HRVATSKO DRUŠTVO ZA MEHANIKU - titan.fsb.hrtitan.fsb.hr/~jpetric/Predavanja/Mehatronika_predavanje za HDM 2010... · Mehatronika: pregled i primjeri 3/ 46 • Popularan izraz: svi

Mehatronika: pregled i primjeri1 / 46

HRVATSKO DRUŠTVO ZA MEHANIKU

MEHATRONIKA: PREGLED I PRIMJERI

Prof.dr.sc. Joško PetrićFakultet strojarstva i brodogradnje

Sveučilište u Zagrebu


Pregled

Povijesni osvrt

Definicije

Primjene

Povratna veza

Primjeri

Sadržaj


• Popularan izraz: svi već imamo neku vlastitu sliku o tome, obzirom na iskustvo i susretanje s mehatronikom

• Puno definicija i shvaćanja pojma: uglavnom svode se na to da je mehatronika integracija mehanike (strojarstva), elektronike i informatike kako bi se njihovom sinergijom dobili bolji proizvodi ili proizvodni procesi.


• 1969., Tetsuo Mori, Yaskawa Electric Co., Japan, aplikacija za zaštićeni znak (trademark): „Riječ

mehatronika („mechatronics“) sastavljena je od „mecha“ što dolazi od mehanizma i „tronics“ od

elektonike. Drugim riječima, tehnologije i razvijeni proizvodi sadržavati će sve više i više

elektronike unutar mehanizama, koji će se prožimati, tako da će biti nemoguće reći gdje jedan

počinje, a drugi završava.“

• Tada se radilo o elektromehaničkim sustavima i servo-sustavima, ne uključujući složenije vođenje ili računala (automatska klizna vrata, automatska garažna vrata, i sl.)

• Izraz mehatronika ne pobuđuje veću pažnju do početka 80-tih

• 1971. Intel 4004 µp, zatim 8008, paralelno se razvijaju µc, još su vrlo skupi

• 80- tih izraz se polako popularizira, pogotovo u Europi i Japanu, a manje u SAD (Yaskawa ne produžava prava na zaštićeni znak)

• 1993. g., prvi studij mehatronike na Hochschule Bochum, zatim Kiel, Augsburg, itd.

• 90-tih, časopisi i konferencije pod okriljem IEEE, ASME, IFAC, itd.

Povijesni osvrt


Povijesni osvrt

• Kraj 70-tih: Japansko društvo za promicanje strojogradnje (JSPMI) svrstalo je mehatroničke proizvode u četiri kategorije:

– Class I: Prvenstveno mehanički proizvodi s uključenom elektronikom radi poboljšanja funkcionalnosti (NC alatni strojevi, pogoni s varijabilnom brzinom gibanja)

– Class II: Tradicionalni mehanički proizvodi sa značajno unaprijeđenim funkcijama pomoću elektronike (šivaći strojevi, automatizirani proizvodni sustavi)

– Class III: Proizvodi koji zadržavaju funkcionalnost tradicionalnog mehaničkog, ali unutarnji mehanizam je zamijenjen elektronikom (digitalni sat)

– Class IV: Proizvodi projektirani sinergijskom integracijom mehanike i elektronike (fotokopirni strojevi, inteligentne perilice i sušilice, fotoaparati, automatske pećnice)


Definicije

• Časopis „Mechatronics“, IFAC: „Mehatronika je sinergijska kombinacija precizne mehanike,

elektroničkog upravljanja i sustavnog razmišljanja prilikom projektiranja proizvoda i

proizvodnih procesa. Odnosi se na projektiranje sustava, uređaja i proizvoda koji bi na taj

način trebali postići optimalnu ravnotežu između osnovne mehaničke konstrukcije i njegovog

sveukupnog vođenja.

