RU2605513C1 - Method of piston in pneumatic cylinder adaptive braking creating - Google Patents

Method of piston in pneumatic cylinder adaptive braking creating Download PDF

Info

Publication number
RU2605513C1
RU2605513C1 RU2015126122/06A RU2015126122A RU2605513C1 RU 2605513 C1 RU2605513 C1 RU 2605513C1 RU 2015126122/06 A RU2015126122/06 A RU 2015126122/06A RU 2015126122 A RU2015126122 A RU 2015126122A RU 2605513 C1 RU2605513 C1 RU 2605513C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pneumatic cylinder
piston
exhaust
braking
throttle
Prior art date
Application number
RU2015126122/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Петрович Круглов
Андрей Викторович Лесников
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО ИрГУПС)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО ИрГУПС) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Иркутский государственный университет путей сообщения" (ФГБОУ ВО ИрГУПС)
Priority to RU2015126122/06A priority Critical patent/RU2605513C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2605513C1 publication Critical patent/RU2605513C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/22Other details, e.g. assembly with regulating devices for accelerating or decelerating the stroke
    • F15B15/222Other details, e.g. assembly with regulating devices for accelerating or decelerating the stroke having a piston with a piston extension or piston recess which throttles the main fluid outlet as the piston approaches its end position
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/02Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member
    • F15B11/04Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the speed
    • F15B11/046Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the speed depending on the position of the working member
    • F15B11/048Systems essentially incorporating special features for controlling the speed or actuating force of an output member for controlling the speed depending on the position of the working member with deceleration control
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/06Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor involving features specific to the use of a compressible medium, e.g. air, steam

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fluid-Damping Devices (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.
SUBSTANCE: method is intended for production processes automation, particularly in automatic manipulators, as well as in other automatic devices with pneumatic cylinder. Method includes pneumatic cylinder piston braking by creation of air exhaust on output throttle adjustable by adaptive law. Exhaust control adaptive law is creating according to scheme with identifier and specified implicit reference model using ”simplified adaptability conditions” and two-phase structure. Control circuit assumes availability of information sensors on piston displacement and air pressure in pneumatic cylinder exhaust cavity and, optionally, microcontroller generation of control signals. Adjustable exhaust throttle can have any operation principle, providing adequate change in resistance to bleed air motion according to control signals.
EFFECT: smooth braking with specified parameters of pneumatic cylinder piston at end of its travel.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области автоматизации производственных процессов, в частности в автоматических манипуляторах, а также других автоматических устройствах с пневмоцилиндром, функционирующих в условиях априорной неопределенности о текущем внешнем воздействии на поршень пневмоцилиндра с широким диапазоном возможных его значений и законов изменения, также наличии требования плавного с заданными параметрами торможения поршня пневмоцилиндра в конце его хода.The invention relates to the field of automation of production processes, in particular in automatic manipulators, as well as other automatic devices with a pneumatic cylinder, operating under conditions of a priori uncertainty about the current external effect on the piston of the pneumatic cylinder with a wide range of possible values and laws of change, also there is a smooth requirement with given braking parameters of the piston of the pneumatic cylinder at the end of its stroke.

Известны способы торможения в пневмоцилиндре, основанные на использовании внутренних и внешних тормозных дроссельных устройств [Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. - М: Машиностроение, 1972, стр. 293, 294]. В них тормозное усилие формируется за счет ступенчатого уменьшения проходного сечения отводной магистрали в некоторой точке хода поршня пневмоцилиндра, либо плавного изменения указанного сечения по ходу поршня. Это выполняется с помощью специального выступа на поршне и дополнительной камеры, переключателя в отводной магистрали, тормозного золотника, выпускного дросселя с переменным сечением по ходу поршня и др. При этом тормозное усилие определяется предварительной настройкой выпускного дросселя и момента переключения (закона изменения) сопротивления выпускного дросселя по ходу поршня пневмоцилиндра.Known methods of braking in a pneumatic cylinder based on the use of internal and external brake throttle devices [TM Bashta Hydraulic drive and hydropneumatic automation. - M: Engineering, 1972, p. 293, 294]. In them, the braking force is formed due to a stepwise decrease in the passage section of the bypass line at some point of the piston stroke of the pneumatic cylinder, or a smooth change in the specified section along the piston stroke. This is done using a special protrusion on the piston and an additional chamber, a switch in the bypass line, a brake valve, an exhaust throttle with a variable cross-section along the piston, etc. In this case, the braking force is determined by pre-setting the exhaust throttle and the moment of switching (the law of change) of the resistance of the exhaust throttle along the piston of the pneumatic cylinder.

Известно много подобных решений, например патент RU 2447329 С2, 23.06.2010, МПК: F15B 15/22, F16K 31/122.Many such solutions are known, for example, patent RU 2447329 C2, 06/23/2010, IPC: F15B 15/22, F16K 31/122.

