Struktury systemów mechatronicznych 2

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Struktury systemów 2 Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Powody integrowania mikroprocesorów z maszynami (Gawrysiak 1997) 1. Poprawienie charakterystyk 2. Poszerzenie charakterystyk 3. Uproszczenie złożonych mechanizmów 4. Innowacyjność (nowe rozwiązania) 5....

3 Mechatronika jako synergiczne połączenie różnych dyscyplin (Isermann 2005) mikroelektronika energoelektronika czujniki siłowniki Elektronika Mechatronika Informatyka teoria systemów modelowanie automatyzacja oprogramowanie sztuczna inteligencja elementy mechaniczne maszyny mechanika precyzyjna elektrotechnika Mechanika i elektromechanika

4 Założenia użytkowe opis podsystemów (Wierciak 1996)

5 Analiza funkcji urządzenia (Wierciak 2007) Układy wykonawcze Układy pomiarowe

6 Powiązanie struktury mechanicznej przez strumienie materiału, energii i informacji (Gawrysiak 2003)

7 Uniwersalny schemat urządzenia mechatronicznego (Gawrysiak 1997)

8 Wielopoziomowa architektura sterowania (Gawrysiak 1997, Bishop 2008)

9 Płaszczyzny przetwarzania informacji w systemach mechanicznych (Gawrysiak 1997)

10 Wielopoziomowa architektura sterowania - komunikacja (Gawrysiak 1997, Bishop 2008)

11 Typowa topologia sieci w samochodach wyższej klasy (Bosch 2008)

12 Siłownik liniowy LA34C2xN6x1,0 (Kowalski, Oleksiuk, Czerwiec, Wierciak 2004) Uszczelniacz Stojan silnika Tuleja podpierająca Wirnik silnika Łożysko specjalne Wpust Tuleja specjalna Gwintowana część popychacza Gładka część popychacza Mikrowyłącznik Łożysko kulkowe Układ antyzakleszczeniowy Obudowa Wałek drążony Nakrętka

13 Katalogowe charakterystyki siłownika liniowego (HSI 2003)

14 Obszar pracy rozruchowej siłownika skokowego (Wierciak 2016) F f częstotliwość taktowania silnika skokowego f g graniczna częstotliwość silnika F siła obciążająca siłownik Prędkość v popychacza v s P f 2 P skok gwintu s skok silnika napędowego f g f (v)

15 Obszar pracy rozruchowej siłownika skokowego (Wierciak 2016) F F max f częstotliwość taktowania silnika skokowego f g graniczna częstotliwość silnika F siła obciążająca siłownik Prędkość v popychacza v s P f 2 P skok gwintu s skok silnika napędowego f g f (v)

16 Obszar pracy rozruchowej siłownika skokowego (Wierciak 2016) F F max f częstotliwość taktowania silnika skokowego f g graniczna częstotliwość silnika F siła obciążająca siłownik Prędkość v popychacza v s P f 2 P skok gwintu s skok silnika napędowego f gm f g f (v)

17 Obszar pracy rozruchowej siłownika skokowego (Wierciak 2016) F F max f częstotliwość taktowania silnika skokowego f g graniczna częstotliwość silnika F siła obciążająca siłownik Prędkość v popychacza v s P f 2 P skok gwintu s skok silnika napędowego F real f gm f g f (v)

18 Obszar pracy rozruchowej siłownika skokowego (Wierciak 2016) F F max f częstotliwość taktowania silnika skokowego f g graniczna częstotliwość silnika F siła obciążająca siłownik Prędkość v popychacza v s P f 2 P skok gwintu s skok silnika napędowego F real f gm f g f (v)

19 Obszar pracy rozruchowej siłownika skokowego (Wierciak 2016) F F max f częstotliwość taktowania silnika skokowego f g graniczna częstotliwość silnika F siła obciążająca siłownik Prędkość v popychacza v s P f 2 P skok gwintu s skok silnika napędowego F real f gm f gr f g f (v)

20 Nowa koncepcja sterowania (sterowanie adaptacyjne) F (Wierciak 2003) 1. Pomiar chwilowej wartości siły obciążenia F F i F F i-1 2. Wyznaczenie granicznej częstotliwości taktowania f g dla siły F F i f F f g(i) f 3. Zmiana częstotliwości taktowania na poziom dopuszczalny f max z założonym przyspieszeniem a f F i F i-1 f max(i) f g(i) f g(i-1) f