• Prof. Rizzoni, Ohio State: „Mehatronika je sjecište tradicionalnih metoda projektiranja sa

primjenom senzora, aktuatora, mikroprocesora i softvera. Na taj način postiže se veća

fleksibilnost proizvoda ili procesa, lako se reprogramiraju ili preoblikuju, a može se primjeniti

automatsko prikupljanje podataka i nadzor.“

• Prof. Tomizuka, Berkeley (ex urednik IEEE/ASME Trans. of Mechatronics): „Mehatronika u

stvari nije ništa novo nego dobra praksa u projektiranju. Osnovna ideja je primijeniti nove

metode vođenja da bi se podigao nivo svojstava nekog mehaničkog uređaja. Sloboda u

projektiranju se povećava, a rezultati mogu biti znatno bolji ako se imaju na umu i drugi

načini mimo uobičajenog, čisto mehaničkog pristupa.“


Definicije

• Prof. Bolton: „Mehatronički sustav nije samo brak između električnog i mehaničkog sustava, a također je više nego sustav vođenja; to je potpuna integracija svega toga.“

• Prof. Auslander, Berkeley: “Bilo koji sustav u kojem upravljate snagom ili prilagođavate

snagu je kandidat za vođenje računalom. Naime, za bilo koju mehaničku komponentu

može se pitati što je njena svrha? Da li prenosi snagu? Ili je njena uloga upravljanje i

koordinacija (usklađivanje) snage? Ovu drugu funkciju općenito mnogo efikasnije

(jednostavnije, jeftinije i fleksibilnije) obavljaju računala, softver i elektronika“


Definicije

Neki popularni grafički izrazi za mehatroniku:


Primjene

• Dakle: osnova je mehanički sustav koji nadgradnjom (elektronika, vođenje) dobiva novu

kvalitetu. Međutim, takvom sustavu treba pristupati integralno.

• Neke karakteristične primjene i primjeri mehatroničkih proizvoda: fotoaparati i kamere,

hard-diskovi, printeri, transportna sredstva (automobili, zrakoplovi), segway (primjer

proizvoda koji ne bi niti postojao da nije mehatronike, ..), sustavi za aktivno prigušenje

vibracija, roboti, ...

• Zamislimo proizvode prije i nakon mehatronike (pisači stroj vs. printer + računalo;

mehanički upravljana pumpa vs. common rail; pomoćni sustavi pogonjeni remenom vs.

decentralizirani pomoćni sustavi s vlastitim pogonom; ručni mjenjač automobila vs.

automatski mjenjač s dvostrukom spojkom, ... )


Primjene

• Automobili danas: prava riznica mehatronike

• Zakonski zahtjevi (potrošnja, emisija, sigurnost) vs. zahtjevi kupaca (performanse, cijena) –nametnute velike promjene, većina rješenja su upravo vezana uz mehatroniku.

• W.F.Powers, Ford – „u 20 g. automobili su 10 x čišći i 2 x efiksaniji zahvaljujući ponajviše distribuiranom vođenju temeljenom na µp“

• Motor management (senzori tlaka, masenog protoka zraka, lambda-sonde, podešavanja ventila, zaklopki, egr, ...)


Primjene

• Zamislimo ono što nam je već uobičajeno:

• e-zaklopka (ETC, drive-by-wire) - konstrukcija (nema sajle), funkcionalnost (tempomat, ograničenje brzine, brzina vrtnje praznog hoda, međugas, ..)

Chrysler cruise control, Chrysler Imperial 1958. g.


Primjene

• Poznati akronimi: ABS, TCS, ESP, ...

• Zamislimo steer-by-wire sustav – legislativa ne dozvoljava – konstrukcijske slobode

(nema stupa - sigurnost, upravljač lijevo, desno, vani?!, ..) – problemi veliki (sigurnost,

vjerna emulacija opterećenja ruku)

• Zamislimo hibridno vozilo - konstrukcijski utjecaji (smještaj baterija, smještaj dodatnih

pogona naprijed, nazad, u kotačima, dodatna masa i njen utjecaj na ovješenje);

funkcionalni utjecaji – (bezbroj, pitanje kočenja - npr. puna baterija, kako će kočiti

generator, itd… rješenje veća baterija, dakle veća masa, veći prostor, veća skupoća;

pitanje smještaja motora u kotačima, različitim momentima može se vrtiti vozilo, ali

neovješene mase se povećavaju, hlađenje,..)

