Разработка алгоритма автоматизированной системы настройки ПИД-регулятора сервоцилиндра на основе математической модели гидропривода

А А Колотов

doi:10.22213/2410-9304-2026-1-35-42

Авторы

А. А. Колотов ИжГТУ имени М. Т. Калашникова; ООО «НПО «Гидросистемы»

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2026-1-35-42

Ключевые слова:

автоматизация, система управления, ПИД-регулятор, система прогнозирования, сервоцилиндр, гидравлическая система, кинематика

Аннотация

В статье рассмотрен вопрос построения эффективной автоматизированной системы управления механизмом при помощи пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (далее ПИД-регулятора). Вопросы корректного применения и управления ПИД-регулятором, в том числе задача формирования системы прогнозирования коэффициентов ПИД-регулятора, представлена на примере построения системы управления сервоцилиндром, то есть на примере управления работой гидравлической системы. Показано, что наиболее технически сложным, трудоемким и ответственным этапом построения автоматизированной системы управления механизмом является этап настройки управляющего воздействия с учетом динамически изменяющихся входных данных. Сформирована и представлена математическая модель работы сервоцилиндра, являющаяся базовым элементов адаптивной системы управления регулятором. Сформирован, представлен и реализован алгоритм управления и способы определения (подбора) коэффициентов. Представлены результаты апробации алгоритма прогнозирования коэффициентов ПИД-регулятора на примере управления сервоцилиндром. Предложен автоматизированный метод настройки ПИД-регулятора на основе численных методов оптимизации с применением математической модели гидропривода. Показано, что сформированный подход позволяет подобрать оптимальные параметры регулирования. Отдельно рассмотрен пример программной реализации ПИД-регулятора в среде для разработки алгоритмов на высокоуровневом интерпретируемом языке программирования общего назначения. Особый акцент направлен на разработку и практическую апробацию автоматизированного метода подбора коэффициентов ПИД-регулятора, построенного на базе математической модели гидропривода. Предложенный в статье подход основан на применении метода оптимизации Нелдера - Мида. Проведенные численные и имитационные эксперименты продемонстрировали, что разработанный автоматизированный метод позволяет находить оптимальные или близкие к оптимальным наборы коэффициентов ПИД-регулятора за приемлемое время, существенно повышая качество управления, устойчивость работы и снижая зависимость результата от субъективного опыта настройщика. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании промышленных систем управления с гидравлическими приводами, а также в технике различного назначения, требующей постоянного контроля положения.

Биография автора

А. А. Колотов, ИжГТУ имени М. Т. Калашникова; ООО «НПО «Гидросистемы»

аспирант

Библиографические ссылки

Озерский А. И. Проблемы и методы совершенствования систем гидравлических приводов, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2015. № 2 (183). С. 69-76, DOI 10.17213/0321-2653-2015-2-69-76.

Xu R., Tan X., Wang He., Zhu Zh., Lu X., Li Ch. Stability of hydropower units under full operating conditions considering nonlinear coupling of turbine characteristics // Renewable Energy. 2024. Т. 223. С. 120009.

Курир В. И. О моделировании гидрогенератора с турбиной в MATLAB/SIMULINK // Вестник Чувашского университета. 2019. № 3. С. 133-141.

Динамика деформируемых систем, несущих движущиеся нагрузки (обзор публикаций и диссертационных исследований) / С. И. Герасимов, В. И. Ерофеев, Д. А. Колесов, Е. Е. Лисенкова // Вестник научно-технического развития. 2021. № 160. С. 25-47. DOI: 10.18411/vntr2021-160-3.

Borase R.P., Maghade D. K., Sondkar S. Y., Pawar S. N. A review of PID control, tuning methods and applications. // International Journal of Dynamics and Control. 2021, vol. 9, pp. 818-827.

Сабитов М. А., Сенкевич Л. Б. Разработка структуры нейросетевой системы автоматизированной настройки параметров ПИД-регулятора // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2018. № 10. С. 17-19.

Попадьин А. Н. Автоматизированная настройка ПИД-регулятора для управления следящим приводом с использованием программного пакета matlab simulink // Морской вестник. 2019. № 3 (71). С. 93-96.

Труханов К. А. Математическая модель следящего пневмопривода // Справочник. Инженерный журнал. 2022. № S7. С. 1-20.

K. David Young, Vadim I. Utkin, Umit Ozguner. A Control Engineer’s Guide to Sliding Mode Control. IEEE Transactions on control systems technology, Vol. 7, NO. 3, pp. 328-342 (1999).

Faizdrakhmanov D. G., Kolotov A. A., Karavaev Yu. L., Chernova A. A. Automating the Process of Mobile Robot Controllers Adjustment // Информационные технологии в науке, промышленности и образовании : сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции (Ижевск, 2025 г.). С. 311-317.

Исследование эффективности применения нейросетевого оптимизатора параметров ПИД-регулятора при решении задач управления нагревательными объектами в металлургии / Ю. И. Еременко, Д. А. Полещенко, А. И. Глущенко, С. В. Солодов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2014. Т. 57, № 7. С. 61-65.

Горбатов В. А., Горбатов А. В., Горбатова М. В. Теория автоматов : учебник для студентов втузов. М. : АСТ Издательство, 2008. 559 c.

Ким Д. П. Теория автоматического управления. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы : учебник и практикум. Сер. 76 Высшее образование. 3-е изд., испр. и доп. М., 2020.

Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления / пер. с анг. М. : Лаборатория базовых знаний, 2002. 1056 с.

Гаевский С. А., Ким Д. П. Настройка и оптимизация ПИД-регуляторов в системах автоматического управления // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22, № 7. С. 112-125.