Техніка та енергетика

Синтез та декомпозиція мехатронної системи з гідропневматичними пристроями автоматизації

Оксана Ганпанцурова, Олександр Губарев, Костянтин Бєліков, Альона Муращенко , Олег Левченко
Завантажити статтю
Анотація

Актуальність дослідження зумовлена зростанням складності мехатронних систем із гідропневматичними пристроями автоматизації та необхідністю підвищення ефективності їх проєктування в умовах розвитку концепції Industry 4.0. Метою дослідження було обґрунтування придатності циклічно-модульного підходу для декомпозиції мехатронної системи на макромодулі, їх синтезу та подальшого об’єднання без порушення системних властивостей. Методологія дослідження базувалась на застосуванні принципів системного аналізу, декомпозиції та логічного синтезу для побудови й дослідження мехатронних систем з гідропневматичними пристроями автоматизації. В об’єкті синтезу з боку електронної складової взято алгоритм керування виконавчими пристроями системи. Автори розглядають ефективні та конкурентоспроможні технічні рішення з оглядом додавання нових функцій та підвищення ступеня автоматизації, що відповідає тенденціям Індустрії 4.0. Запропоновано абстрактну модель елемента мехатронної системи – макромодуля. Представлено перевагу автономного налаштування і тестування макромодулів, що значно скорочує термін і спрощує проєктування об’єкту. Розглянуто наслідки глибокої фрагментації мехатронної системи та встановлено взаємозв’язок між складністю модулів і архітектурою керування. Наведено результати проведеного аналізу, щодо моделі керування, а саме доведено, що надмірне декомпозиція призводить до появи окремого ієрархічного рівня, що забезпечує зв’язки між спрощеними елементами. Обґрунтовано, що поділ системи на макромодулі не може бути випадковим; він жорстко обмежений фізичними властивостями обладнання і функціями об’єкту проєктування. У статті запропоновано оцінювати якість декомпозиції не за кількістю елементів, а за практичним скороченням часу розробки системи до і після масштабування. Оптимальна розмірність макромодулів є унікальною для кожного конкретного проекту, оскільки базується на змістовному (фізичному) наповненні компонентів. Ефективна декомпозиція знаходить баланс між автономністю макромодуля та складністю координаційних зв’язків, забезпечуючи швидке впровадження складних засобів автоматизації

Ключові слова

архітектура керування; макромодуль; гідропневлічні приводи; декомпозиція функцій; логічне керування; архітектура керування; Industry 4.0