• Dakle ako svaki ovaj proizvod zamislite bez integracije s vođenjem i elektronikom – to je

naprosto drugi proizvod, gledajući ga i s funkcionalnog, ali i konstrukcijskog aspekta


Primjene

• Segway Personal Transporter – primjer proizvoda koji je “prava mehatronika”, bez nje ne bi ni postojao

– “self-balancing transportation-device”, 2001.g., porijeklo od iBOT-a

z

y

x

valjanje

skretanje

naginjanje


Primjene

Aktuatori - dva istosmjerna servomotora bez četkica koji su smješteni unutar kotača s prijenosom preko reduktora.

Baterije – Li-Ion

Senzori – 5 žiroskopa (mjere promjenu orijentacije koristeći Coriolisov efekt, izvedeni su kao MEMS-ovi (micro

electro-mechanical system) sa vibrirajućim prstenom (vibrating ring

rate-gyroscope))

Upravljanje – više umreženih mikroprocesora


Primjene

• Zašto se mehatronika jako širi?

“Da bi bile konkurentne, firme moraju razvijati nove tehnologije da bi projektirale,

proizvodile i nudile tržištu nove proizvode. Mehatronika pomaže brzoj reakciji na

promjene, omogućava konkurentna svojstva proizvodu ili procesu i skraćuje proizvodni

ciklus – a sve to je nužnost bilo koje firme.”

• Sastavnice mehatronike:

– Modeliranje fizičkog sustava

– Senzori i aktuatori

– Vođenje (metode analize i sinteze vođenja)

– Računala (sučelja, mreže, arhitektura, PLC, op-amp)

– Softver i prikupljanje podataka (pretvornici, A/D i D/A, poboljšanje ili obradba signala („signal conditioning“ - pretvorba, pojačanje, filtriranje, izolacija..), instrumentacija)


Povratna veza

• Zašto je kod projektiranja naprednih mehaničkih (dinamičkih) sustava jako važno

promatrati konstrukciju i vođenje cjelovito?

• Povratna veza (regulacija) – čvrsta veza s mehanikom, puno prije mehatronike i

elektronike

• Korijeni automatske regulacije vezani su uz mehaniku i općenito strojarstvo

– stari vijek (pra-počeci: vodeni sat, uljne lampe, ..)

– srednji vijek (satni mehanizam verge-and-foilot, ..)

– novi vijek (regulatori temperature, ..)


Povratna veza

• Napredak mehanike i strojarstva općenito je dosta vezan uz povratnu vezu, regulaciju (automatsku)

• Neke prekretnice:

– Wattov regulator brzine, 1788. g., (flyball governor)


Povratna veza

– Zrakoplovstvo, prvi uspješni let braće Wright, 1903. g.


Povratna veza

– Žiroskopi, Sperry je konstruirao automatski pilot za zrakoplove na bazi signala iz

žiroskopa (el.signal – stlačeni zrak – krilca) 1909.g.


Povratna veza

• Što omogućava povratna veza (neka zadivljujuća svojstva):

– Može napraviti dobar sustav od loših elemenata

– Sustav može biti neosjetljiv na poremećaje i promjene svojih elemenata

– Može stabilizirati nestabilan sustav

– Može stvoriti neko poželjno ponašanje sustava (npr. linearno ponašanje sustava iz nelinearnih komponenti)

• Koji je problem povratne veze (gdje leži opasnost):

– Može unijeti nestabilnost (i od stabilnog sustava može postati nestabilan)

• Postoje neka temeljna ograničenja što se može postići povratnom vezom, a vezana su uz konstrukciju, i uz smještaj aktuatora i senzora!

(Dakako, ograničenja postoje vezana i uz kvalitetu sustava vođenja.)


Povratna veza

• Dobar sustav od loših elemenata: primjeri e-zaklopka, poluaktivni ovjes, ...

