Математика и математическое моделирование. 2022; : 38-54
Выбор оптимальных параметров пневматического трехлинейного редукционного клапана прямого действия
https://doi.org/10.24108/mathm.0222.0000303Аннотация
Редукционные пневматические клапаны, входящие в состав современных пневматических систем управления, находят широкое применение при автоматизации производственных и технологических процессов в различных областях техники. Эффективность использования редукционных клапанов зависит от их параметров и характеристик. Для выбора оптимальных параметров редукционных клапанов применяются различные методы, основанные на поиске минимума целевой (целевых или критериев) функции.
Объект исследования – трехлинейный редукционный клапан прямого действия, обеспечивающий определение оптимальных его параметров. Для вычисления оптимальных параметров редукционного клапана применен метод ортогонального экспериментального проектирования. Основное достоинство этого метода состоит в том, что в этом случае одновременно варьируются все переменные.
В статье приведены конструктивные особенности трехлинейного редукционного клапана прямого действия.
Представлена разработанная математическая модель редукционного клапана, представляющую собой систему уравнений трехлинейного редукционного клапана прямого действия, которую необходимо использовать для выбора оптимальных параметров редукционного клапана.
Для вычисления оптимальных параметров редукционного клапана использован метод ортогонального экспериментального проектирования. В качестве критерия оптимальности выбран интегральный критерий квадрата ошибки переходного процесса, изменения уровня давления в выходной линии клапана.
Найдены оптимальные параметры редукционного клапана, и вычислены переходные процессы изменения давления в выходной линии редукционного клапана. Сформулированы основные требования при оптимизации и выборе оптимальных параметров редукционных клапанов. Приведено сравнение переходных процессов величины выходного давления до и после оптимизации.
По результатам работы сделаны выводы:
- Из полученных сравнительных результатов переходных процессов уровня выходного давления в выходной редукционного клапана до и после оптимизации установлено, что после оптимизации редукционный клапан имеет большее быстродействие.
- Быстродействие увеличено с 0,35 с, до 0,27 с, то есть быстродействие увеличилось в 1,30 раза.
- Перерегулирование составляет менее 5%, а статическая ошибка уменьшена на 1,9% и полностью отсутствует.
Список литературы
1. Труханов К.А. Применение «длинных линий» в современной подводной добывающей промышленности // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2020. № 4. С. 43–51.
2. Труханов К.А. Методы проектирования оптимальных следящих пневматических устройств для управления системами с жидкими рабочими средами: дис. ... докт. техн. наук. М.: Москва, 2019. 301 с.
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. Труханов К.А. Работоспособность пневмо-, гидросистем в условиях непредсказуемых возмущений // Справочник. Инженерный журнал. 2018. № 12. C. 36–46.
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. Иголкин А.А., Стадник Д.В., Сорока И.С. Математическая модель редукционного пневмоклапана прямого действия // XVI Международная научная конференция, посвященная памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения». 2012. С. 515-516.
7. Иголкин А.А. Моделирование статических и динамических характеристик регулятора давления // Вестник СГАУ. 2014. № 1 (43). С. 123-130
8. Киреева В.А., Труханов К.А. Устойчивость следящего пневматического привода в зависимости от принятой модели трения // Гидравлика. 2020. №11. С. 80-96.
9. Киреева В.А., Труханов К.А. Оптимизация переходных процессов следящего пневматического привода с учетом модели трения с эффектом Штрибека // Известия МГТУ «МАМИ». 2021. № 2(48). С. 71-80. DOI: 10.31992/2074-0530-2021-48-2-71-80
10. Da Zhang, Xiaolong Zhang, Huibin Li. Simulation of Dynamic Characteristic of Reverse Pressure Relief Valve with AMESim // 4th International Conference on Energy Equipment Science and Engineering. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 242 (2019) 032040. pgs. 1-7. doi:10.1088/1755-1315/242/3/032040
11. Физические основы пневматических систем: учеб. пособие / К.Д. Ефремова, В.Н. Пильгунов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. 48 с.
12. 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
13. Ефремова К.Д., Труханов К.А. Синтез следящего пневмо/гидропривода. Наука и Образование: Научное издание. 2017; (7): С. 75-86. DOI:10.7463/0717.0001192
14. Gao Yunyang. A method of constructing orthogonal and regression tests [M] Beijing: Metallurgical Industry Press, 1988. Pgs. 78-85.
15. Pan Chaoming, Huang Hong. Optimal design and data analysis of experimental scheme M. Nanjing: Southeast University Press, 2018. Pgs. 61-72.
16. Методы теории чувствительности в автоматическом управлении [Текст] / Под ред. Е. Н. Розенвассера и Р. М. Юсупова. Ленинград: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1971. 344 с.: черт.; 22 см.
Mathematics and Mathematical Modeling. 2022; : 38-54
Selection of the Optimal Parameters of a Pneumatic Three-line Direct-acting Pressure Reducing Valve
https://doi.org/10.24108/mathm.0222.0000303Abstract
Reducing pneumatic valves, which are part of modern pneumatic control systems, are widely used in the automation of production and technological processes in various fields of technology. The efficiency of using pressure reducing valves depends on their parameters and characteristics. To select the optimal parameters of pressure reducing valves, various methods are used based on the search for the minimum of the target (target or criteria) function.
