MODELOWANIE I SYMULACJA W MECHATRONICE. dr inż. Michał MICHNA

Transkrypt

1 MODELOWANIE I SYMULACJA W MECHATRONICE dr inż. Michał MICHNA

2 Wykład / lecture Podstawowe zagadnienia i definicje Modelowanie systemów metodą Lagrange a Języki modelowania fizycznego: grafy wiązań (20-Sim) Modelica (Dynasim) Język opisu sprzętu VHDL/MAST 2 godz 3 x 2 godz 2 x 2 godz 1 x 2 godz 30-wrz 7-paź 14-paź 21-paź 28-paź 4-lis wykład / lecture 11-lis 18-lis 25-lis 02-gru 08-gru 09-gru 16-gru 23-gru 30-gru 6-sty 13-sty 17-sty projekt / project 2 dr inż. Michał Michna

3 Projekt / project Zastosowanie dostępnych pakietów symulacyjnych do modelowania i symulacji wybranych układów mechatronicznych napęd wycieraczek, modelowanie przepływu energii na przykładzie napędu pojazdu hybrydowego 30-wrz 7-paź 14-paź 21-paź 28-paź 4-lis wykład / lecture 11-lis 18-lis 25-lis 02-gru 08-gru 09-gru 16-gru 23-gru 30-gru 6-sty 13-sty 17-sty projekt / project 3 dr inż. Michał Michna

4 Modeling and simulation of mechatronic systems Podstawowe zagadnienia i definicje Basic concepts and definitions 4 dr inż. Michał Michna

5 GENEZA MECHATRONIKI Mechatronika jest nową zintegrowaną techniką, której celem jest doskonalenie układów mechanicznych za pomocą mikroelektroniki i techniki komputerowej (Yamazaki i Miyazawa) Mechatronika jest nową dyscypliną w zakresie inżynierii związaną z projektowaniem, wytwarzaniem i eksploatacją maszyn zdolnych do inteligentnych zachowań (Rzevski) 5 dr inż. Michał Michna

6 GENEZA MECHATRONIKI Mechatronika jest synergiczną kombinacją mechaniki precyzyjnej, sterowania elektronicznego i myślenia systemowego w projektowaniu wyrobów i w technologii wytwarzania Komitet Mechatroniki, Międzynarodowej Federacji Teorii Maszyn i Mechanizmów, Comerford 6 dr inż. Michał Michna

7 GENEZA MECHATRONIKI Mechanika i budowa maszyn Sterowanie Systemy mechatroniki Energoelektronika silniki elektryczne Informatyka Definicja formalna mechaniczna (Yamazaki) 7 dr inż. Michał Michna

8 GENEZA MECHATRONIKI Mechanika i budowa maszyn Elektrodynamika techniczna Informatyka i sterowanie Mechatronika Energoelektronika silniki elektryczne Materiały Definicja wszechstronna elektromagnetyczna (J. Turowski) 8 dr inż. Michał Michna

9 GENEZA MECHATRONIKI Globalna gospodarka konkurencja w wymiarze globalnym, jakość wyrobów, poziom techniczny produkcji (maszyn, urządzeń, metod) Poszukiwanie metod zmniejszania kosztów i zwiększenia wydajności produkcji Rozwój technologii, maszyn, urządzeń, metod i narzędzi wspomagających projektowanie i produkcję W latach 80-tych jakość i doskonałość produkcyjna były kluczem do konkurencyjności, podczas gdy przy wkraczaniu do wieku XXI najważniejszą rzeczą jest interdyscyplinarna umiejętność rozwoju nowych wyrobów 9 dr inż. Michał Michna

10 GENEZA MECHATRONIKI Cykl życia produktu Samochody 5 do 7 lat AGD do 5 lat Elektronika domowa 3 od 5 lat Komputery do 2 lat Cykl życia produktu W pełni sprawny technicznie, funkcjonalny, cechy niezmienione od czasu wyprodukowania Zmiana oceny przydatności według aktualnego stanu techniki, specyfiki kulturowej, cywilizacyjnej 10 Techniki CAx Politechnika Gdańska 2011

11 GENEZA MECHATRONIKI Aktualny stan i kierunki rozwoju przedsiębiorstwa źródło [1] 11 Techniki CAx Politechnika Gdańska 2011

12 GENEZA MECHATRONIKI Cykl rozwoju produktu źródło [1] 12 Techniki CAx Politechnika Gdańska 2011

13 GENEZA MECHATRONIKI Cykl rozwoju produktu źródło [1] 13 Techniki CAx Politechnika Gdańska 2011

14 MECHATRONIKA TECHNOLOGIA MECHATRONIKI WNIOSKI Rok 2000 a) b) 1. Maszyny na miarę" 2. Tańsze Know-How 3. Tajemnice firmy WYTWARZANIE RZECZY Kryterium: RYNEK KONKURENCYJNOŚĆ INNOWACYJNOŚĆ 1950 Sprzedaż $ Sprzedaż mln szt SZYBKIE PROJEKTOWANIE RAPID DESIGN Wpływ mechatroniki na: a) Czas do rynku "Time to Market" b) Sprzedaż małych maszyn katalogowych w W. Brytanii (W.S. Wood ) 14 dr inż. Michał Michna