• Sustav može biti neosjetljiv na poremećaje i promjene svojih elemenata

– Osjetljivost predstavlja omjer postotne promjene neke mjere svojstava sustava (što može biti odzivY(s)) i postotne promjene nekog parametra sustava ai. Što se odziv manje mijenja kao posljedica promjene koeficijenata sustava, to je manje osjetljiv. Za male promjene koeficijenta ∆ai od početnevrijednosti a0 može se pisati da je osjetljivost S:

0

0

/

)(/)(

aa

sYsY

i

Y

aS ∆

∆≅

RGR Go

Y

RGR Go

Y

-

a)

b)

1=SY

G

)(1

1

sGG OR

Y

GS⋅+

=


Povratna veza

Djelovanje vanjskog poremećaja D:

RGR Go

Y

RGR Go

Y

-

a)

b)

D

D

V

Opasnost (i ograničenje): šum V

)()()( sDsGsY Oa =

)()()(1

)()( sD

sGsG

sGsY

OR

Ob

+=


Povratna veza

• Može stabilizirati nestabilan sustav:

θ

Il ,

m

τ

τθθ =⋅⋅⋅−⋅ sinlgmI &&

lgp /2/1 ±=

θθθτ sin⋅⋅⋅−−−= lgmKK PD&

Linearizacija, polovi su:

Zakon vođenja:

Dobiva se:

0=++⋅ θθθ PD KKI &&&

θ

Il ,

m

τ

Ne samo stabilan, nego i linearan!“Umjetna” opruga i prigušivač!


Povratna veza

Dalje:

θθτ sin2 ⋅⋅⋅⋅−−= lgmKD&

dobiva se ...

0sin =⋅⋅⋅++⋅ θθθ lgmKI D&&&

njihalo (s viskoznim prigušenjem)!

θ

Il ,

m

τ


Povratna veza

• Može stvoriti neko poželjno ponašanje sustava: npr. linearno od nelinearnog (prethodni

primjer, ali i primjeri sa samog početka automatike – vodeni sat)

• Opasnost povratne veze: duboko mijenja sustav, i od stabilnog sustava može postati

nestabilan (kašnjenja; šum senzora ili vodeće veličine sa derivacijskim ili čak

proporcionalnim djelovanjem regulatora mogu biti jako potencirane; preveliko traženje od

ograničenih aktuatora (integrator windup), prevelika pojačanja, itd.)


Povratna veza

• Temeljna ograničenja svojstava koja se mogu postići povratnom vezom:– pitanje smještaja polova i nula, odnosno pitanje stabilnosti (fazna-neminimalnost) –

pitanje konstrukcije

• Bodeov integral – predstavlja zakon održanja (čega?) – određena količina (vrijednost integrala

logaritma amplitude funkcije osjetljivosti) je sačuvana djelovanjem povratne veze, odnosno ukupna vrijednost je uvijek jednaka. Ona je jednaka nuli za stabilne polove/nule, ili je jednaka nekoj pozitivnoj vrijednosti za nestabilne polove/nule:

∑∫

∑∫

=

∞

=

∞

=

=

m

i i

n

k

k

zd

jT

pdjS

10

2

10

1)(ln

)(ln

πωω

ω

πωω

Ako se uzme u obzir ograničenja upravljačkog hardvera, što je vrlo važno, onda postaje: Ω→∞


Povratna veza

Ako se to primjeni na prethodni primjer inverznog njihala:

[ ]Ω=⇒⋅=⋅Ω //exp/ln min lgSlgS ππ

“kvaliteta” vođenja ovisi o dužini njihala l i ograničenju hardvera

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

2

4

6

8

10

12

14

16

18

l [m]

Sm

in

OM=7.5OM=10OM=15


Povratna veza

Ilustracija (G.Stein “Respect the unstable”):

• Drugim riječima, “blato” je zadano i ne može se ukloniti nego samo premjestiti (“control design”). “Blata” ima više ako je sustav nestabilan (desni polovi) ili ako ima nule u desnom dijelu G. ravnine!

• O čemu ovisi smještaj polova i nula? Prvenstveno o konstrukciji, odnosno o smještaju (i broju) senzora i aktuatora!

• Zato je važno (pri zahtjevnijim primjenama) cjelovito promatrati sve! (Svi čiste “blato”!)

Dakle, štap inv. njihala treba biti dug - Segway: sniziti težište, povećati kotače, ...