The object of study is a three-line direct-acting pressure reducing valve, which ensures the determination of its optimal parameters. To calculate the optimal parameters of the pressure reducing valve, the method of orthogonal experimental design was applied. The main advantage of this method is that in this case all variables are varied simultaneously.
The article presents the design features of a three-line direct-acting pressure reducing valve.
The developed mathematical model of a pressure reducing valve is presented, which is a system of equations for a three-line direct-acting pressure reducing valve, which should be used to select the optimal parameters of the pressure reducing valve.
To calculate the optimal parameters of the pressure reducing valve, the method of orthogonal experimental design was used. As an optimality criterion, the integral criterion of the squared error of the transient process, the change in the pressure level in the outlet line of the valve, was chosen.
The optimal parameters of the pressure reducing valve are found, and transient processes of pressure change in the outlet line of the pressure reducing valve are calculated. The main requirements for optimization and selection of the optimal parameters of pressure reducing valves are formulated. A comparison of the transient processes of the outlet pressure before and after optimization is given.
Based on the results of the work, the following conclusions were drawn:
- From the obtained comparative results of the transient processes of the level of outlet pressure in the outlet of the pressure reducing valve before and after optimization, it was found that after optimization the pressure reducing valve has a faster response.
- The speed has been increased from 0.35 s to 0.27 s, that is, the speed has increased by 1.30 times.
- The transient overshoot is less than 5%, and the static error is reduced by 1.9% and is completely eliminated.
References
1. Trukhanov K.A. Primenenie «dlinnykh linii» v sovremennoi podvodnoi dobyvayushchei promyshlennosti // Spravochnik. Inzhenernyi zhurnal s prilozheniem. 2020. № 4. S. 43–51.
2. Trukhanov K.A. Metody proektirovaniya optimal'nykh sledyashchikh pnevmaticheskikh ustroistv dlya upravleniya sistemami s zhidkimi rabochimi sredami: dis. ... dokt. tekhn. nauk. M.: Moskva, 2019. 301 s.
3. Trukhanov K.A., Nesterov A.S. Sposoby resheniya problem, voznikayushchikh v gidrosistemakh oborudovaniya pri vypolnenii tekhnologicheskikh rabot v podvodnoi dobyvayushchei promyshlennosti // Gazovaya promyshlennost'. 2020. Spetsvypusk № 2 (802). Avtomatizatsiya. S.48-56.
4. Trukhanov K.A. Rabotosposobnost' pnevmo-, gidrosistem v usloviyakh nepredskazuemykh vozmushchenii // Spravochnik. Inzhenernyi zhurnal. 2018. № 12. C. 36–46.
5. Popov D.N. Dinamika i regulirovanie gidro- i pnevmosistem: Uchebnik dlya vuzov. 2 e izd., pererab. i dop. M.: Mashinostroenie, 1987. 464 s.
6. Igolkin A.A., Stadnik D.V., Soroka I.S. Matematicheskaya model' reduktsionnogo pnevmoklapana pryamogo deistviya // XVI Mezhdunarodnaya nauchnaya konferentsiya, posvyashchennaya pamyati general'nogo konstruktora raketno-kosmicheskikh sistem akademika M.F. Reshetneva «Reshetnevskie chteniya». 2012. S. 515-516.
7. Igolkin A.A. Modelirovanie staticheskikh i dinamicheskikh kharakteristik regulyatora davleniya // Vestnik SGAU. 2014. № 1 (43). S. 123-130
8. Kireeva V.A., Trukhanov K.A. Ustoichivost' sledyashchego pnevmaticheskogo privoda v zavisimosti ot prinyatoi modeli treniya // Gidravlika. 2020. №11. S. 80-96.
9. Kireeva V.A., Trukhanov K.A. Optimizatsiya perekhodnykh protsessov sledyashchego pnevmaticheskogo privoda s uchetom modeli treniya s effektom Shtribeka // Izvestiya MGTU «MAMI». 2021. № 2(48). S. 71-80. DOI: 10.31992/2074-0530-2021-48-2-71-80
10. Da Zhang, Xiaolong Zhang, Huibin Li. Simulation of Dynamic Characteristic of Reverse Pressure Relief Valve with AMESim // 4th International Conference on Energy Equipment Science and Engineering. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 242 (2019) 032040. pgs. 1-7. doi:10.1088/1755-1315/242/3/032040
11. Fizicheskie osnovy pnevmaticheskikh sistem: ucheb. posobie / K.D. Efremova, V.N. Pil'gunov. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2013. 48 s.
12. 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
13. Efremova K.D., Trukhanov K.A. Sintez sledyashchego pnevmo/gidroprivoda. Nauka i Obrazovanie: Nauchnoe izdanie. 2017; (7): S. 75-86. DOI:10.7463/0717.0001192
14. Gao Yunyang. A method of constructing orthogonal and regression tests [M] Beijing: Metallurgical Industry Press, 1988. Pgs. 78-85.
15. Pan Chaoming, Huang Hong. Optimal design and data analysis of experimental scheme M. Nanjing: Southeast University Press, 2018. Pgs. 61-72.
16. Metody teorii chuvstvitel'nosti v avtomaticheskom upravlenii [Tekst] / Pod red. E. N. Rozenvassera i R. M. Yusupova. Leningrad: Energiya. Leningr. otd-nie, 1971. 344 s.: chert.; 22 sm.