ЦИТУВАТИ
Hanpantsurova, O., Hubarev, O., Bielikov, K., Murashchenko, A., & Levchenko, O. (2026). Synthesis and decomposition of a mechatronic system with hydro-pneumatic automation devices. Machinery & Energetics, 17(2), 65-77. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2026.5
Використані джерела
  1. Aboul, E.H., Jyotir, M.C., & Vishal, J. (2022). Artificial intelligence and industry 4.0. Amsterdam: Elsevier Science.
  2. Adedigba, S.A., Khan, F., & Yang, M. (2016). Dynamic safety analysis of process systems using nonlinear and non-sequential accident model. Chemical Engineering Research and Design, 111, 169-183. doi: 10.1016/j.cherd.2016.04.013.
  3. Albrecht, O., & Taylor, C.J. (2020). Unknown and time-varying time delays in the modelling and control of hydraulic actuators. In 2020 Australian and New Zealand control conference (ANZCC) (pp. 232-237). Gold Coast: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). doi: 10.1109/ANZCC50923.2020.9318375.
  4. Barbanera, F., Dezani-Ciancaglini, M., Lanese, I., & Tuosto, E. (2021). Composition and decomposition of multiparty sessions. Journal of Logical and Algebraic Methods in Programming, 119, article number 100620. doi: 10.1016/j.jlamp.2020.100620.
  5. Becker, M., Karaoglu, S., Makansi, F., Radtke, J., & Schmitz, K. (2025). Industry 4.0: Review of the state of the art in fluid power research and industry. International Journal of Fluid Power, 26(4), 573-624. doi: 10.13052/ijfp1439-9776.2643.
  6. Belgacem, H., Abuabiah, M., Boulescu, A., & Chihi, I. (2026). A three-level hierarchical fault diagnosis framework for APS mechatronic systems with adaptive Bayesian root-cause analysis. Results in Engineering, 30, article number 111163. doi: 10.1016/j.rineng.2026.111163.
  7. Busi, N. (2002). Analysis issues in Petri nets with inhibitor arcs. Theoretical Computer Science, 275(1-2), 127-177. doi: 10.1016/S0304-3975(01)00127-X.
  8. Cherkashenko, M. (2023). Synthesis of discrete drives control systems. Bulletin of the National Technical University “KhPI”. Series: “Hydraulic machines and hydraulic units”, 1, 12-17. doi: 10.20998/2411-3441.2023.1.02.
  9. Findeisen, D., & Helduser, S. (2015). Oil hydraulics. Handbook of hydraulic drives and controls. Berlin: Springer Vieweg. doi: 10.1007/978-3-642-54909-0.
  10. Fu, Z., Zhang, H., Zhu, S., Jiang, Z., & Zhang, L. (2026). A diagnosis and classification method for energy efficiency anomalies in mechatronic equipment based on multi-condition inherent energy efficiency benchmark. Energy, 342, article number 139671. doi: 10.1016/j.energy.2025.139671.
  11. Gomes, L., & Barros, J.P. (2005). Structuring and composability issues in Petri net modeling. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 1(2), 112-123.
  12. Khond, V.V., Kavale, P.K., & Dixit, N.S. (2019). An approach to mechatronics system design. International Journal of Engineering Development and Research, 7(2), 360-366.
  13. Kozlov, L., Poliakov, A., Yakobinchuk, O., Gubarev, O., & Makarova, T. (2023). Mechatronic hydraulic system with adaptive regulator for a manipulator of the mobile working machine. In V. Ivanov, I. Pavlenko, O. Liaposhchenko, J. Machado & M. Edl (Eds.) Advances in design, simulation and manufacturing VI. DSMIE 2023. Lecture notes in mechanical engineering (pp. 64-73). High Tatras: Sumy State University. doi: 10.1007/978-3-031-32774-2_7.
  14. Lambert, P., & Herder, J.L. (2016). Parallel robots with configurable platforms: Fundamental aspects of a new class of robotic architectures. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 230(3), 463-472. doi: 10.1177/09544062156025.
  15. Li, J., Lu, Y., He, Y., Zhou, G., & Miao, L. (2022). Analysis and compensation control of engine valve response delay based on the electro-hydraulic variable valve actuator. Machines, 10(8), article number 701. doi: 10.3390/machines10080701.
  16. Li, J., Sun, Y., Wang, Y., & Su, Q. (2025). Identifying critical nodes in cyber-physical power systems based on an improved mixed degree decomposition method. Advanced Engineering Informatics, 68(Part B), article number 103630. doi: 10.1016/j.aei.2025.103630.
  17. Lishchenko, N., & Gushchin, A., & Larshin, V. (2024). Hierarchical control in mechatronic technological systems. Machines, 12(10), article number 697. doi: 10.3390/machines12100697.
  18. López, E.J., Ruiz, J.E.P., Chávez, O.L., Muñoz, F., Velásquez, L.A.G., & Lugo, J.G.C. (2026). The evolution of mechatronics engineering and its relationship with industry 3.0, 4.0, and 5.0. Technologies, 14(2), article number 81. doi: 10.3390/technologies14020081.
  19. Mesarovic, M.D., & Takahara, Y. (1975). General systems theory: Mathematical foundations. London: Academic Press.
  20. Nazarova, O., Osadchyy, V., Hutsol, T., Glowacki, S., Nurek, T., Hulevskyi, V., & Horetska I. (2024). Mechatronic automatic control system of electropneumatic manipulator. Scientific Reports, 14, article number 6970. doi: 10.1038/s41598-024-56672-4.
  21. Parr, A. (2011). Hydraulics and pneumatics: A technician’s and enginee’s guide. Oxford: Butterworth-Heinemann.
  22. Peterson, J.L. (1981). Petri net theory and the modeling of systems. Englewood Cliffs: Prentice-Hall.
  23. Polishchuk, L.K., Kozlov, L.G., Piontkevych, O.V., Gromaszek, K., & Mussabekova, A. (2018). Study of the dynamic stability of the conveyor belt adaptive drive. In Proceedings volume 10808 photonics applications in astronomy, communications, industry, and high-energy physics experiments 2018. Wilga: Warsaw University of Technology. doi: 10.1117/12.2501535.
  24. Reisig, W. (2013). Understanding Petri nets. Modeling techniques, analysis methods, case studies. Berlin Heidelberg: Springer. doi: 10.1007/978-3-642-33278-4.
  25. Sikandar, H., Vaicondam, Y., Khan, N., Qureshi, M.I., & Ullah, A. (2021). Scientific mapping of industry 4.0 research: A bibliometric analysis. International Journal of Interactive Mobile Technologies (iJIM), 15(18), 129-147. doi: 10.3991/ijim.v15i18.25535.
  26. Subramanya, K. (2010). Fluid mechanics and hydraulic machines: Problems and solutions. New Delhi: McGraw Hill Education.
  27. Tiboni, M. (2023). Power drive architectures for industrial hydraulic axes: Energy-efficiency-based comparative analysis. Applied Sciences, 13(18), article number 10066. doi: 10.3390/app131810066.
  28. Vanegas-Ayala, S.-C., Barón-Velandia, J., & Leal-Lara, D.-D. (2022). A systematic review of greenhouse humidity prediction and control models using fuzzy inference systems. Advances in Human-Computer Interaction, article number 8483003. doi: 10.1155/2022/8483003.
  29. Vieira, M., et al. (2021). Towards an integrated decision-support framework for the new generation of manufacturing systems. In S. Relvas., J.P. Almeida, J.F. Oliveira & A.A. Pinto (Eds.) Springer Proceedings in Mathematics & Statistics (Vol. 374). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-030-85476-8_14.
  30. Webert, H., Döß, T., Kaupp, L., & Simons, S. (2022). Fault handling in Industry 4.0: Definition, process and applications. Sensors, 22(6), article number 2205. doi: 10.3390/s22062205.
  31. Wu, P., Lai, Z., Wu, D., & Wang, L. (2014). Optimization research of parallel pump system for improving energy efficiency. Journal of Water Resources Planning and Management, 141(8). doi: 10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000493.
  32. Zhang, Y., Xie, Z., Yue, Y., & Qi, L. (2024). Automatic refactoring approach for asynchronous mechanisms with completable future. Applied Sciences, 14(19), article number 8866. doi: 10.3390/app14198866.
  33. Zhao, S., Chen, K., Zhang, X., Zhao, Y., Jing, G., Yin, C., & Xiao, X. (2021). A high-order load model and the control algorithm for an aerospace electro-hydraulic actuator. Actuators, 10(3), article number 53. doi: 10.3390/act10030053.