10.14489/hb.supp.2022.06.pp.001-032

2022, 06 июнь (June)

DOI: 10.14489/hb.supp.2022.06.pp.001-032

Труханов К. А.
ДИНАМИКА ПНЕВМОПРИВОДА. ЦИКЛ ЛЕКЦИЙ. МЕТОДЫ ОПТИМИЗАЦИИ СЛЕДЯЩИХ ПНЕВМОПРИВОДОВ
(с. 1-32)

Аннотация. Рассмотрены основные задачи оптимального проектирования, связанные с выбором оптимальных параметров, оказывающих влияние как на статические, так и на динамические характеристики следящих пневматических устройств – управляющих и исполнительных механизмов. Показана возможность применения одного решающего критерия (целевой функции), обеспечивающего определение оптимальных параметров пневмопривода с поступательным и вращательным движением выходного звена, а также его применение при синтезе следящего пневмоцилиндра. Для вычисления параметров следящего пневмопривода, близких к оптимальным, применен ЛП_t-поиск с двумя критериями. Показано, что предложенная целевая функция может быть использована при синтезе следящих пневмо/гидроприводов с поступательным и вращательным движением выходного звена. Приведена целевая функция для привода с источником энергии. Рассмотрен выбор оптимальных значений параметров цифрового ПИД-регулятора для устранения в системах автоколебаний, а также оптимизация вида переходных процессов следящего пневматического привода. Причиной исследования послужила проблема возникновения автоколебаний в пневматических системах при применении моделей трения, наиболее приближенных к реальным. Выполнен переход от аналоговой (непрерывной) системы к цифровой (дискретной), для осуществления которого необходимо определить период дискретизации. Указаны основные методы определения периода дискретизации и приведены недостатки этих методов. Определены критерии, позволяющие выбрать оптимальные параметры уплотнения поршня привода. В качестве критериев предлагается использовать объемный КПД h_о привода, характеризующий степень герметичности и условия его работы, и гидромеханический h_гм КПД привода, учитывающий потери энергии вследствие гидравлического сопротивления и трения при движении поршня. Приведены расчетные зависимости для h_о и h_гм. Научной новизной представленных в статье результатов является то, что решена задача структурной (статической) и динамической оптимизации конструкции следящего пневматического устройства. Отличительная особенность приведенных методов выбора оптимальных параметров следящего пневматического устройства заключается в том, что они используются не на заключительном этапе разработки, а на стадии проектирования вновь разрабатываемого изделия, что позволяет экономить средства, время и затраты на проведение дорогостоящих испытаний. Данная статья используется 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: оптимизация; методы оптимизации; критерии оптимизации; функция целевая; ПИД-регулятор; регулятор дискретный; время дискретизации; привод следящий; ЛП-_t-поиск; процесс переходный.

Trukhanov K. A.
DYNAMICS OF PNEUMATIC DRIVE. LECTURE CYCLE. OPTIMIZATION METHODS FOR SERVO PNEUMATIC DRIVES
(pp. 1-32)

Abstract. The paper considers the main problems of optimal design associated with the choice of optimal parameters that affect both the static and dynamic characteristics of the pneumatic servo drives – control and actuator mechanisms. The possibility of using one decisive criterion (objective function) is shown, which provides the determination of optimal parameters of a pneumatic actuator with forward and rotational movement of the output link, as well as its application in the synthesis of a servo pneumatic cylinder. To calculate the parameters of the servo pneumatic actuator that are close to optimal, a two-criteria LP_t-search was applied. It is shown and the corresponding conclusion is made that the proposed objective function can be used in the synthesis of tracking pneumatic/hydraulic drives with forward and rotational motion of the output link. In addition, the objective function for a drive with an energy source is given. The choice of optimal values of the parameters of the digital PID controller to eliminate self-oscillation in systems, as well as optimization of the type of transients of the tracking pneumatic drive is considered. The reason for the study was the problem of the occurrence of self-oscillations in pneumatic systems when using friction models that are closest to real ones. The transition from an analog (continuous) system to a digital (discrete) one is shown and performed, for which it is necessary to determine the sampling period. The paper specifies the main methods for determining the sampling period and shows the disadvantages of these methods. Its described of the criteria definition allowing to choose the optimum parameters of the actuator piston seal. As criteria, it is proposed to use of the actuator’s volume efficiency h_о , characterizing the degree of tightness and operating conditions, and hydromechanical h_гм efficiency of the actuator, taking into account energy losses due to hydraulic resistance in the channels and friction in it. There are given the calculated dependences for h_о and h_гм. The scientific novelty of the results presented in the work is that the problem of structural (static) and dynamic optimization of the design of a servo pneumatic device has been solved. A distinctive feature of the above methods for selecting the optimal parameters of a servo pneumatic device is that they are used not at the final stage of development, but at the design stage of a newly developed product, which saves money, time and costs for conducting expensive tests. 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: Optimization; Optimization methods; Optimization criteria; Target function; PID controller; Discrete Controller; Sampling time; Servo drive; LP-_t-search; Transient process.