21 Schemat blokowy zmodyfikowanego siłownika (Wierciak 2003) f Algorytm obliczania częstotliwości taktowania Tor sterowania siłownika Tor pomiaru siły Stojan silnika M Wirnik (nakrętka) Popychacz (śruba) F Napędzany obiekt F zmierzona siła obciążająca f częstotliwość taktowania M moment silnika

22 Prawidłowe odpowiedzi siłownika (Wierciak 2005) *x-4.64*10^-6*x^2 Prędkość popychacza Siła obciążenia

23 Adaptacja (Gausemeier 2008) Dostosowanie parametrów sterowania do przejściowych stanów systemu

24 Wielopoziomowa architektura sterowania - poziomy automatyzacji (Gawrysiak 1997, Bishop 2008)

25 Wielopoziomowa architektura sterowania - system podejmujący decyzje (Gawrysiak 1997, Bishop 2008)

26 Samo optymalizacja

27 Ewolucja strategii sterowania (Gausemeier 2008) Samo optymalizacja Dostosowanie celów w oparciu o doświadczenie/badanie prowadzi do adaptacji systemu poprzez zmianę jego parametrów lub struktury Sterowanie adaptacyjne Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym Dostosowanie parametrów sterowania do przejściowych stanów systemu

28 Czy siłownik może stać się systemem samo optymalizującym? (Wierciak 2010) Stojan silnika Wirnik silnika B Łożysko toczne specjalne F Układ zabezpieczający popychacz przed obrotem A C Gwintowana część popychacza Popychacz Łożysko toczne zwykłe D Nakrętka robocza Osłona śruby Wałek drążony Siłownik z mechanizmem śrubowym niesamohamownym

29 Samooptymalizacja (Gausmeier 2008) Systemy samo optymalizujące to takie systemy, które samodzielnie zmieniają swoje cele w odpowiedzi na zmieniające się warunki zewnętrzne. Zmiana celów pociąga za sobą samoczynną adaptację parametrów i/lub struktury systemu, a w konsekwencji prowadzi do dostosowania zachowania się systemu do nowych warunków zewnętrznych. Samo optymalizacja wykracza poza sterowanie adaptacyjne. Adaptacja sterowania polega na optymalizacji parametrów sterowania po kątem ustalonego celu, podczas gdy systemy samo optymalizujące mogą dodatkowo zmieniać swoje cele, dzięki czemu potrafią reagować bardziej elastycznie na zmieniające się warunki pracy.

30 Proces samooptymalizacji (Gausmeier 2008) 1. Analiza bieżącej sytuacji 2. Określenie celów systemu 3. Adaptacja zachowania systemu

31 Klasyfikacja adaptacji zachowania w systemach samo optymalizujących (Gausmeier 2008) Adaptacja zachowania Zmiana konfiguracji i zależności między elementami systemu Dostosowanie parametrów Dostosowanie struktury Adaptacja parametrów systemu Adaptacja komponentowa Dodanie lub usunięcie elementów struktury Rekonfiguracja Zmiana powiązań między ustalonymi elementami struktury

32 Adaptacja zachowania (Gausmeier 2008) Dostosowanie parametrów zmiana parametrów systemu np. parametrów regulatora. Dostosowanie struktury zmiana układu lub zależności między elementami systemu: rekonfiguracja zmiana zależności między ustaloną liczbą elementów. adaptacja komponentowa dołączenie nowych elementów do istniejącej struktury lub usunięcie elementów ze struktury.

33 Self optimizing mechatronic systems Design the Future - zbiór artykułów (Gausemeier, Rammig, Shäfer 2008)

34 System transportu kolejowego Neue Bahntechnik Paderborn/RailCab (Gausemeier 2008)

35 Model V projektowania urządzeń (VDI 2004) System Układy funkcjonalne Elementy Projektowanie w dziedzinach: mechanika, elektronika, oprogramowanie

36 Koncepcyjne projektowanie systemów samo optymalizujących (Gausemeier 2008) planowanie i określanie zadania projektowego projektowanie koncepcyjne na poziomie systemu projektowanie koncepcyjne na poziomie modułu integracja koncepcji