Наиболее близким к заявленному способу создания адаптивного торможения в пневмоцилиндре является способ демпфирования перемещения поршня в пневмоцилиндре, предполагающий с помощью блока управления и клапанного механизма вначале в зависимости от положения поршня, в т.ч. в начале его движения, повышение давления в выхлопной камере, а через назначенный промежуток времени - стравливание воздуха из нее (прототип) [патент RU 2489608 С1, 20.10.2010, МПК: F15B 11/068, F15B 15/22, F15B 15/28, F16H 61/28].Closest to the claimed method of creating adaptive braking in the pneumatic cylinder is a method of damping the movement of the piston in the pneumatic cylinder, which involves using the control unit and the valve mechanism at first depending on the position of the piston, including at the beginning of its movement, increasing pressure in the exhaust chamber, and after a designated period of time - bleeding air from it (prototype) [patent RU 2489608 C1, 10/20/2010, IPC: F15B 11/068, F15B 15/22, F15B 15/28 F16H 61/28].

Основной недостаток указанных способов торможения в пневмоцилиндре (в т.ч. и прототипа) заключается в том, что они рассчитаны на заранее известное значение внешнего воздействия на поршень пневмоцилиндра, закон его изменения при перемещении поршня или достаточно узкую область их возможных вариаций. Поэтому не способны обеспечить требуемого качества торможения в условиях, когда заранее неизвестно значение внешнего воздействия на поршень и характер его изменения при достаточно широкой области их возможных реализаций. В частности, эти способы не учитывают случай, когда внешняя нагрузка изменяется не только по мере перемещения поршня, но и изменяется во времени.The main disadvantage of these methods of braking in the pneumatic cylinder (including the prototype) is that they are designed for a previously known value of the external impact on the piston of the pneumatic cylinder, the law of its change when moving the piston, or a rather narrow area of their possible variations. Therefore, they are not able to provide the required braking quality under conditions when the value of the external action on the piston and the nature of its change are not known in advance with a sufficiently wide range of their possible implementations. In particular, these methods do not take into account the case when the external load changes not only as the piston moves, but also changes in time.

Целью предлагаемого изобретения является устранение недостатка существующих способов торможения поршня в пневмоцилиндре с регулируемым выхлопом в виде обеспечения заданного качества торможения только при заранее известных значениях внешнего воздействия на поршень, закона его изменения при перемещении поршня, или достаточно узкой области их возможных реализаций, а также расширение функциональных возможностей таких устройств.The aim of the invention is to eliminate the disadvantage of existing methods of braking the piston in a pneumatic cylinder with adjustable exhaust in the form of ensuring a given quality of braking only with previously known values of the external impact on the piston, the law of its change when moving the piston, or a fairly narrow area of their possible implementations, as well as expanding the functional capabilities of such devices.

Поставленная цель достигается использованием адаптивного способа торможения поршня в пневмоцилиндре, который реализуют с помощью управляемого дросселя с изменением проходного сечения, величину которого формируют в зависимости от положения поршня в пневмоцилиндре и давления в выхлопной камере по двухступенчатой схеме адаптивного управления. На первой ступени вычисляют желаемое давление в выхлопной камере на основе оценок первого алгоритма текущей идентификации и параметров основной эталонной модели. На второй ступени формируют величину проходного сечения дросселя на основе желаемого давления, оценки второго алгоритма текущей идентификации и параметра дополнительной эталонной модели. При этом в двухступенчатой схеме адаптивного управления используют рекуррентные алгоритмы текущей идентификации для оценки неизвестных параметров математической модели движения поршня в пневмоцилиндре, а неявные эталонные модели используют для задания требуемых характеристик торможения поршня в пневмоцилиндре и качества управления.This goal is achieved by using the adaptive method of braking the piston in the pneumatic cylinder, which is implemented using a controlled throttle with a change in the bore, the value of which is formed depending on the position of the piston in the pneumatic cylinder and the pressure in the exhaust chamber according to a two-stage adaptive control circuit. In the first stage, the desired pressure in the exhaust chamber is calculated based on the estimates of the first current identification algorithm and the parameters of the main reference model. At the second stage, the throttle bore is formed based on the desired pressure, the second algorithm for the current identification and the parameter of the additional reference model. Moreover, in a two-stage adaptive control scheme, recurrent algorithms of current identification are used to evaluate unknown parameters of the mathematical model of piston movement in the pneumatic cylinder, and implicit reference models are used to set the required characteristics of piston braking in the pneumatic cylinder and control quality.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием и приведенными фигурами.The essence of the invention is illustrated by the following description and the figures.

На фиг. 1 показана схема пневматического демпфера с регулируемым выхлопом. На фиг. 2 представлены результаты исследований работы адаптивного демпфера на основе компьютерного имитационного моделирования.In FIG. 1 shows a diagram of a pneumatic damper with adjustable exhaust. In FIG. 2 presents the results of studies of the adaptive damper based on computer simulation.

