Системи керування слідкуючим пневмоприводом за положенням з компенсацією тертя

Автор(и)

  • Артур Нікітін Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0009-0009-7768-3851
  • Олег Левченко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» , Україна image/svg+xml https://orcid.org/0000-0002-7620-9009

DOI:

https://doi.org/10.20535/2521-1943.2024.8.4(103).313292

Ключові слова:

Пневматика, сервопривід, пневматичний циліндр, пневматичний розподільник, регулювання тиску, регулювання положення

Анотація

Робота присвячена розробці систем керування слідкуючим пневматичним приводом з урахуванням поточного положення робочого органу виконавчого пристрою та величини тертя в парах тертя виконавчого пристрою. Реалізація позиціонування пневматичного приводу є складною технічною задачею, але водночас надзвичайно актуальною, так як промислові системи сучасного виробництва вимагають виконання технологічних операцій не лише з високою швидкістю, а й з високою точністю позиціонування робочого органу виконавчого пристрою. У роботі також розглянуто системи керування пневматичними приводами за положенням робочого органу з урахуванням нелінійності руху обумовлених силами тертя в пневматичному приводі. Тертя в контактних парах пневматичних виконавчих пристроїв негативно впливає на роботу приводів, особливо з врахуванням залежності тертя від температури навколишнього середовища, стану поверхні контактних пар, наявності та якості змащувальних матеріалів тощо. Дослідження демонструє існуючі системи керування та реалізовані статичні та динамічні моделі компенсації тертя і вплив таких моделей на точність і керованість систем при різних видах регуляторів і схем реалізації, в тому числі на пропорційних розподільниках з аналоговим керуванням та швидкодіючих розподільниках прямої дії. Проведено аналіз систем позиціонування з можливістю регулювання вхідного тиску і вплив таких системних рішень на жорсткість системи та її швидкодію. В роботі сформульовано мету для подальших наукових досліджень та визначено перелік задач, необхідних для реалізації поставленої в роботі мети. Також представлено конструктивне рішення випробувального стенду з можливістю реалізації адаптивного регулювання зусилля виконавчого пристрою в залежності від зміни експлуатаційних параметрів технологічної операції а також зміни параметрів роботи пневматичної системи в цілому.