37 Etapy projektowania koncepcyjnego Struktury systemów (Gausemeier 2008) Projektowanie koncepcyjne dekompozycja Moduł n Moduł 2 Moduł 1 Planowanie i analiza zadania projektowego Projektowanie koncepcyjne na poziomie systemu Lista wymagań Scenariusze zachowań Projektowanie koncepcyjne na poziomie modułu Koncepcja budowy na poziomie systemu Integracja koncepcji Koncepcja budowy na poziomie modułu Kompletna koncepcja budowy

38 Modele cząstkowe służące do opisu systemów samo optymalizujących (Gausemeier 2010) Wymagania Scenariusze aplikacji Funkcje Środowisko System spójnych modeli cząstkowych Zachowanie System celów Aktywna struktura Kształt

39 Projektowanie systemu samo-optymalizującego na przykładzie robota ortotycznego

40 Urządzenie wspomagające poruszanie się osób z bezwładem nóg (ECO-V 2009) Sprawna górna część ciała Urządzenie Mocowane do tułowia Bezwładne mięśnie kończyn dolnych Zdrowy układ kostny kończyn dolnych Programowo napędzane kończyny dolne Użytkownik Obciążenia przenoszone przez układ kostny

41 Roboty ortotyczne (Argo Medical Technologies Ltd., Berkeley 2011) ReWalk elegs

42 Struktura funkcjonalna robota ortotycznego (Wierciak 2013) Zestaw sytuacji Ukłąd porównujący Kod sytuacji Jednostka decyzyjna System bezpieczeństwa Sygnały z systemu i z otoczenia Panel użytkownika Układy pomiarowe Żądanie ruchu Aprobat a Układy wykonawcze systemu bezpieczeństwa Profile ruchu: standardowe i awaryjne System realizacji ruchów Sygnały nastawcze Sterownik ruchów Układy wykonawcze systemu ruchowego Układy pomiarowe ruchów Sygnały diagnostyczne

43 Modele cząstkowe przykład systemu autonomicznych pojazdów szynowych (Gausemeier 2010) Wymagania Scenariusze aplikacji Funkcje Środowisko System spójnych modeli cząstkowych Zachowanie System celów Aktywna struktura Forma przemysłowa

44 Główna funkcja robota - profile ruchu (Syczewska, Bagiński, Wierciak 2011) Funkcje

45 Cele systemu samo optymalizującego (Gausemeier 2008) Cele zewnętrzne pochodzą od użytkownika lub innego systemu. Cele właściwe wynikają w sposób naturalny z przeznaczenia systemu i zapewniają spełnienie jego funkcji, są określane w trakcie projektowania. Cele wewnętrzne te, którym jest aktualnie podporządkowane sterowanie systemu mechatronicznego (podlega im bieżąca optymalizacja). Powstają one przez wybór i dostosowanie celów zewnętrznych lub właściwych lub też przez tworzenie nowych celów.

46 Hierarchia zewnętrznych i właściwych celów robota ortotycznego (Wierciak 2013) System celów zewnętrznych System celów właściwych System celów Bezpieczeństwo Wygoda Koszty eksploatacji Bezpieczeństwo użytkownika Dokładne odwzorowanie ruchów Małe zużycie energii

47 Schody jako element środowiska (Roys 2001) Środowisko

48 Środowisko techniczne - nowa infrastruktura (Getko, Sikorski 2010) Środowisko

49 Schemat funkcjonalny robota (jedna noga) (Wierciak 2001) Aktywna struktura

50 Możliwe zdarzenie - upadek, jako wynik zaniku zasilania (Wierciak 2012) Scenariusze aplikacji

51 Dwa warianty konstrukcyjne układu wykonawczego ruchu kolana (Strojnowski 2012, Credo 2012) Aktywna struktura

52 Struktura wewnętrznych celów robota ortotycznego (Wierciak 2013) System celów

53 Techniczny model robota (ECO 2013) Układy wykonawcze Forma przemysłowa Wygląd

54 Model zachowania systemu (Gausemeier 2008) Stanowi zbiór modeli cząstkowych opisujących w różnych aspektach zachowanie się systemu. To, co w każdym samo optymalizującym systemie powinno być zamodelowane, to stany systemu wraz z procesami, które w danym stanie zachodzą oraz przejścia między stanami wraz z procesami adaptacyjnymi towarzyszącymi danemu przejściu. Procesy adaptacyjne stanowią realizację procesu samo optymalizacji. Jeżeli w procesie samo optymalizacji uczestniczy kilka systemów, to wzajemne oddziaływania między nimi muszą być zamodelowane.

