanov K. A. (2020). The use of hydraulic “long” lines in modern subsea production facilities. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (4), pp. 43 – 51. [in Russian language] DOI 10.14489/hb.2020.04.pp.043-051
3. Trukhanov K. A., Nesterov A. S. (2020). Methods for solving problems that arise in the hydraulic systems of equipment when performing technological work in the underwater mining industry. Gazovaya promyshlennost'. Spetsvypusk. Avtomatizatsiya, 802(2), pp. 48 – 56. [in Russian language]
4. Assurance of Simulation Models. (2021). Recommended practice – DNV-RP-0513.
5. Popov D. N. (1987). Dynamics and regulation of hydraulic and pneumatic systems: a textbook for universities. 2nd ed. Moscow: Mashinostroenie. [in Russian language]
6. Donskoy A. S. (2009). Mathematical modeling of processes in pneumatic drives: textbook. Saint Petersburg: Izdatel'stvo politekhnicheskogo universiteta. [in Russian language]
7. Trukhanov K. A. (2012). Mathematical modeling of a fan hydraulic drive for the cooling system of an automobile engine. Izvestiya MGTU «MAMI», 13(1), pp. 84 – 96. [in Russian language]
8. Trukhanov K. A. (2013). Synthesis of a hydraulic drive with discretely controlled movement of the output link. Moscow: Moskovskiy gosudarstvenniy tekhnicheskiy universitet im. N. E. Baumana. [in Russian language]
9. Trukhanov K. A., Popov D. N., Efremova K. D. (2018). The influence of electrodynamic of pneumatichydraulic valves by the calculation of systems at a mathematical modeling. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (10), pp. 42 – 48. [in Russian language] DOI 10.14489/hb.2018.10.pp.042-048
10. Trukhanov K. A., Efremova K. D., Makarov I. V. (2016). Method for identifying the transfer function of pneumatic/hydraulic devices. Izvestiya MGTU «MAMI», 30(4), pp. 74 – 81. [in Russian language]
11. Frolov K. V., Popov D. N., Astashev V. K. (Eds.), Gustomyasov A. N. et al. (2012). Engineering. Encyclopedia. Vol. IV-2. Electric drive. Hydraulic and vibration drives. In 2 books. Book. 2. Hydraulic and vibration drives. Moscow: Mashinostroenie. [in Russian language]
12. Popov E. P. (1988). Theory of nonlinear systems of automatic regulation and control. Moscow: Nauka. Glavnaya redaktsiya fiziko-matematicheskoy literatury. [in Russian language]
13. Andersen B. W. (2001). The Analysis and Design of Pneumatic Systems. New York: John Wiley&Sons.
14. Trukhanov K. A. (2018). Digital PID controller for pneumatic/hydraulic systems. Izvestiya MGTU «MAMI», 37(3), pp. 65 – 75. [in Russian language]
15. Kireeva V. A., Trukhanov K. A. (2020). Stability of the servo pneumatic drive depending on the adopted friction model. Gidravlika, (11), pp. 80 – 96. [in Russian language]
16. Kireeva V. A., Trukhanov K. A. (2021). Optimization of transient processes of a servo pneumatic drive taking into account the friction model with the Stribeck effect. Izvestiya MGTU «MAMI», 48(2), pp. 71 – 80. [in Russian language] DOI 10.31992/2074-0530-2021-48-2-71-80
17. Trukhanov K. A. (2018). Operability of pneumatic-, hydraulic systems in conditions of unpredictable disturbances. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (12), pp. 36 – 46. [in Russian language] DOI 10.14489/hb.2018.12.pp.036-046

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).

Стоимость статьи 500 руб. (в том числе НДС 18%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.

После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.

Для заказа скопируйте doi статьи:

10.14489/hb.supp.2022.08.pp.001-020

и заполните форму

Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.

Eng

This article is available in electronic format (PDF).

The cost of a single article is 500 rubles. (including VAT 18%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.

After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.

To order articles please copy the article doi:

10.14489/hb.supp.2022.08.pp.001-020

and fill out the form