Povratna veza

Lijepi primjer prethodnoga: “statički nestabilni avioni”, Cp ispred Cg, dinamika slična inv. njihalu

Grumman X-29


Primjeri

• Primjeri su uzeti iz dijela aktivnosti Katedre za strojarsku automatiku (iz aktivnosti grupe za Upravljanje automobilskim sustavima – www.fsb.hr/acg )

• 2001. g., povratak prof. J.Deura iz Forda, početak sa dva projekta

• Prethodno djelovanje također vezano uz područje mehatronike

• Modeliranje, vođenje, estimacija - uglavnom primjena na automobilskim mehatroničkim sustavima

• Način: teorijski put i eksperimentalna potvrda (parametriranje i verifikacija)


Dobro došli na web stranice istraživačke grupe

Upravljanje automobilskim sustavimaFakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu

I. Lučića 5, HR-10000 Zagreb, CROATIA


Primjeri

Istraživanje:

Modeliranje Otto motora

Modeliranje automatske transmisije

Modeliranje uljnih spojki

Modeliranje dinamike aktivnih diferencijala

Modeliranje uljne spojke aktivnog diferencijala

Modeliranje magnetoreološke spojke

Modeliranje hidrostatičkog prijenosnika

Modeliranje trenja između autogume i ceste

Dinamički potencijal trenja autogume

Regulacija elektroničke zaklopke benzinskog motora

Procjena momenta tereta

Regulacija brzine vrtnje Ottovog motora u praznom hodu

Regulacija uljne spojke aktivnog diferencijala

Procjena sile trenja između autogume i podloge

Regulacija vuče/kočenja

Optimiranje integralnog upravljanja dinamikom vozila

Procjena brzine skretanja vozila

Ostala srodna istraživanja:

Regulacija elektromotornih pogona s elastičnim

prijenosnim mehanizmom, trenjem i

zračnošću.

Modeliranje i upravljanje fleksibilnim robotima

Mehatronički sustavi

Regulacija pneumatskih servo sustava


Primjeri

Modeliranje Otto motora

Procjena momenta tereta

Regulacija brzine vrtnje Ottovog motora u praznom hodu


Primjeri

Blokovski dijagram sustava regulacije brzine vrtnje u praznom hodu Ottovog motora

s regulatorom brzine vrtnje proširenim kompenzatorom momenta zasnovanom na Kalmanovom filtru.


Primjeri

Usrednjeni (“control-oriented” ili “mean-value”) model motora

Novina: politropski model usisnog kolektora


Primjeri

Modeliranje hidrostatičkog prijenosnika

Modeliranje dinamike aktivnih diferencijala

ICE

AC

DC

DC

ENC

ENC

ENC

1 2

3

5

6

7

8

9

10

11

12 13

14

15 16

4


Primjeri

Regulacija elektroničke zaklopke benzinskog motora

ETC


Primjeri

Odzivi slijednog sustava zaklopke sa i bez

kompenzacije nelinearnih učinaka

Odzivi sustava pozicioniranja za prolazak kroz "limp-home" položaj zaklopke, sa i bez kompenzacije nelinearnih

učinaka.


Primjeri

Modeliranje trenja između autogume i cesteDinamički potencijal trenja autogume

Procjena sile trenja između autogume i podloge

Regulacija vuče/kočenja


Primjeri

Modeliranje (i upravljanje) hibridnim vozilima

v

ωt1

τt1

ωt2

τt2

ωmg2,

τmg2

ωmg1,

τmg1

ωe,τ

e

Diff.r

c

sM/G1

ICE

M/G2

Battery /

Ultracapacitor

v

ωmg2,

τmg2

ωmg1,

τmg1

Diff.

s2

c2

r2

ICE

s1

c1

r1

F2

F3F1

ωe,τ

e

M/G1 M/G2

Battery /

Ultracapacitor

v

Diff.

F2

F1

s2

c2

r2

ICE

ωe,τ

e

r1

c1

s1

ωmg1,

τmg1

s3

c3

r3

s4

c4

r4

ωmg2,

τmg2

Battery /

Ultracapacitor

M/G1

M/G2

(a)

(b)

(c)

ωt1

τt1

ωt2

τt2

ωt1

τt1

ωt2

τt2

ioω

cd, i

o τ

cd-1

ioω

cd, i

o τ

cd-1

ioω

cd, i

o τ

cd-1

(a)

(b)

(c)

τmg1

..