+ - 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. Попов Д. Н. Оценка эффективности и оптимальное проектирование гидроприводов // Вестник машиностроения. 1986. № 9. С. 20 – 23.
2. Kirill Trukhanov. Selection of Optimal Parameters of the Pneumatic/Hydraulic Actuator // Robots in Human Life Proceedings of the Twenty Third International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines. CLAWAR Association Ltd, UK. Pgs. 155-163. https://doi.org/ 10.13180/clawar.2020.24-26.08.10
3. Ефремова К. Д., Труханов К. А. Синтез следящего пневмо/гидропривода // Наука и Образование. 2017. № 7. С. 75 – 86. DOI 10.7463/0717.0001192
4. Труханов К. А., Попов Д. Н. Выбор оптимальных параметров гидропривода вентилятора для системы охлаждения двигателя транспортного средства. // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 7. DОI 10.7463/0713.0590873
5. Соболь И. М., Статников Р. Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями: учеб. пособие для вузов. М.: Дрофа, 2006. 176 с.
6. Боровин Г. К., Попов Д. Н. Многокритериальная оптимизация гидросистем: учеб. пособие для вузов. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 94 с.
7. 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.
8. Вороновский Г. К., Махотило К .В., Петрашев С. Н., Сергеев С. А. Генетические алгоритмы, искусственные нейронные сети и проблемы виртуальной реальности. Харьков: Основа, 1997. 112 с.
9. Панченко Т. В. Генетические алгоритмы: учеб. пособие. Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2007. 88 с.
10. Труханов К. А., Ефремова К. Д., Макаров И. В. Методика идентификации передаточной функции пневмо/ гидроаппаратов // Изв. МГТУ «МАМИ». 2016. № 4(30). С. 74 – 81
11. Труханов К. А. Цифровой ПИД-регулятор для пневмо/гидросистем // Изв. МГТУ «МАМИ». 2018. № 3(37). С.65 – 75.
12. 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
13. Попов Д. Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987. 464 с.
14. Труханов К. А., Долгин Б. А., Попов Д. Н. Выбор оптимальных параметров уплотнения поршня буровых насосов // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2018 № 9. С. 7 – 15.

Eng

1. Popov D. N. (1986). Evaluation of efficiency and optimal design of hydraulic drives. Vestnik mashinostroeniya, (9), pp. 20 – 23. [in Russian language]
2. Trukhanov K. Selection of Optimal Parameters of the Pneumatic/Hydraulic Actuator. Robots in Human Life Proceedings of the Twenty Third International Conference on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines. CLAWAR Association Ltd, pp. 155 – 163. Available at: https://doi.org/10.13180/clawar. 2020.24-26.08.10
3. Efremova K. D., Trukhanov K. A. (2017). Synthesis of servo pneumatic/hydraulic drive. Nauka i Obrazovanie, (7), pp. 75 – 86. [in Russian language] DOI 10.7463/0717.0001192
4. Trukhanov K. A., Popov D. N. (2013). Selection of the optimal parameters of the fan hydraulic drive for the vehicle engine cooling system. Nauka i obrazovanie. MGTU im. N. E. Baumana. Elektronniy zhurnal, (7). [in Russian language] DОI 10.7463/0713.0590873
5. Sobol' I. M., Statnikov R. B. (2006). Choice of optimal parameters in problems with multiple criteria: textbook for universities. Moscow: Drofa. [in Russian language]
6. Borovin G. K., Popov D. N. (2007). Multicriteria optimization of hydraulic systems: textbook for universities. Moscow: MGTU im. N. E. Baumana. [in Russian language]
7. Trukhanov K. A. (2019). Methods for designing optimal servo pneumatic devices for controlling systems with liquid working media. Moscow: Moskva. [in Russian language]
8. Voronovskiy G. K., Mahotilo K.V., Petrashev S. N., Sergeev S. A. (1997). Genetic algorithms, artificial neural networks and problems of virtual reality. Har'kov: Osnova. [in Russian language]
9. Panchenko T. V. (2007). Genetic algorithms: textbook. Astrahan': Izdatel'skiy dom «Astrahanskiy universitet». [in Russian language]
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. Trukhanov K. A. (2018). Digital PID controller for pneumatic/hydraulic systems. Izvestiya MGTU «MAMI», 37(3), pp.65 – 75. [in Russian language]
12. 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
13. Popov D. N. (1987). Dynamics and regulation of hydraulic and pneumatic systems: a textbook for universities. 2nd ed. Moscow: Mashinostroenie. [in Russian language]
14. Trukhanov K. A., Dolgin B. A., Popov D. N. (2018). The optimum parameters’s choosing for the piston sealing of mud pumps. Spravochnik. Inzhenerniy zhurnal s prilozheniem, (9), pp. 7 – 15. [in Russian language] DOI 10.14489/hb.2018.09.pp.007-015

+ - 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.2022.06.pp.001-032

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.2022.06.pp.001-032

and fill out the form