55 Model zachowania systemu - elementy składowe (Gausemeier 2008) Model zachowania stany określa stany, w jakich system może się znajdować, przejścia między tymi stanami oraz zdarzenia, które te przejścia wywołują. Reprezentowany jest poprzez graf stanów i przejść. Model zachowania działania opisuje procesy operacyjne, który prowadzi system w poszczególnych stanach oraz procesy adaptacyjne związane z przejściami między stanami. Procesy te składają się z elementarnych działań takich jak np. określenie stopnia spełnienia bieżących celów. Model zachowania sekwencja reprezentuje interakcję między systemami biorącymi udział w procesie samo optymalizacji. Działania podejmowane przez systemy podczas interakcji oraz informacje wymieniane między nimi są modelowane porządku chronologicznym.

56 Modele cząstkowe służące do opisania robota ortotycznego (Gausemeier 2010) Wymagania nia Scenariusze aplikacji Funkcje Funkcje Środowisko SYSTEM SPÓJNYCH MODELI CZĄSTKOWYCH Zachowanie nie System celów Aktywna Aktywna struktura struktura Kształt Forma przemysłowa

57 Współdziałanie modeli cząstkowych - proces samo-optymalizacji (Gausemeier 2008) Zachowanie stany Zachowanie działania Aktywna struktura element systemu działanie stan zdarzenie grupa logiczna powiązanie wyznaczony do alternatywa analiza bieżącej sytuacji określanie celów systemu adaptacja zachowania systemu

58 Nowe źródła (Springer 2014)

59 Systemy samo optymalizujące -wykaz źródeł (Wierciak 2015) Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Politechnika Białostocka. Rozprawy Naukowe Nr 44. Białystok 1997 Gausemeier, J., Donoth, J. and Pook, S., "Conceptual Design of Self-Optimizing Mechatronic Systems," Self-optimizing Mechatronic Systems. Design the Future, HNI-Verlagsschriftenreihe 223, (2008) Gausemeier, J., Kahl, S. and Pook, S., "From Mechatronics to Self-Optimizing Systems," Self-optimizing Mechatronic Systems. Design the Future, HNI- Verlagsschriftenreihe 223, 3-32 (2008) Dependability of Self Optimizing Mechatronic Systems. Eds.: Gausemeier J., Rammig F. J., Shaeffer W., Sextro W.

60 Hierarchiczna struktura systemu mechatronicznego

61 Hierarchiczna struktura systemu mechatronicznego (Gawrysiak 2003)

62 Hierarchiczna struktura systemów (Lückel 2001)

63 Struktury systemów Projekty miejskiego transportu napowietrznego (Grabarek, Choromański 2008)

64 Struktury systemów Zjednoczone Emiraty Arabskie Masdar, Norman Foster (Grabarek, Choromański 2008)

65 ULTRA Wielka Brytania (Grabarek, Choromański 2008)

66 Indywidualny transport naziemny Grabarek, Choromański 2008) Szwajcaria Szwecja

67 Projekt pojazdu (Grabarek, Choromański 2008) a) b) b) a) a) Politechnika Warszawska, b) firma Fama

68 Koncepcja sieci dróg (Grabarek, Choromański 2008)

69 4 1 Projekt układu jezdnego - patent (Madej, Choromański 2006)

70 Ośrodek badawczy w Ząbkach (Grabarek, Choromański 2008)

71 Struktury systemów Lokalizacja ośrodka badawczego (Grabarek, Choromański 2008)

72 Analiza struktury systemu PRT (Grabarek, Choromański, Wierciak 2008) Informatyczny system zarządzania Inteligentne pojazdy Systemy stacyjne Struktura toru Infrastruktura

73 Baza wiedzy Poziomy automatyzacji Mechanizm wnioskowania Komunikacja Kanały komunikacyjne Decyzje dla diagnostyki zakłóceń Komunikacja zewnętrzna Decyzje dla sterowania Komunikacja wewnętrzna Cechy optymalne/normalne Nadzór Projekt regulatora Adaptacja Ocena parametrów i stanu Sterowanie, regulowanie u Układ wykonawczy Proces Układ pomiarowy y