R

Rt1

τr2

SE

ωe

τe

0

h2

ωs1

τs1

ωmg1

τmg1 SE

1

ωmg2

τmg2

SE

τc2

ωc2

TF..

..h

2 + 1

1

0

TF:

ωr2

1ωf3

..

R

τc1

ωc1

TF:h

1 + 1

1

ωf2

τf2

..

R

10

τr1

h1

TF:

ωr1

0ω

f1

τf1

..

R

Rf1

τf3

Rf2

Rf3

TF:io

1

ωcd

τcd

TF: 2

0 ωt2

τt2

..

R

Rt2

ωt1

τt1

TF: h1+h

SE

ωe

τe

0..

TFh

ωs

τs

1

ωmg1-τmg1

SE

ωr τr

1 ωmg2

τmg2

SE

TF:io

1

ωcd

τcd

TF: 2

0 ωt2

τt2

..

R

Rt2

ωt1

τt1

..

R

Rt1

h2

1

TF: io

1

ωcd

τcd

TF:2

0ωt2

τt2

..

R

Rt2

ωt1

τt1

..

R

Rt1

..

TF:

τc1

ωc1

TF:h

1 + 1

1

1

0

h1

0ωc2

τc2

TF:

SE

ωe τe

TF

h2 + 1

1

ωmg2 τ

mg2

SE

ωmg1

SE

ωr2

τr2

τr1

ωr1

..

0ωc3

τc3TF

h3 + 1

h3

h3

TF:1

τr3

ωr3

1 ωf2

τf2..

R

Rf2

TF:h

4

0

ωs4

τs4

1

TF:h

4 + 1

h4

..

R

Rf1

τf1ωf1

ωs1

τs11

ωr4

τr4


Primjeri

Modeliranje hibridnim vozilima

v

ωt1

τt1

ωt2

τt2

ωmg2,

τmg2

ωmg1,

τmg1

ωe,τ

e

Diff.r

c

sM/G1

ICE

M/G2

Battery /

Ultracapacitor

v

ωmg2,

τmg2

ωmg1,

τmg1

Diff.

s2

c2

r2

ICE

s1

c1

r1

F2

F3F1

ωe,τ

e

M/G1 M/G2

Battery /

Ultracapacitor

v

Diff.

F2

F1

s2

c2

r2

ICE

ωe,τ

e

r1

c1

s1

ωmg1,

τmg1

s3

c3

r3

s4

c4

r4

ωmg2,

τmg2

Battery /

Ultracapacitor

M/G1

M/G2

(a)

(b)

(c)

ωt1

τt1

ωt2

τt2

ωt1

τt1

ωt2

τt2

ioω

cd, i

o τ

cd-1

ioω

cd, i

o τ

cd-1

ioω

cd, i

o τ

cd-1

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

500

1000

1500

Tor

que

[Nm

]

τcd

τe

= (1+h)τmg1

τmg2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-5000

0

5000

10000

Spe

ed [r

pm]

ωmg2

ωmg1

ωe

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180-50

0

50

100

Pow

er [

kW]

Vehicle velocity [km/h]

Pe

Pmg2

-Pmg1

Pcd

Pd[0%]

Pd[5%]

Karakteristike pogona


Primjeri

Računalom vođeni tribometar

Ideja krenula od ispitivanja guma.Zanimljivi su dinamička događanja i potencijali trenja! Kako ih ispitati?


Zaključak

“Everything will, in some sense, be

smart; that is, every product, every

service, and every bit of infrastructure

will be attuned to the needs of the

humans it serves and will adapt its

behavior to those needs.”

Sensing, actuation, and control

USA National Academy of Engineering,

The Engineer of 2020


Zaključak

Odgovori čitatelja na mjesečnu anketu The Magazine of ASME „Mechanical Engineering“ iz studenog 2008. Pitanje je:

„Najveći utjecaj na strojarstvo u slijedećih 10 godina imati će:“

Documents

HRVATSKO DRUŠTVO ZA MEHANIKU - titan.fsb.hrtitan.fsb.hr/~jpetric/Predavanja/Mehatronika_predavanje za HDM 2010... · Mehatronika: pregled i primjeri 3/ 46 • Popularan izraz: svi