На фиг. 1 представлена схема пневматического демпфера с регулируемым выхлопом с элементами: 1 - присоединенная масса; 2 - шток; 3 - цилиндр; 4 - поршень (поршень, шток и присоединенная масса представляют поршневую группу - единое тело); 5 - выхлопная камера; 6 - регулируемый выхлопной дроссель с изменяемым проходным сечением; 7 - выхлопная магистраль. На фиг. 1 для дальнейших пояснений также введены следующие обозначения: m - масса поршневой группы, является априорно неизвестной величиной; S - площадь поршня; х - перемещение поршневой группы, x∈[0,xmax], где xmax - максимальное значение х или ход поршня;

Figure 00000001
- относительное перемещение поршня в направлении от нулевого объема выхлопной камеры,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
; t, t0 - текущее время и начальный его момент; V, P, ρ, mг - объем, давление, плотность и масса газа в выхлопной камере соответственно, примем, что P(t0)=P0, V(t0)=V0, ρ(t0)=ρ0, mг(t0)=mг0,
Figure 00000004
(
Figure 00000005
- относительное давление); заметим, что
Figure 00000006
; µ - массовая доля оставшегося газа в камере относительно начального состояния: µ(t)=mг(t)/mг0∈[1,0]; G - массовый расход выхлопа (будем считать истечение воздуха в выходном дросселе турбулентным); Sдр - площадь проходного сечения выпускного дросселя (считаем круглой трубкой с переменным сечением, 0≤Sдр≤Sдр max, Sдр max - максимальная площадь демпфера); P0 - давление атмосферы; ρ0 - плотность воздуха атмосферы; Fвн - заранее неизвестная квазистационарная внешняя сила (за время демпфирования изменяется незначительно); Fторм - тормозящая сила из-за избыточного давления в выхлопной камере: Fторм=S(P-P0); Fтр - сила динамического трения:
Figure 00000007
, где kтр - коэффициент вязкого трения.In FIG. 1 shows a diagram of a pneumatic damper with an adjustable exhaust with elements: 1 - attached mass; 2 - stock; 3 - cylinder; 4 - piston (piston, rod and attached mass represent the piston group - a single body); 5 - an exhaust chamber; 6 - adjustable exhaust throttle with variable flow area; 7 - an exhaust highway. In FIG. 1 for further clarification, the following notation is also introduced: m is the mass of the piston group, which is an a priori unknown quantity; S is the area of the piston; x is the displacement of the piston group, x∈ [0, x max ], where x max is the maximum value of x or the piston stroke;
Figure 00000001
- relative movement of the piston in the direction from the zero volume of the exhaust chamber,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
; t, t 0 - current time and its initial moment; V, P, ρ, m g - volume, pressure, density and mass of gas in the exhaust chamber, respectively, we assume that P (t 0 ) = P 0 , V (t 0 ) = V 0 , ρ (t 0 ) = ρ 0 , m g (t 0 ) = m g0 ,
Figure 00000004
(
Figure 00000005
- relative pressure); notice, that
Figure 00000006
; µ is the mass fraction of the remaining gas in the chamber relative to the initial state: µ (t) = m g (t) / m g0 ∈ [1,0]; G is the mass flow rate of the exhaust (we will consider the outflow of air in the output throttle turbulent); S dr - the area of the orifice of the exhaust throttle (consider a round tube with a variable cross-section, 0≤S dr ≤S dr max , S dr max - the maximum area of the damper); P 0 - atmospheric pressure; ρ 0 is the air density of the atmosphere; F int - a previously unknown quasistationary external force (varies slightly during damping); F brake - braking force due to excessive pressure in the exhaust chamber: F brake = S (PP 0 ); F Tr - dynamic friction force:
Figure 00000007
where k Tr - coefficient of viscous friction.

Способ создания адаптивного торможения поршня в пневмоцилиндре осуществляется следующим образом.The method of creating adaptive braking of the piston in the pneumatic cylinder is as follows.

Качество торможения задается в виде параметров основной неявной эталонной модели: динамика торможения поршня должна соответствовать динамике движения этой эталонной модели. С помощью двух рекуррентных алгоритмов текущей идентификации на основе измерения положения поршня и давления в выхлопной камере, а также дополнительных расчетов производных производится оценивание неизвестных параметров математической модели движения поршня пневмоцилиндра (первый алгоритм текущей идентификации), а также параметра эффективности управления (второй алгоритм текущей идентификации). На основе оценок, доставляемых первым алгоритмом текущей идентификации, и параметров основной эталонной модели формируется желаемое давление в выхлопной камере. Управление, или величина проходного сечения дросселя, формируется на основе указанного желаемого давления, оценки со второго алгоритма текущей идентификации, указанных выше переменных и дополнительной неявной эталонной модели, формирующей требование по качеству достижения желаемого давления в выхлопной камере. Указанные вычисления могут быть реализованы в микроконтроллере. Особенностью построения адаптивного управления является то, что от алгоритмов текущей идентификации не требуется достижения точных оценок неизвестных параметров (имеются лишь несложно реализуемые ограничения на некоторые оценки), а динамика движения поршня в пневмоцилиндре близка к требуемым характеристикам с первых шагов формирования управления независимо от конкретных значений параметров пневмоцилиндра и внешнего воздействия (в области принципиальной реализуемости такового).The quality of braking is set in the form of the parameters of the main implicit reference model: the dynamics of the braking of the piston must correspond to the dynamics of the movement of this reference model. Using two recurrent algorithms for current identification based on measuring the position of the piston and pressure in the exhaust chamber, as well as additional calculations of derivatives, unknown parameters of the mathematical model of the piston movement of the pneumatic cylinder (the first algorithm for current identification) and the control efficiency parameter (second algorithm for current identification) are estimated . Based on the estimates delivered by the first current identification algorithm and the parameters of the main reference model, the desired pressure in the exhaust chamber is formed. The control, or the size of the orifice of the throttle, is formed on the basis of the indicated desired pressure, an assessment from the second algorithm of current identification, the above variables and an additional implicit reference model that forms the requirement for the quality of achieving the desired pressure in the exhaust chamber. These calculations can be implemented in the microcontroller. A feature of constructing adaptive control is that current identification algorithms are not required to achieve accurate estimates of unknown parameters (there are only easily implemented restrictions on some estimates), and the dynamics of the piston in the pneumatic cylinder are close to the required characteristics from the first steps of forming control, regardless of the specific parameter values a pneumatic cylinder and external influences (in the field of the principal feasibility of such).

