Dynamic model of a hydraulic drive of a mechatronic system with a planetary hydraulic motor

Abstract

EN: This paper investigates multi-scale power losses and global energy-efficiency optimization in process machinery hydraulic systems. Power-loss mechanisms are analyzed at three levels: micro (components), meso (circuits), and macro (system), and a quantitative model accounting for their interactions is developed. A global energy-efficiency model is established, and a collaborative control strategy based on an improved adaptive genetic algorithm (IAGA) is proposed to optimize energy consumption and dynamic performance. Simulation and experimental results confirm that hydraulic pump volumetric losses, control valve throttling losses, and circuit coupling losses account for over 75% of total power losses. The proposed strategy improves system energy efficiency by 12% 18% and reduces dynamic response overshoot by more than 60%. The results provide a theoretical and practical basis for energy-efficient hydraulic system design and control. UK: Гідравлічні системи технологічного обладнання завдяки високій щільності потужності, точному регулюванню швидкості та високій стійкості до ударних навантажень широко застосовуються у ключових промислових галузях, таких як металургія, верстатобудування та гірнича промисловість, і є енергетичною основою сучасного технологічного виробництва. Однак під час роботи таких систем виникають значні втрати потужності, які мають багатомасштабну зв'язну властивість за схемою «елемент – контур – система», через що енергоефективність систем залишається низькою (у промислових умовах зазвичай становить лише 45–60 %). Це стало основним перешкодою на шляху енергозбереження, скорочення викидів та зеленого модернізування технологічного обладнання. Для вирішення недоліків існуючих досліджень, а саме неповного аналізу механізмів втрат потужності, недостатнього врахування багатомасштабних зв'язних ефектів та відсутності глобальної координації в системах керування енергоефективністю, у статті систематично досліджено багатомасштабний механізм втрат потужності, а також теорію та методи спільного керування для підвищення глобальної енергоефективності гідравлічних систем технологічного обладнання. Спочатку визначено критерії багатомасштабної класифікації втрат потужності та систематично проаналізовано механізми їх виникнення у трьох вимірах: мікрорівень (внутрішня частина елементів), мезорівень (зв'язність контурів) та макрорівень (вся система в цілому), на основі чого побудовано кількісну багатомасштабну модель втрат потужності. Далі з урахуванням взаємозв'язків між втратами різних масштабів створено модель глобальної енергоефективності, що дозволяє виявити внутрішні залежності між багатомасштабними втратами та енергоефективністю системи. Потім запропоновано стратегію керування, що поєднує компенсацію багатомасштабних втрат та спільну оптимізацію глобальних параметрів, а також розроблено оптимізаційний контролер на основі вдосконаленого адаптивного генетичного алгоритму (IAGA). Цей контролер забезпечує одночасне покращення показників енергоспоживання та динамічних характеристик системи. На завершення ефективність та практичність запропонованої теорії та методів підтверджено за допомогою симуляційного аналізу та експериментальних випробувань. Отримані результати свідчать, що побудована багатомасштабна модель втрат потужності дозволяє точно кількісно оцінити внесок втрат кожного масштабу. Основними джерелами загальних втрат системи є об'ємні втрати гідравлічного насоса, дросельні втрати регулюючого клапана та втрати через зв'язність контурів (їх сумарна частка перевищує 75 %). Запропонована стратегія спільного керування глобальною енергоефективністю забезпечує зростання енергоефективності системи на 12–18 % при різних робочих режимах, одночасно зменшуючи перерегуляцію динамічної реакції більш ніж на 60 %. Це дозволяє успішно вирішити проблему неможливості одночасного досягнення високої енергоефективності та хороших динамічних характеристик, характерну для традиційних стратегій керування. Дане дослідження надає надійну теоретичну базу та практичний технічний шлях для оптимізації проектування та керування енергоефективністю гідравлічних систем технологічного обладнання, а також має високе теоретичне значення та практичну цінність для розвитку зеленого та низьковуглецевого сектору технологічного машинобудування.