Моделирование динамических характеристик пневмомускула с учетом волновых процессов рабочей среды

Существует много математических моделей пневмомускула, позволяющих определить динамические характеристики (сокращение оболочки, скорость течения рабочей среды и изменение его давления) с достаточной точностью. Однако при включении пневматического мускула в состав следящей или позиционной системы необходимо учитывать дополнительные факторы в режимах с высокими частотами управляющей пневмоаппаратуры, которые вызваны волновыми процессами рабочей среды, возникающими в оболочке. Разработанные ранее модели пневмомускула построены на стандартных уравнениях изменения расхода и давления рабочей среды в пневматических системах, вследствие чего не позволяют оценить влияние указанных факторов. Предложена модель динамических характеристик пневмомускула с учетом волновых процессов, построенная с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений. Выполнено сравнение результатов моделирования по предложенной модели и данных, полученных с помощью ранее разработанной модели. В ходе сравнения выявлены существенные расхождения между ними (более 100 % в отдельных случаях). Созданная модель повышает точность оценки влияния процессов, происходящих в оболочке пневмомускула, на динамические характеристики, что является важным на этапе проектирования позиционной системы на базе пневмомускулов.
EDN: YCMYTO, https://elibrary/ycmyto

Литература

[1] Tondu B., Lopez P. Modeling and control of McKibben artificial muscle robot actuators. IEEE Control. Syst. Mag., 2000, vol. 20, no. 2, pp. 15–38, doi: http://doi.org/10.1109/37.833638

[2] Ahn K.K., Chau N.U.T. Intelligent switching control of a pneumatic muscle robot arm using learning vector quantization neural network. Mechatronics, 2007, vol. 17, no. 4–5, pp. 255–262, doi: http://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2006.12.002

[3] Ahn K.K., Thahn T.D.C. Performance improvement of pneumatic artificial muscle manipulators using magneto-rheological brake. J. Mech. Sci. Technol., 2005, vol. 19, no. 3, pp. 778–791, doi: http://doi.org/10.1007/BF02916126

[4] Bomfim M.H.S., Lima II E.J., Monteiro N.S. et al. A new approach for hybrid (PID + MRAC) adaptive controller applied to two-axes McKibben muscle manipulator: a mechanism for human-robot collaboration. Ind. Robot, 2021, vol. 48, no. 6, pp. 836–845, doi: https://doi.org/10.1108/IR-12-2020-0267

[5] Ba D.X., Dihn T.Q., Ahn K.K. An Integrated intelligent nonlinear control method for a pneumatic artificial muscle. IEEE-ASME Trans. Mechatronics, 2016, vol. 21, no. 4, pp. 1835–1845, doi: http://doi.org/10.1109/TMECH.2016.2558292

[6] Minh T.V., Tjahjowidodo T., Ramon H. et al. Cascade position control of a single pneumatic artificial muscle-mass system with hysteresis compensation. Mechatronics, 2010, vol. 20, no. 3, pp. 402–414, doi: http://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2010.03.001

[7] Chou C.P., Hannaford B. Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles. IEEE Trans. Robot. Autom., 1996, vol. 12, no. 1, pp. 90–102, doi: http://doi.org/10.1109/70.481753

[8] Trojanova M., Hosovsky A., Cakurda T. et al. Evaluation of machine learning-based parsimonious models for static modeling of fluidic muscles in compliant mechanisms. Mathematics, 2023, vol. 11, no. 1, art. 149, doi: http://doi.org/10.3390/math11010149

[9] Шароватов В.Т., Лошицкий П.А. Математическая модель силового оболочкового бесштокового пневмоцилиндра двустороннего действия. Мехатроника, автоматизация, управление, 2012, № 4, с. 24–30.

[10] Shin T., Ibayashi T., Kogiso K. Detailed dynamic model of antagonistic pam system and its experimental validation: sensor-less angle and torque control with UKF. IEEE-ASME Trans. Mechatronics, 2022, vol. 27, no. 3, pp. 1715–1726, doi: http://doi.org/10.1109/TMECH.2021.3086218

[11] Kotkas L., Zhurkin N., Donskoy A. et al. Design and mathematical modelling of the pneumatic artificial muscles-actuated system for industrial manipulator. Machines, 2022, vol. 10, no. 10, art. 885, doi: http://doi.org/10.3390/machines10100885

[12] Донской А.С., Коткас Л.А. Математическое моделирование статических характеристик пневматического мускула. Вестник УГАТУ, 2018, № 4, c. 48–55.

[13] Елимелех И.М., Сидоркин Ю.Г. Струйная автоматика (пневмоника). Ленинград, Лениздат, 1972. 211 с.

[14] Донской А.С. Метод аналитического расчета процессов в пневматических трубопроводах. Гидравлические машины, гидропневмоприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития. Сб. науч. тр. IX Межд. науч.-тех. конф. Санкт-Петербург, Изд-во СПбПУ, 2016, с. 327–338.

[15] Донской А.С. Моделирование колебаний давления в пневматических объектах с помощью обыкновенных дифференциальных уравнений. Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности, 1997, № 4, с. 94–97.

[16] Труханов К.А., Попов Д.Н., Адельшин Д.Р. Способ идентификации нагрузки на конце длинной гидролинии насосной установки. Справочник. Инженерный журнал, 2016, № 9, с. 38–48, doi: http://doi.org/10.14489/hb.2016.09.pp.038-048

[17] Цейров Е.М. Вопросы газовой динамики воздушных выключателей. Москва-Ленинград, Госэнергоиздат, 1956. 190 с.