Ниже дано обоснование работы предложенного способа.Below is the rationale for the proposed method.

В соответствии со вторым законом Ньютона динамика движения поршневой группы определяется балансом сил (без начальных условий):In accordance with Newton’s second law, the dynamics of the movement of the piston group is determined by the balance of forces (without initial conditions):

Figure 00000008
, или
Figure 00000009
.
Figure 00000008
, or
Figure 00000009
.

А через относительные величины

Figure 00000010
,
Figure 00000011
:And through relative values
Figure 00000010
,
Figure 00000011
:

Figure 00000012
Figure 00000012

При неизменном количестве газа в рабочей камере (mг=const) и без обмена тепла с окружающей средой (процесс торможения, как правило, протекает достаточно быстро) термодинамический процесс, связанный с изменением объема V, соответствует адиабатическому, который для воздуха имеет зависимость [Мордасов М.М., Трофимов А.В. Анализ и синтез пневматических устройств. - М.: Машиностроение 1, 2005]:With a constant amount of gas in the working chamber (m g = const) and without heat exchange with the environment (the braking process, as a rule, proceeds rather quickly), the thermodynamic process associated with a change in volume V corresponds to an adiabatic one, which has a dependence for air [Mordasov M.M., Trofimov A.V. Analysis and synthesis of pneumatic devices. - M.: Mechanical Engineering 1, 2005]:

Figure 00000013
Figure 00000013

Для условий убывания газа в выхлопной камере: часть оставшегося газа как часть полного объема соответствует адиабатической закономерности, поэтому эту часть можно описать как:For conditions of gas decrease in the exhaust chamber: part of the remaining gas as part of the total volume corresponds to an adiabatic regularity, therefore this part can be described as:

Figure 00000014
Figure 00000014

Figure 00000015
Figure 00000015

В соответствии с введенными определениями:In accordance with the introduced definitions:

Figure 00000016
Figure 00000016

Отсюда уравнение, описывающее динамику убывания воздуха в камере:Hence the equation describing the dynamics of air decrease in the chamber:

Figure 00000017
Figure 00000017

В соответствии с [Мордасов М.М., Трофимов А.В. Анализ и синтез пневматических устройств. - М.: Машиностроение 1, 2005] для турбулентного течения газа через дроссель можно записать:In accordance with [Mordasov M.M., Trofimov A.V. Analysis and synthesis of pneumatic devices. - M.: Mechanical Engineering 1, 2005] for turbulent gas flow through the throttle, you can write:

Figure 00000018
Figure 00000018

где αP, ϕ - коэффициенты, зависящие от конструктивных особенностей дросселя. На основании закона идеального газа (считаем давление P не очень высоким, R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура) P(t)=ρ(t)RT, отсюда ρ(t)=P(t)/(RT), получимwhere α P , ϕ are coefficients depending on the design features of the inductor. Based on the law of ideal gas (we consider the pressure P not very high, R is the gas constant, T is the absolute temperature) P (t) = ρ (t) RT, hence ρ (t) = P (t) / (RT), we obtain

Figure 00000019
Figure 00000019

где

Figure 00000020
- априорно неизвестный коэффициент пропорциональности.Where
Figure 00000020
- a priori unknown proportionality coefficient.

Уравнения (1)-(4) описывают математическую модель пневматического демпфера в рассматриваемых условиях.Equations (1) - (4) describe the mathematical model of a pneumatic damper under the conditions under consideration.

Далее для пояснений потребуется еще одна зависимость, которая выводится из предположения, что при работе демпфера скорость изменения переменной

Figure 00000021
гораздо ниже скорости изменения переменных
Figure 00000022
, µ(t). А также на основании (2), по которому
Figure 00000023
и равенств (3), (4):Further, for explanations, one more dependence is required, which is deduced from the assumption that, when the damper is operating, the rate of change of the variable
Figure 00000021
much lower than the rate of change of variables
Figure 00000022
, µ (t). And also on the basis of (2), according to which
Figure 00000023
and equalities (3), (4):

Figure 00000024
Figure 00000024

ИлиOr

Figure 00000025
Figure 00000025

где

Figure 00000026
Where
Figure 00000026

Для синтеза адаптивного закона управления используется алгоритм текущей идентификации, доставляющий неизвестные параметры уравнений (1) и (5), которые запишем в виде (без учета начальных условий):For the synthesis of the adaptive control law, the current identification algorithm is used, which delivers unknown parameters of equations (1) and (5), which we write in the form (without taking into account the initial conditions):

Figure 00000027
Figure 00000027

Figure 00000028
Figure 00000028

где a 1=-kтр/m, a 2=SP0/(mxmax), a 3(t)=-Fвн(t)/(mxmax), a 4=-1.4k/(ρ0Sxmax) - неизвестные коэффициенты и функции времени.where a 1 = -k mp / m, a 2 = SP 0 / (mx max ), a 3 (t) = - F int (t) / (mx max ), a 4 = -1.4k / (ρ 0 Sx max ) - unknown coefficients and functions of time.