15 MECHATRONIKA Mechatronika jest synergiczną techniką projektowania i wytwarzania maszyn zdolnych do inteligentnych zachowań, o nierozłącznym, powiązaniu mechaniki, elektroniki, informatyki, elektrodynamiki technicznej, myślenia systemowego i ekonomii 15 dr inż. Michał Michna

16 MASZYNA ELEKTRYCZNA GŁÓWNY AKTOR MECHATRONIKI ulepszenia ciągłe są największym wrogiem innowacyjności zł b a czas Rys. 4. Zyski przedsiębiorstwa: a) ulepszenia ciągłe, b) ulepszenie skokowe w wyniku innowacji 16 dr inż. Michał Michna

17 GENEZA MECHATRONIKI szybka reakcja na potrzeby rynku stymulowana silną konkurencją, wzmaganą przez powszechną dostępność wiedzy i informacji innowacja i kreatywność jako podstawy konkurencji we wszystkich obszarach działalności przemysłowej; wymagający klient oczekujący spersonalizowanego produktu; innowacje procesowe zmieniające skalę i zakres przemysłu bezwzględny wymóg ochrony środowiska globalna dystrybucja wysoce konkurencyjnych zasobów produkcyjnych, włączając wykwalifikowaną siłę roboczą jako czynnik o decydującym znaczeniu dla organizacji procesu produkcji 17 dr inż. Michał Michna

18 GENEZA MECHATRONIKI - wyzwania osiągnięcie współbieżności wszystkich procesów, integracja zasobów ludzkich i uprzedmiotowionych dla wzrostu produktywności i satysfakcji z pracy, natychmiastowa transformacji różnorodnych informacji w wiedzę potrzebną do podejmowania efektywnych decyzji, redukcja odpadów produkcyjnych i negatywnego oddziaływania na środowisko do wielkości bliskich zeru, szybka rekonfiguracji produkcji w zależności od nowych potrzeb i możliwości, rozwój innowacyjnych procesów i produktów skoncentrowanych na małych seriach 18 dr inż. Michał Michna

19 TECHNOLOGIE MECHATRONIKI elastyczne, zintegrowane wyposażenie, procesy i systemy łatwo poddające się rekonfiguracji energooszczędność i zero-odpadowość rozwój nowych materiałów i komponentów wykorzystanie biotechnologii w procesie produkcji modelowanie i symulacje dla każdej operacji produkcyjnej 19 dr inż. Michał Michna

20 TECHNOLOGIE MECHATRONIKI Podejście systemowe Praca zespołowa (bezpośredni wkład ekspertów do wspólnego programu docelowego) Proste, tanie i łatwo zrozumiałe metody oparte na głębokiej teorii Zamożność w tym nowym reżymie wypływa wprost z innowacji, a nie z optymalizacji Prosto uczyć i budować programy może tylko doskonały znawca przedmiotu 20 dr inż. Michał Michna

21 TECHNOLOGIE MECHATRONIKI różnorodność metod projektowania procesów i produktów odpowiadających na szerokie spektrum wymagań rozszerzoną komunikację człowiek maszyna nowe metody kształcenia i szkolenia umożliwiające szybkie przyswajanie wiedzy oprogramowanie dla inteligentnych systemów współpracy 21 dr inż. Michał Michna

22 TECHNOLOGIA MECHATRONIKI Upraszczanie metod modelowania i obliczeń Budowa elementów (maszyn el): od Naviera-Stokesa do MES-3D, MSR-3D Ruch i eksploatacja układów: Hamilton a zamiast SABERa Optymalizacja mechanizmów i układów ważniejsza niż elementów, np. dobór maszyn elektrycznych Optymalizacja strukturalna 22 dr inż. Michał Michna

23 TECHNOLOGIA MECHATRONIKI ISO 9000; odpowiedzialność za jakość rozpisana na wszystkie stanowiska produkcji Jeden za wszystkich Proste maszyny, a skomplikowane sterowanie (Boeing) Proste narzędzia projektowania i budowy oparte na skomplikowanych, wyczerpujących badaniach podstawowych Outsourcing - przenoszenie części produkcji do wyspecjalizowanych poddostawców 23 dr inż. Michał Michna

24 PERSPEKTYWY Jeżeli zatem do znanego od dawna silnika elektronicznego bezszczotkowego lub SRM dodamy mikroprocesor z odpowiednimi kartami z procesorem i interfejsami, sprzęgniemy z napędzanym układem (samochód, samolot, obrabiarka, linia produkcyjna) to będzie to nadal maszyna, ale już inteligentna, o takim czy innym stopniu zaawansowania, przy którym wiele robotów jawi się jako maszyny o najniższym szczeblu sztucznej inteligencji MASZYNY INTELIGENTNE 24 dr inż. Michał Michna

25 Modeling and simulation of mechatronic systems Przykłady systemów EM Examples of mechatronic systems 25 dr inż. Michał Michna

