Optimization of braking phase coordinates for energy-efficient operation of pneumatic systems

Abstract

The aim of this study is to optimize the operating mode of a pneumatic system by determining the braking start and end coordinates that minimize the piston speed without the use of damping devices. This approach avoids the discharge of compressed air into the atmosphere and brings the operating conditions closer to an energy-saving mode. The goal is achieved through the implementation of a control algorithm that switches the distributor based on the piston position, allowing for the formation of a defined braking trajectory. The study involved mathematical modeling of the transient processes in the pneumatic system, as well as numerical optimization of the braking coordinates using the Nelder–Mead method and exhaustive search. It was found that the optimal braking start and end coordinates should be located within the last 10–15% of the piston stroke to ensure a final velocity of about 0.03 m/s. The most significant result is the development of a generalized dependency between braking coordinates and cylinderstroke length, enabling the design of energy-efficient pneumatic drive modes without the need for additional experimental research. As a result of the optimization, effective piston braking is achieved without damping devices, reducing compressed air losses and increasing the overall energy efficiency of the pneumatic system.

Scopul cercetării este optimizarea regimului de funcționare al sistemului pneumatic prin determinarea coordonatelor de început și sfârșit ale frânării, care asigură reducerea vitezei pistonului până la o valoare minimă, fără utilizarea dispozitivelor de amortizare. Această abordare permite evitarea evacuării aerului comprimat în atmosferă și apropie condițiile de lucru de un regim de economisire a energiei. Realizarea obiectivului propus se realizează prin implementarea unui algoritm de control al comutării distribuitorului, în funcție de poziția pistonului, ceea ce permite formarea unei traiectorii de frânare prestabilite. În cadrul studiului a fost realizată modelarea matematică a proceselor tranzitorii în sistemul pneumatic, precum și optimizarea numerică a coordonatelor de frânare utilizând metodele Nelder-Mead și căutarea exhaustivă. S-a constatat că coordonatele optime ale începutului și sfârșitului frânării trebuie să se afle în ultimele 10–15% din cursa pistonului, pentru a asigura o viteză finală de aproximativ 0,03 m/s. Cel mai important rezultat constă în elaborarea unei dependențe generalizate între coordonatele de frânare și lungimea cursei cilindrului, ceea ce permite proiectarea regimurilor de funcționare eficiente energetic ale acționărilor pneumaticefără cercetări suplimentare. Ca urmare a optimizării, se obține o frânare eficientă a pistonului fără a fi necesară utilizarea dispozitivelor de amortizare, ceea ce reduce pierderile de energie a aerului comprimat și crește eficiența energetică generală asistemului pneumatic.

Целью исследования является оптимизация режима работы пневматической системы путем определения координат начала и завершения торможения, обеспечивающих снижение скорости поршня до минимального значения без использования демпфирующих устройств. Такой подход позволяет избежать сброса сжатого воздуха в атмосферу и приблизить условия работы к энергосберегающему режиму. Достижение поставленной цели реализуется за счёт внедрения алгоритма управления переключением распределителя в зависимости от координаты поршня, что позволяет формировать заданную траекторию торможения. В ходе исследования проведено математическое моделирование переходных процессов в пневмосистеме, реализована численная оптимизация координат торможения методами Нелдера-Мида и полного перебора. Установлено, что оптимальные координаты начала и завершения торможения должны находиться в пределах последних 10–15 % длины хода поршня для обеспечения конечной скорости на уровне 0,03 м/с. Наиболее значимым результатом является построение обобщённой зависимости координат торможения от длины хода цилиндра, что позволяет проектировать энергосберегающие режимыработы пневмопривода без дополнительных исследований. В результате оптимизации достигается эффективное торможение поршня без необходимости использования демпфирующих устройств, что снижает потери энергии сжатого воздуха и повышает общую энергоэффективность пневмосистемы.