Полученные оценки описываются в виде равенствThe obtained estimates are described in the form of equalities

Figure 00000029
Figure 00000029

Figure 00000030
Figure 00000030

где

Figure 00000031
- вектор искомых оценок (верхний индекс «∧» обозначает оценку соответствующего параметра; «т» - транспонирование);
Figure 00000032
- вектор факторных переменных; ε1 - невязка идентификации, дополняет равенство до точного соответствия.Where
Figure 00000031
is the vector of the desired estimates (the superscript “∧” denotes the estimate of the corresponding parameter; “t” stands for transposition);
Figure 00000032
- vector of factor variables; ε 1 - discrepancy of identification, complements equality to exact correspondence.

Дискретный алгоритм текущей идентификации (идентификатор) может быть выбран рекуррентного типа (здесь описан для уравнения (8), для (9) - он подобен и более прост):A discrete algorithm of current identification (identifier) can be selected of a recursive type (described here for equation (8), for (9) it is similar and simpler):

Figure 00000033
Figure 00000033

где i=1, 2, 3, … - обозначает дискретный момент времени (ti) определения соответствующей переменной; Гi - скалярный или матричный коэффициент усиления алгоритма идентификации, выбор которого обозначает соответствующий вид алгоритма, например [Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя: Пер. с англ. / Под ред. Я.З. Цыпкина. - М.: Наука, 1991]:where i = 1, 2, 3, ... - denotes the discrete time instant (t i ) of determining the corresponding variable; Г i - scalar or matrix gain of the identification algorithm, the choice of which designates the corresponding type of algorithm, for example [L. Lyung. System identification. Theory for the user: Per. from English / Ed. Ya.Z. Tsypkina. - M .: Nauka, 1991]:

Figure 00000034
, 0<γ<2, обычно γ=1 - со скалярным коэффициентом;
Figure 00000034
, 0 <γ <2, usually γ = 1 - with a scalar coefficient;

Figure 00000035
, Г00E - рекуррентный метод наименьших квадратов с фактором забывания (γ0 - большое положительное число, Е - единичная матрица соответствующего размера, 0<<β<1 - назначаемый фактор забывания прошлых измерений).
Figure 00000035
, Г 0 = γ 0 E is the least square recurrence method with forgetting factor (γ 0 is a large positive number, E is the identity matrix of the corresponding size, 0 << β <1 is the assigned forgetting factor of past measurements).

Любой устойчивый алгоритм текущей идентификации (10), а к ним относятся алгоритмы с указанными коэффициентами усиления, обеспечивает с первых шагов своей работы сходимость модуля невязки идентификации в область, близкую к нулю [Круглов С.П. Вопросы адаптируемости систем управления со схемой «идентификатор + эталон» // Идентификация систем и задачи управления // Tp. IV-й междунар. конф. SICPRO′05 (25-28 января 2005 г., Москва, ИПУ РАН). - М.: ИПУ РАН, 2005. - С. 1307-1348].Any stable current identification algorithm (10), and these include algorithms with the indicated amplification factors, ensures, from the first steps of its operation, the convergence of the identification residual module in the region close to zero [S. Kruglov Adaptability issues of control systems with the “identifier + standard” scheme // Identification of systems and control tasks // Tp. IV international conf. SICPRO′05 (January 25-28, 2005, Moscow, IPU RAS). - M .: IPU RAS, 2005. - S. 1307-1348].

Потребуем, чтобы движение поршня в демпфере, описываемое (1), удовлетворяло задаваемой устойчивой неявной основной эталонной модели (неявность заключается в том, что эта эталонная модель существует только в виде этого уравнения):We require that the piston movement in the damper described by (1) satisfy a given stable implicit main reference model (the implicit is that this reference model exists only in the form of this equation):

Figure 00000036
Figure 00000036

где

Figure 00000037
- выходная координата эталона, соответствующая
Figure 00000038
; a м1, a м0 - назначаемые параметры эталона, обеспечивающие требуемое движение поршня демпфера в функции от времени (движение, близкое к нисходящей экспоненте).Where
Figure 00000037
- output coordinate of the reference corresponding
Figure 00000038
; a m1 , a m0 - assignable parameters of the standard, providing the required movement of the damper piston as a function of time (movement close to the descending exponent).