Посилання

  1. J. R. Phillips, "A Longitudinal Slip Tire Model for Brake Control Systems: Features and Uses in Simulation, Control Synthesis and Stability Analysis", in SAE Transactions, vol. 111, 2002, pp. 507–515. Available: https://www.jstor.org/stable/44718459.
  2. J. Chung, R. Heimgartner, C. T. Oneill, N. S. Phipps and C. J. Walsh, “ExoBoot, a Soft Inflatable Robotic Boot to Assist Ankle During Walking: Design, Characterization and Preliminary Tests”, in 2018 7th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Biorob), Enschede, Netherlands, 2018, pp. 509-516. DOI: https://doi.org/10.1109/biorob.2018.8487903.
    |
  3. P. Qian, C. Pu, L. Liu, D. He, L. M. Ruiz Páez and D. Meng, “A novel high-frequency resonance controllable pneumatic actuator and its high-precision motion trajectory tracking control”, Mechatronics, vol. 96, p. 103089, 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2023.103089.
  4. J. F. Carneiro and F. G. de Almeida, “Using a Conventional Servopneumatic System for Robust Motion Control in the Micrometer Range”, in ASME 2014 12th Biennial Conference on Engineering Systems Design and Analysis. Volume 3: Engineering Systems; Heat Transfer and Thermal Engineering; Materials and Tribology; Mechatronics; Robotics. Copenhagen, Denmark, 2014. DOI: https://doi.org/10.1115/esda2014-20263.
  5. Y. Wang, H. Su, K. Harrington and G. S. Fischer, “Sliding Mode Control of Piezoelectric Valve Regulated Pneumatic Actuator for MRI-Compatible Robotic Intervention”, in ASME 2010 Dynamic Systems and Control Conference, Volume 2. Cambridge, Massachusetts, USA, 2010, pp. 23-28. DOI: https://doi.org/10.1115/dscc2010-4203.
  6. N. Yu, C. Hollnagel, A. Blickenstorfer, S. S. Kollias and R. Riener, “Comparison of MRI-Compatible mechatronic systems with hydrodynamic and pneumatic actuation”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 13, no. 3, pp. 268–277, Jun. 2008. DOI: https://doi.org/10.1109/tmech.2008.924041.
    |
  7. P. R. Dahl, A Solid Friction Model. Aerospace Report No. TOR-0158(3107-18)-1. Aerospace Corporation, El Segundo, CA, 1968. Available: https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA041920.pdf.
  8. James R. Phillips, “An Integrated Stribeck Friction Model: Analysis, Simulation, and Comparison with Dahl and LuGre", Simulation, 2025. DOI: https://doi.org/10.1177/00375497241300179.
  9. J. Song and Y. Ishida, “A robust sliding mode control for pneumatic servo systems”, International Journal of Engineering Science, vol. 35, no. 8, pp. 711–723, Jun. 1997. DOI: https://doi.org/10.1016/s0020-7225(96)00124-3.
  10. M. Iskandar Putra, A. Irawan and R. Mohd Taufika, “Fuzzy Self-Adaptive Sliding Mode Control for pneumatic cylinder Rod-Piston Motion Precision Control”, Journal of Physics: Conference Series, vol. 1532, no. 1, p. 012028, Jun. 2020. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1532/1/012028.
  11. S. Ning and G. M. Bone, “High steady-state accuracy pneumatic servo positioning system with PVA/PV control and friction compensation”, in Proceedings 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 3. Washington, DC, USA, 2002, pp. 2824-2829. DOI: https://doi.org/10.1109/robot.2002.1013660.
    |
  12. S. Ning and G. M. Bone, “Experimental comparison of two pneumatic servo position control algorithms”, in 2005 IEEE International Conference Mechatronics and Automation, vol. 1, Niagara Falls, ON, Canada, 2005, pp. 37–42. DOI: https://doi.org/10.1109/icma.2005.1626519.
    |
  13. J. Wang, J. Pu and P. Moore, “A practical control strategy for servo-pneumatic actuator systems”, Control Engineering Practice, vol. 7, no. 12, pp. 1483–1488, Dec. 1999. DOI: https://doi.org/10.1016/S0967-0661(99)00115-X.
  14. J.-J. E. Slotine and W. Li, Applied nonlinear control. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1991, 461 p.
  15. C. Canudas de Wit, H. Olsson, K. J. Astrom and P. Lischinsky, “A new model for control of systems with friction”, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 40, no. 3, pp. 419–425, Mar. 1995. DOI: https://doi.org/10.1109/9.376053.
    |
  16. M. Cao, J. Hu and J. Yao, “Adaptive super-twisting sliding mode control with neural network for electromechanical actuators based on friction compensation”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, vol. 238, no. 22, pp. 10581-10596, Aug. 2024. DOI: https://doi.org/10.1177/09544062241271676.
  17. C. L. E. D. Machado, R. Guenther, V. J. De Negri and S. C. P. Gomes, “Cascade Control With Friction Compensasion Based on Artificial Neural Network for a Hydraulic Actuator”, in ASME 2006 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Fluid Power Systems and Technology, Chicago, Illinois, USA, 2006, pp. 121–130. DOI: https://doi.org/10.1115/imece2006-14740.
  18. R. Guenther, E. A. Perondi, E. R. DePieri and A. C. Valdiero, “Cascade controlled pneumatic positioning system with LuGre model based friction compensation”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 28, no. 1, pp. 48-57, Mar. 2006. DOI: https://doi.org/10.1590/S1678-58782006000100006.
  19. K. Li, Y. Zhang, S. Wei and H. Yue, “Evolutionary Algorithm-Based friction feedforward compensation for a pneumatic rotary actuator servo system”, Applied Sciences, vol. 8, no. 9, p. 1623, Sep. 2018. DOI: https://doi.org/10.3390/app8091623.
  20. L. Márton, S. Fodor and N. Sepehri, “A practical method for friction identification in hydraulic actuators”, Mechatronics, vol. 21, no. 1, pp. 350–356, Feb. 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2010.08.010.
  21. R. de Castro, F. Todeschini, R. E. Araújo, S. M. Savaresi, M. Corno and D. Freitas, “Adaptive-robust friction compensation in a hybrid brake-by-wire actuator”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, vol. 228, no. 10, pp. 769–786, 2014. DOI: https://doi.org/10.1177/0959651813507562.
  22. R. B. van Varseveld and G. M. Bone, “Accurate position control of a pneumatic actuator using on/off solenoid valves”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 2, no. 3, pp. 195–204, Sep. 1997. DOI: https://doi.org/10.1109/3516.622972.
    |
  23. Automation solutions for flotation cells. High control precision. Available: https://media.festo.com/media/3763_documentation.pdf.
  24. B. Najjari, S. M. Barakati, A. Mohammadi, M. J. Futohi and M. Bostanian, “Position control of an electro-pneumatic system based on PWM technique and FLC”, ISA Transactions, vol. 53, no. 2, pp. 647–657, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.isatra.2013.12.023.
    |
  25. F. Ning, Y. Shi, M. Cai, Y. Wang and W. Xu, “Research progress of related technologies of Electric-Pneumatic Pressure Proportional valves”, Applied Sciences, vol. 7, no. 10, p. 1074, Oct. 2017. DOI: https://doi.org/10.3390/app7101074.

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-12-26

Як цитувати

[1]
А. Нікітін і О. Левченко, «Системи керування слідкуючим пневмоприводом за положенням з компенсацією тертя», Mech. Adv. Technol., т. 8, вип. 4(103), с. 419–427, Груд 2024.

Номер

Том 8 № 4(103) (2024)

Розділ

Механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2024 Артур Нікітін, Олег Левченко

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з такими умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.

  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.