Максим Олегович Шейкин, младший научный сотрудник кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В.С. Квятковского
111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1
Maxim O. Sheykin, Junior Researcher of the Hydromechanics and Hydraulic Machines Department
17, Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250
Сергей Николаевич Черкасских, кандидат технических наук, доцент кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В.С. Квятковского
Scopus ID: 12038974200
111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1
Sergey N. Cherkasskikh, Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor of the Hydromechanics and Hydraulic Machines Department
Scopus ID: 12038974200
17, Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250
Денис Викторович Шилин, кандидат технических наук, доцент кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В.С. Квятковского
Scopus ID: 57204153776
Researcher ID: AAA-2033-2019
111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1
Denis V. Shilin, Cand.Sci. (Eng.), Associate Professor of the Hydromechanics and Hydraulic Machines Department
Scopus ID: 57204153776
Researcher ID: AAA-2033-2019
17, Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250
Владимир Васильевич Феденков, доктор технических наук, профессор кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В.С. Квятковского
111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1
Vladimir V. Fedenkov, Dr.Sci. (Eng.), Professor of the Hydromechanics and Hydraulic Machines Department
17, Krasnokazarmennaya Str., Moscow, 111250
Introduction. Pneumatic actuators are widely used in industry due to their reliability, simplicity of design, and ability to operate under complex conditions. However, when solving positioning problems, the use of traditional proportional valves is often redundant, which causes an unjustified increase in cost and complexity of the design. The application of simpler discrete distributors faces the problem related to the need to reach a compromise between their switching frequency and positioning accuracy.
Existing studies mainly focus on optimizing individual performance indicators of pneumatic actuators and do not offer effective methods for finding a compromise between conflicting criteria. Using classical methods for constructing a Pareto set for multicriteria optimization requires significant computational resources, which complicates their practical application.
The research objective is to develop a methodology for multicriteria optimization of the parameters of a positioning electropneumatic actuator with discrete distributors based on the construction of a Pareto set using surrogate models, which provides finding the optimal balance between switching frequency and positioning accuracy.
Materials and Methods. The research was conducted on a model of a positioning pneumatic actuator with discrete distributors, implemented in MATLAB Simulink. The Latin hypercube method was used to analyze the parameters, which provided uniform filling of the parameter space. To reduce computational costs, surrogate models, built using neural networks, were used. Sliding control was selected as a control algorithm, which effectively compensated for external disturbances and uncertainties of the system.
Results. The optimization of control parameters has shown the possibility of reaching high positioning accuracy with a minimum frequency of distributor switching. The use of the Latin hypercube method provided a uniform distribution of the calculation points, which made it possible to construct an accurate surrogate model. It has been experimentally proven that the proposed approach reduces computational costs by 48%, while maintaining high accuracy of modeling and analysis.
Discussion and Conclusion. The research results confirm that sliding control is an effective solution for discrete pneumatic drives in the context of multicriteria optimization. The developed approach makes it possible to significantly reduce the frequency of switching distributors without substantial losses in the quality of transients, which helps to extend the service life of equipment and increase the reliability of automated systems. The use of surrogate models and neural network technology opens up new prospects for faster design of complex systems.
Введение. Пневматические приводы находят широкое применение в промышленности благодаря своей надежности, простоте конструкции и способности функционировать в сложных условиях. Однако при решении задач позиционирования использование традиционных пропорциональных распределителей зачастую оказывается избыточным, что ведет к неоправданному увеличению стоимости и усложнению конструкции. Применение более простых дискретных распределителей сталкивается с проблемой, связанной с необходимостью достижения компромисса между частотой их переключения и точностью позиционирования.
Существующие исследования, в основном, фокусируются на оптимизации отдельных показателей качества работы пневмоприводов и не предлагают эффективных методов поиска компромисса между конфликтующими критериями. Использование классических методов построения множества Парето для многокритериальной оптимизации требует значительных вычислительных ресурсов, что затрудняет их практическое применение.
Целью исследования является разработка методологии многокритериальной оптимизации параметров позиционного электропневматического привода с дискретными распределителями на основе построения множества Парето с использованием суррогатных моделей, позволяющей найти оптимальный баланс между частотой переключений и точностью позиционирования.
Материалы и методы. Исследование проводилось на модели позиционного пневмопривода с дискретными распределителями, реализованной в MATLAB Simulink. Для анализа параметров использовался метод латинского гиперкуба, который обеспечивает равномерное заполнение пространства параметров. Для снижения вычислительных затрат были применены суррогатные модели, построенные с использованием нейронных сетей. В качестве алгоритма управления было выбрано скользящее управление, которое эффективно компенсирует внешние возмущения и неопределенности системы.
Результаты исследования. Оптимизация параметров управления показала возможность достижения высокой точности позиционирования при минимальной частоте переключений распределителей. Использование метода латинского гиперкуба обеспечило равномерное распределение расчетных точек, что позволило построить точную суррогатную модель. Экспериментально было доказано, что предложенный подход снижает вычислительные затраты на 48 %, сохраняя высокую точность моделирования и анализа.
Обсуждение и заключение. Результаты исследования подтверждают, что скользящее управление является эффективным решением для дискретных пневмоприводов в контексте многокритериальной оптимизации. Разработанный подход позволяет значительно уменьшить частоту переключений распределителей без ощутимых потерь в качестве переходных процессов, что способствует продлению сроков службы оборудования и повышению надежности автоматизированных систем. Использование суррогатных моделей и нейросетевых технологий открывает новые перспективы для более быстрого проектирования сложных систем.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.