Если в демпфере обеспечить желаемое значение относительного давления в виде значенияIf the damper provides the desired value of the relative pressure in the form of a value

Figure 00000039
Figure 00000039

то подстановка его в (8) даст:then substituting it into (8) will give:

Figure 00000040
Figure 00000040

что в силу устойчивости эталонной модели и быстрой сходимости к нулю обеспечивает поведение демпфера, близкое эталонному. При этом точные значения оценок не требуются, что соответствует «упрощенным условиям адаптируемости» [Круглов С.П. Вопросы адаптируемости систем управления со схемой «идентификатор + эталон» // Идентификация систем и задачи управления // Tp. IV-й междунар. конф. SICPRO′05 (25-28 января 2005 г., Москва, ИПУ РАН). - М.: ИПУ РАН, 2005. - С. 1307-1348]. Там же определено, что для устойчивости рассматриваемой замкнутой системы управления имеется дополнительное требование:which, due to the stability of the reference model and fast convergence to zero, provides damper behavior close to the reference one. In this case, the exact values of the estimates are not required, which corresponds to the "simplified conditions of adaptability" [Kruglov SP Adaptability issues of control systems with the “identifier + standard” scheme // Identification of systems and control tasks // Tp. IV international conf. SICPRO′05 (January 25-28, 2005, Moscow, IPU RAS). - M .: IPU RAS, 2005. - S. 1307-1348]. It is also determined there that for the stability of the closed control system under consideration there is an additional requirement:

Figure 00000041
Figure 00000041

Так как здесь неизвестно только значение m, то выполнить это ограничение несложно исходя из информации о диапазоне величины m. Вариантом выполнения условия (14) является фиксация оценки

Figure 00000042
по (14) с соответствующей перестройкой алгоритма идентификации (10) на определение лишь двух оценок:
Figure 00000043
и
Figure 00000044
.Since only the value of m is unknown here, it is not difficult to fulfill this restriction on the basis of information on the range of the value of m. An option for fulfilling condition (14) is fixing the estimate
Figure 00000042
according to (14) with the corresponding restructuring of the identification algorithm (10) to determine only two estimates:
Figure 00000043
and
Figure 00000044
.

Уравнения (6), (8), (10)-(14) соответствуют первой ступени адаптивного закона управления.Equations (6), (8), (10) - (14) correspond to the first stage of the adaptive control law.

Для формирования условия

Figure 00000045
по (12) используется уравнение (7) и оценка
Figure 00000046
по (9). Для этого назначается дополнительная эталонная модель:To form a condition
Figure 00000045
according to (12), equation (7) and the estimate
Figure 00000046
by (9). For this, an additional reference model is assigned:

Figure 00000047
Figure 00000047

соответствующая устойчивому апериодическому звену с единичным коэффициентом усиления и постоянной времени Tм, где на вход поступает

Figure 00000048
, а выходом является
Figure 00000049
. При этом Tм назначается намного меньше времени торможения.corresponding to a stable aperiodic link with a unity gain and time constant T m , where the input
Figure 00000048
, and the output is
Figure 00000049
. In this case, T m is assigned much less braking time.

Закон изменения площади дросселя (управление) назначается в видеThe law of variation of the throttle area (control) is assigned in the form

Figure 00000050
Figure 00000050

Подстановка его в (9) даетSubstituting it into (9) gives

Figure 00000051
Figure 00000051

В силу устойчивости дополнительной эталонной модели, малости Tм и ε2(t) очень быстро достигается условие

Figure 00000052
, а в соответствии с (13) -
Figure 00000053
. При этом параметры пневматического демпфера и внешняя сила заранее неизвестны. Кроме того, в силу подстройки параметров в алгоритме идентификации и, соответственно, закона управления снимаются вопросы относительно приблизительности представленных выше соотношений.Due to the stability of the additional reference model, the smallness of T m and ε 2 (t), the condition is very quickly reached
Figure 00000052
, and in accordance with (13) -
Figure 00000053
. In this case, the parameters of the pneumatic damper and external force are not known in advance. In addition, due to the adjustment of the parameters in the identification algorithm and, accordingly, the control law, questions regarding the approximation of the above relations are addressed.

Для устойчивости закона управления (16) здесь также требуется выполнить дополнительное условие, подобное (14):For the stability of the control law (16), it is also required to fulfill an additional condition similar to (14):

Figure 00000054
Figure 00000054

Его выполнить несложно путем ограничения оценки

Figure 00000055
«сверху» на основании приблизительной априорной информации о конструктивных параметрах демпфера αP и ϕ либо на основании предварительного оценивания
Figure 00000056
.It’s easy to do by limiting the score.
Figure 00000055
“From above” on the basis of approximate a priori information on the design parameters of the damper α P and ϕ or on the basis of preliminary assessment
Figure 00000056
.

Уравнения (7), (9), алгоритм для оценки

Figure 00000057
(аналогичный (10)), (15)-(18) соответствуют второй ступени адаптивного закона управления.Equations (7), (9), an algorithm for estimating
Figure 00000057
(similar to (10)), (15) - (18) correspond to the second stage of the adaptive control law.