26 Autonomiczne Systemy Energetyczne Autonomiczne Systemy Energetyczne rozproszone wytwarzania energii elektrycznej pokładowe ASE systemy mobilne znajdujące się na samolotach, statkach, samochodach i rowerach; stacjonarne ASE systemy służące do zasilania w energie elektryczną budynków i domów 26 dr inż. Michał Michna

27 Autonomiczne Systemy Energetyczne Węzeł wytwórczy źródło energii mechanicznej bezszczotkowy generator synchroniczny (BGS) Cechy: zmiennej prędkość obrotowa zmienna częstotliwość i częstotliwości Zastosowanie Moc [kw] Prędkość obrotowa [obr/min] Samochód hybrydowy Mały generator wiatrowy Samolot Agregat prądotwórczy (CHP) dr inż. Michał Michna

28 Autonomiczne Systemy Energetyczne pokładowy system elektroenergetyczny samolotu pasażerskiego system kogeneracji energii elektrycznej i cieplnej systemy trakcyjne transportu kolejowego systemy trakcyjne samochodów elektrycznych i hybrydowych systemy trakcyjne rowerów i skuterów elektrycznych 28 dr inż. Michał Michna

29 More-Electric Technology for Next-Generation Aircraft Electric wing ice protection Power electronics (liquid-cooled) Electro-mechanical actuators All-electric APU ±270V DC power system All-electric air conditioning Electric engine start 29 dr inż. Michał Michna Project co-funded by the European Commission within the Sixth Framework Programme

30 System energetyczny samolotu All Electrical Aircraft Energia Elektryczna [kw lub kva] DC Network More Electrical Aircraft AC & DC Network 30 dr inż. Michał Michna

31 System energetyczny samolotu 31 dr inż. Michał Michna

32 System energetyczny samolotu Energia hydrauliczna kontrola lotu, podwozie, hamulce, drzwi bar 250kW Airbus A330 Energia pneumatyczna klimatyzacja, sprężone powietrze, odladzanie, rozrusznik do 20bar1200kW Energia elektryczna awionika, pompy, odmrażanie, oświetlenie 115VAC 230kVA Energia mechaniczna silnik pomp paliwowych silnik pomp olejowych rozrusznik kW 32 dr inż. Michał Michna

33 System energetyczny samolotu System Złożoność Konserwacja Dojrzałość technologii Elektryczny złożony prosta dojrzała, samoloty elektryczne - niedojrzała Hydrauliczny prosty złożona i niebezpieczna dojrzała Mechaniczny bardzo złożony częsta, wolna bardzo dojrzała Pneumatyczny prosty złożona bardzo dojrzała 33 dr inż. Michał Michna

34 System energetyczny samolotu 34 dr inż. Michał Michna

35 System energetyczny samolotu 35 dr inż. Michał Michna

36 System energetyczny samolotu Variable Input Shaft Speed Constant Speed Drive Syn Gen 3 Phase 115VAC 400Hz Integrated Drive Generator (CF) Variable Input Shaft Speed Syn Gen Przekształtnik z obwodem pośredniczącym DC 3 Phase 115VAC 400Hz Variable Speed Constant Frequancy (DC Link) 36 dr inż. Michał Michna

37 System energetyczny samolotu Variable Input Shaft Speed Syn Gen Cycloconverter 3 Phase 115VAC 400Hz VSCF (Cyclonverter) Variable Input Shaft Speed Syn Gen 3 Phase 115VAC Hz Variable Frequancy Generator 37 dr inż. Michał Michna

38 Samolot konwencjonalny A330 Baterie Dystrybucja: 28VDC AC/DC Konwersja Dystrybucja AC 115VAC Główne źródła energii AC dr inż. Michał Michna 38

39 Systemy EM Definicje 39 dr inż. Michał Michna

40 System Elektromechatroniczny System obiekt lub zespół układów które są badane wzajemna konfiguracja elementów systemu oraz sposób przetwarzania informacji i realizacji sterowania zakłócenia Siły/momenty System e-mech ruchy Energia Aktory Alarmy Sensory modelowanie Ukł. sterowania nastawy 40 dr inż. Michał Michna

41 System Elektromechatroniczny Proces przekształcenie i transport materii, energii oraz informacji zakłócenia Siły/momenty System e-mech ruchy Energia Aktory Alarmy Sensory modelowanie Ukł. sterowania nastawy

42 System Elektromechatroniczny Elementy systemu Sensory przetwarzają wielkości pomiarowe w sygnały elektryczne Aktory realizuj ruchy i siły sterujące układem elektromechanicznym zakłócenia Siły/momenty System e-mech ruchy Energia Aktory Alarmy Sensory modelowanie Ukł. sterowania nastawy

43 System Elektromechatroniczny Modelowanie obiekt lub zespół układów które są badane eksperyment doświadczenie naukowe przeprowadzone w kontrolowanych warunkach w celu zbadania jakiegoś zjawiska model zastępstwo dla rzeczywistego systemu, który obejmuje eksperyment modelowanie akt tworzenia modelu Symulacja eksperyment przeprowadzony na modelu, Symulator program komputerowy do przeprowadzania symulacji 43 dr inż. Michał Michna