MODELOWANIE I SYMULACJA W MECHATRONICE. dr inż. Michał MICHNA

Transkrypt

1 MODELOWANIE I SYMULACJA W MECHATRONICE dr inż. Michał MICHNA

2 Wykład 1+7x2h Podstawowe zagadnienia i definicje Modelowanie elementów systemów mechatronicznych metodą Lagrange a Język modelowania fizycznego Modelika Język opisu sprzętu VHDL/MAST

3 Projekt Zastosowanie dostępnych pakietów symulacyjnych do modelowania i symulacji wybranych układów mechatronicznych napęd wycieraczek, napęd elektryczny pompy cieczy chłodzącej silnik spalinowy, modelowanie przepływu energii na przykładzie napędu pojazdu hybrydowego

4 Modelowanie i symulacja w mechatronice Przykłady systemów EM

5 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

6 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)

7 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

8 System energetyczny samolotu All Electrical Aircraft Energia Elektryczna [kw lub kva] DC Network More Electrical Aircraft AC & DC Network

9 System energetyczny samolotu 9 dr inż. Michał Michna Gdańsk 2009

10 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 115VAC230kVA Energia mechaniczna silnik pomp paliwowych silnik pomp olejowych rozrusznik kW 10 dr inż. Michał Michna Gdańsk 2009

11 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

12 System energetyczny samolotu

13 System energetyczny samolotu

14 Samolot konwencjonalny A330 Baterie Dystrybucja: 28VDC AC/DC Konwersja Dystrybucja AC 115VAC Główne źródła energii AC dr inż. Michał Michna 14 Gdańsk 2009

15 Modelowanie i symulacja systemów EM Podstawowe zagadnienia i definicje

16 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)

17 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)

18 GENEZA MECHATRONIKI Mechanika i budowa maszyn Sterowanie Mechanika i budowa maszyn Systemy mechatroniki Elektrodynamika techniczna Mechatronika Informatyka i sterowanie Energoelektronika silniki elektryczne Informatyka Energoelektronika silniki elektryczne Materiały Formalny, mechaniczny (Yamazaki) Wszechstronny, elektromagnetyczny (J. Turowski) Sposoby definiowania mechatroniki

19 GENEZA MECHATRONIKI

20 GENEZA MECHATRONIKI Nadrzędność rynku i zarządzania innowacjami: W latach 1980-tych jakość i doskonałość produkcyjna były kluczem do konkurencyjności, podczas gdy przy wkraczaniu do wieku XXI najważniejszą rzeczą jest interdyscyplinarna umiejętność rozwoju nowych wyrobów...

21 MECHATRONIKA TECHNOLOGIA MECHATRONIKI Rok 2000 a) b) 1. Maszyny na miarę" 2. Tańsze Know-How 3. Tajemnice firmy WNIOSKI WYTWARZANIE RZECZY Kryterium: RYNEK KONKURENCYJNOŚĆ INNOWACYJNOŚĆ 1950 Sprzedaż $ Sprzedaż mln szt Rys. 2. Wpływ mechatroniki na: a) Czas do rynku "Time to Market" b) Sprzedaż małych maszyn katalogowych w W. Brytanii (W.S. Wood ) SZYBKIE PROJEKTOWANIE RAPID DESIGN Mechatronika jest synergiczną techniką projektowania i wytwarzania maszyn zdolnych do inteligentnych zachowań, o nierozłącznym, powiązaniu mechaniki, elektroniki, informatyki, elektrodynamiki technicznej, myślenia systemowego i ekonomii

22 GENEZA MECHATRONIKI Mechatronika jest synergiczną techniką projektowania i wytwarzania maszyn zdolnych do inteligentnych zachowań, o nierozłącznym, powiązaniu mechaniki, elektroniki, informatyki, elektrodynamiki technicznej, myślenia systemowego i ekonomii

23 MASZYNA ELEKTRYCZNA GŁÓWNY AKTOR MECHATRONIKI Wpływ wdrożenia mechatroniki na spadek sprzedaży mikromaszyn katalogowych w W. Brytanii: 1- Liczba szt/rok, 2- Roczna wartość produkcji, 3-średni koszt silnika /szt. (W.S.. Wood, Łódź, 1990)

24 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

25 TECHNOLOGIA 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

26 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

27 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

28 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 itd, 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 [4]. Cała klasa tego typu maszyn może być ujęta jednym hasłem: MASZYNY INTELIGENTNE

29 Systemy EM Definicje

30 Pojęcia i nazwy stosowane w modelowaniu i symulacji system 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

31 Pojęcia i nazwy stosowane w modelowaniu i symulacji symulacja eksperyment przeprowadzony na modelu, modelowanie akt tworzenia modelu symulator program komputerowy do przeprowadzania symulacji