На фиг. 2 представлены результаты модельных компьютерных исследований работы адаптивного демпфера с параметрами (использовался рекуррентный метод наименьших квадратов с фактором забывания): m=7.1 кг, S=3·10-4 м2, xmax=0.05 м, Fвн≈70 H (незначительно меняется по времени), kтр=30 кг/с,

Figure 00000058
, Sдр max=10-5 м2, k=2.8·10-4 с/м, P0=101000 Па, ρ0=1.2 кг/м3, a м1=-151 с-1, a м0=-1420 с-2, Tм=0.01 с, γ0=1000, β=0.99, шаг временной дискретности 0.001 с, условия (14) и (18) выполняются в виде ограничения соответствующих оценок.In FIG. Figure 2 presents the results of computer simulations of the adaptive damper with parameters (the least squares recursive method with a forgetting factor was used): m = 7.1 kg, S = 3 · 10 -4 m 2 , x max = 0.05 m, F int ≈70 H (slightly varies in time), k tr = 30 kg / s,
Figure 00000058
, S dr max = 10 -5 m 2 , k = 2.8 · 10 -4 s / m, P 0 = 101000 Pa, ρ 0 = 1.2 kg / m 3 , a m1 = -151 s -1 , a m0 = - 1420 s -2 , T m = 0.01 s, γ 0 = 1000, β = 0.99, temporal resolution step 0.001 s, conditions (14) and (18) are fulfilled as a limitation of the corresponding estimates.

Так как управление торможением производится только стравливанием воздуха из выхлопной камеры

Figure 00000059
, то здесь для создания нужной тормозной силы в начальный период выхлопной дроссель закрыт:
Figure 00000060
и требуемое значение Sдр<0 - обеспечить нельзя. На этом этапе идет создание внутри выхлопной камеры достаточного давления. Как только это произойдет:
Figure 00000061
и Sдр≥0, начинается активная фаза торможения. В этот момент времени (около 0.07 с) приравниваются значения выхода эталона и его скорости соответствующими значениями демпфера (указано стрелкой). Это вполне справедливо в силу неявности эталонной модели, дает наглядность проверки соответствия между сигналами
Figure 00000062
и
Figure 00000063
.Since braking control is only possible by bleeding air from the exhaust chamber
Figure 00000059
, then here to create the necessary braking force in the initial period, the exhaust throttle is closed:
Figure 00000060
and the required value of S dr <0 is impossible to provide. At this stage, sufficient pressure is created inside the exhaust chamber. As soon as this happens:
Figure 00000061
and S dr ≥0, the active phase of inhibition begins. At this point in time (about 0.07 s), the values of the standard output and its speed are equated with the corresponding damper values (indicated by the arrow). This is quite true due to the implicitness of the reference model; it gives the visibility of checking the correspondence between signals
Figure 00000062
and
Figure 00000063
.

Следует отметить, что в силу представленных свойств адаптивного пневматического демпфера он способен обеспечить возложенные на него функции только в пределах принципиальной возможности их реализации. Например, точность обработки данных в цифровом вычислителе и скорость отработки управляющего сигнала определяет точность управления; минимальное значение сопротивления выхлопного демпфера (максимальная площадь его проходного сечения) определяет максимально возможную скорость торможения, начальный объем выхлопной камеры - максимальную тормозную силу. Указанные параметры задают область использования адаптивного пневматического демпфера.It should be noted that due to the presented properties of the adaptive pneumatic damper, it is able to provide the functions assigned to it only within the limits of the fundamental possibility of their implementation. For example, the accuracy of data processing in a digital computer and the speed of processing a control signal determines the accuracy of control; the minimum value of the resistance of the exhaust damper (the maximum area of its passage section) determines the maximum possible braking speed, the initial volume of the exhaust chamber - the maximum braking force. These parameters specify the area of use of the adaptive pneumatic damper.

Из изложенного также следует, что описанный способ создания адаптивного торможения поршня в пневмоцилиндре также допускает начальное повышение давления в выхлопной камере (как это используется в прототипе). В этом случае для представленного примера будет отсутствовать (сокращен) период начального формирования достаточного давления в выхлопной камере.From the above it also follows that the described method of creating adaptive braking of the piston in the pneumatic cylinder also allows an initial increase in pressure in the exhaust chamber (as used in the prototype). In this case, for the presented example, there will be no (shortened) period of the initial formation of sufficient pressure in the exhaust chamber.

Claims (1)

Способ создания адаптивного торможения поршня в пневмоцилиндре, отличающийся тем, что при стравливании воздуха величину проходного сечения регулируемого дросселя формируют в зависимости от положения поршня в пневмоцилиндре и давления в выхлопной камере по двухступенчатой схеме адаптивного управления: на первой ступени вычисляют желаемое давление в выхлопной камере на основе оценок неизвестных параметров математической модели движения поршня в пневмоцилиндре, полученных на первом рекуррентном алгоритме текущей идентификации, и параметров основной неявной эталонной модели, предназначенной для задания требуемых характеристик торможения поршня в пневмоцилиндре, на второй ступени формируют величину проходного сечения дросселя на основе желаемого давления в выхлопной камере, оценки эффективности управления дросселем, полученной на втором рекуррентном алгоритме текущей идентификации, и параметра дополнительной неявной эталонной модели, предназначенной для задания качества достижения желаемого давления в выхлопной камере. A method of creating adaptive braking of a piston in a pneumatic cylinder, characterized in that, when bleeding air, the passage size of the adjustable throttle is formed depending on the position of the piston in the pneumatic cylinder and the pressure in the exhaust chamber according to a two-stage adaptive control scheme: at the first stage, the desired pressure in the exhaust chamber is calculated based on estimates of the unknown parameters of the mathematical model of piston motion in the pneumatic cylinder obtained on the first recurrent algorithm of current identification, and pa the main implicit reference model for setting the required piston braking performance in the pneumatic cylinder, the second stage is used to form the throttle bore size based on the desired pressure in the exhaust chamber, the throttle control efficiency obtained using the second recurrent algorithm for current identification, and the additional implicit reference parameter a model designed to set the quality of achieving the desired pressure in the exhaust chamber.
RU2015126122/06A 2015-06-30 2015-06-30 Method of piston in pneumatic cylinder adaptive braking creating RU2605513C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015126122/06A RU2605513C1 (en) 2015-06-30 2015-06-30 Method of piston in pneumatic cylinder adaptive braking creating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015126122/06A RU2605513C1 (en) 2015-06-30 2015-06-30 Method of piston in pneumatic cylinder adaptive braking creating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2605513C1 true RU2605513C1 (en) 2016-12-20

Family

ID=58697429

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015126122/06A RU2605513C1 (en) 2015-06-30 2015-06-30 Method of piston in pneumatic cylinder adaptive braking creating

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2605513C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4779513A (en) * 1984-06-11 1988-10-25 Nippon Joucomatic Co., Ltd. Pneumatic cylinder with rod braking and decelerating mechanism
RU2330194C1 (en) * 2006-11-13 2008-07-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) Actuator with a piston stroke end indication
US8146481B2 (en) * 2008-05-02 2012-04-03 University Of Tsukuba, National University Corporation Actuator, actuator control method, and actuator control program
RU2447329C2 (en) * 2010-06-23 2012-04-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Pneumatic drive with braking device
RU2489608C1 (en) * 2009-11-02 2013-08-10 Сканиа Св Аб Structure and method for damping of piston movement

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4779513A (en) * 1984-06-11 1988-10-25 Nippon Joucomatic Co., Ltd. Pneumatic cylinder with rod braking and decelerating mechanism
RU2330194C1 (en) * 2006-11-13 2008-07-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) Actuator with a piston stroke end indication
US8146481B2 (en) * 2008-05-02 2012-04-03 University Of Tsukuba, National University Corporation Actuator, actuator control method, and actuator control program
RU2489608C1 (en) * 2009-11-02 2013-08-10 Сканиа Св Аб Structure and method for damping of piston movement
RU2447329C2 (en) * 2010-06-23 2012-04-10 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Pneumatic drive with braking device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guan et al. Nonlinear adaptive robust control of single-rod electro-hydraulic actuator with unknown nonlinear parameters
CN111290276B (en) Fractional order integral sliding mode control method for neural network of hydraulic position servo system
Mulligan et al. Nonlinear models and validation for resetable device design and enhanced force capacity
CN110308651A (en) Electrohydraulic servo system total state about beam control method based on extended state observer
Huang et al. A data-driven multi-scale online joint estimation of states and parameters for electro-hydraulic actuator in legged robot
RU2605513C1 (en) Method of piston in pneumatic cylinder adaptive braking creating
CN108897228B (en) Online control method and system for forging process
Salim et al. Position control of pneumatic actuator using an enhancement of NPID controller based on the characteristic of rate variation nonlinear gain
Carneiro et al. Heat transfer evaluation of industrial pneumatic cylinders
Schindele et al. Adaptive friction compensation based on the LuGre model for a pneumatic rodless cylinder
Xu et al. Robustness study on the model-free control and the control with restricted model of a high performance electro-hydraulic system
CN111103793B (en) Control method and device of gun recoil buffer system based on magnetorheological damper
Burenin et al. On elastic strains and a viscoplastic flow in a heavy layer placed on an inclined plane
Hulttinen et al. Parameter identification for model-based control of hydraulically actuated open-chain manipulators
CN103790894A (en) Determination of the filling level of a volume
Pellegrini et al. Physical modeling of a nonlinear semi-active vehicle damper
Roskam et al. Modeling of a front end loader for control design
CN108427319B (en) Model-based design method for control system of vehicle-mounted gear shifting electromagnetic valve
Ren et al. Dynamic Modeling and Combination Analysis of Plunger Valve Considering Both Flow and Actuator
Yanhong et al. Modeling of hydraulic valve-controlled cylinder power mechanism based on flow approximation
Nazarov et al. Modelling, Simulation and Validation of the Pneumatic End-Position Cylinder Cushioning
Pelosi et al. Investigation on the dynamic behavior of a solenoid hydraulic valve for automotive semi-active suspensions coupling 3D and 1D modeling
Xiao et al. Combined identification of parameters in the mechanical model of magnetorheological damper
Boyko et al. Comparative Analysis of Actuator Dimensioning Methods in Pneumatics
CN111062104A (en) Multi-item coupling vibration damping modeling method applied to elevator traction system

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180701