Struktury systemów mechatronicznych - 1

Transkrypt

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

2 Mechatronika (Gawrysiak 1997) Mechatronika - synergiczna integracja inżynierii mechanicznej z elektroniką i inteligentnym sterowaniem komputerowym w projektowaniu i wytwarzaniu produktów i procesów

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 Mechatronizacja

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

6 Ładowarka (Gawrysiak 1997) a) ruch w układzie biegunowym, b) ruch w układzie kartezjańskim

7 Mechatroniczne sterowanie ruchem ładowarki (Gawrysiak 1997)

8 Uzyskany efekt (Gawrysiak 1997) a) rozwiązanie klasyczne, b) rozwiązanie mechatroniczne

9 System do wyznaczania charakterystyk mikrosilników elektrycznych (Wierciak 1990)

10 Charakterystyka elektromagnetycznego hamulca proszkowego hc 2.1 (Wierciak 1995)

11 Aproksymacja charakterystyki hamulca (Wierciak 1995)

12 Przykład mechatronizacji pułapka na myszy (Gawrysiak 1997)

13 Pułapki do łapania myszy (Gawrysiak 1997) b) Pułapka mechatroniczna a) Pułapka mechaniczna

14 Klasyczny układ hamulcowy z tarczowym hamulcem hydraulicznym (Gawrysiak 2003)

15 Hydrauliczny hamulec tarczowy z układem ABS (Gawrysiak 2003)

16 Hamulec elektromechaniczny z układem ABS (Gawrysiak 2003)

17 Hamulec z zapobieganiem blokowaniu i automatycznym hamowaniem (Gawrysiak 2003)

18 Struktura mechatronicznego hamulca elektromechanicznego (Gawrysiak 2003)

19 Struktury systemów Struktura systemu działaniowego hamulca hydraulicznego z ABS (Gawrysiak 2003)

20 Cechy systemów technicznych (Gawrysiak 1997)

21 Systemy mechatroniczne - publikacje z Politechniki Białostockiej (Gawrysiak 1997, 2003)

22 Podsystemy systemu mechatronicznego

23 Mechatronika jako synergiczne połączenie różnych dyscyplin (Isermann 2005) Elektronika Informatyka Mechatronika Mechanika i elektromechanika

24 Podsystemy urządzenia mechatronicznego (Wierciak 1996)

25 Urządzenia i systemy mechatroniczne - zautomatyzowane stanowisko badawcze (Wierciak, Rawski, Szykiedans, Lisicki 2005)

26 Podsystemy urządzenia mechatronicznego (Wierciak 2007)

27 Mechatroniczny system rzeczowy (Gawrysiak 2003)

28 Struktura mechatronicznego systemu działaniowego (Gawrysiak 2003)

29 Funkcjonalna struktura systemu mechatronicznego

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

31 Mechatronika jako problem syntezy (Heimann, Gerth, Popp 2001) układy wykonawcze układy pomiarowe

32 Procesy mechaniczne i przetwarzanie informacji w systemie mechatronicznym (Bishop 2008)

33 Pomiar odległości i prędkości za pomocą radaru (Bishop 2008)

34 Struktury układów wykonawczych układ otwarty (Isermann 2005)

35 Struktury układów wykonawczych układ ze sprzężeniem zwrotnym (Isermann 2005)

36 Sensoryka - system pomiarowy (Gawrysiak 1997)

37 Stopnie integracji sensorów (Heimann, Gerth, Popp 2001)

38 Łańcuch działania z siłownikiem (Heimann, Gerth, Popp 2001)

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

40 Uniwersalny schemat urządzenia mechatronicznego (Gawrysiak 1997)

41 Podstawowy schemat mechatronizacji (Gawrysiak 1997) Układy pomiarowe Układy wykonawcze

42 Podstawowe typy urządzeń bez komunikacji (Gawrysiak 1997)

43 Podstawowe typy urządzeń z komunikacją (Gawrysiak 1997)

44 Architektury systemów

45 Architektury systemów (Gawrysiak 1997)

46 Wielopoziomowa architektura sterowania (Gawrysiak 1997, Bishop 2008)

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

48 Płaszczyzny przetwarzania informacji w systemach mechanicznych (Gawrysiak 1997)

49 Zadania poszczególnych płaszczyzn działania (Gawrysiak 1997) Płaszczyzna 1: (regulacji, sterowania) sterowanie, regulacja, sprzężenie zwrotne w celu stabilizowania lub tłumienia; Płaszczyzna 2: (nadzoru) nadzór z meldowaniem alarmu (kontrola wartości granicznej), z automatyczną ochroną, z diagnozą uszkodzenia, z przedsięwzięciami redundancyjnymi (nadmiarowymi); Płaszczyzna 3: (zarządzania) optymalizacja (sprawność, zużycie, hałas, emisje), koordynacja podsystemów, ogólne zarządzanie procesem (dopasowanie do otoczenia, planowanie, zlecenia).

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

51 Systemy transmisji danych w pojeździe średniej klasy z pełnym wyposażeniem (Zimmermann, Shmidgall 2008)

52 Typowa topologia sieci w samochodach kompaktowych nowej generacji (Bosch 2008)

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

54 Sterowanie napinaczy pasów i poduszek powietrznych (Bosch 2000)

55 Prawdopodobny rozwój sieci wymiany danych w pojazdach klasy wyższej (Bosch 2008) AMP wzmacniacz akustyczny, ARS aktywny stabilizator przechyłów, BCM - sterownik wyposażenia nadwozia, BM zarządzanie energią akumulatora, CDC ciągła regulacja tłumienia amortyzatorów, CGW brama główna, DAB - cyfrowe radio, DLC - regulacja blokady mechanizmów różnicowych, EPB elektryczny (elektromechaniczny) hamulec postojowy, EPM sterownik zarządzania mocą, EPS elektryczne wspomaganie układu kierowniczego, ESP elektroniczna stabilizacja toru jazdy, ETC elektroniczne sterowanie skrzynką biegów, LRR radar dalekiego zasięgu, LVDS niskonapięciowa sygnalizacja różnicowa, PSI interfejs czujników zewnętrznych, PSM sterownik bezpieczeństwa biernego, SDARS satelitarne radio cyfrowe, S/G rozrusznikalternator, SRR radar bliskiego zasięgu, THU centrala systemów telematyki, TV telewizja pokładowa, VDU kontroler dynamiki pojazdu, Body&Comfort Electronics elektronika wyposażenia nadwozia i komfortu jazdy, Infotainment&Cockpit Electronics elektronika informacyjno-multimedialna, Vehicle Motion Electronics elektronika ruchu pojazdu, Passive Safety Electronics elektronika bezpieczeństwa biernego, Power Train Electronics elektronika układu napędowego.

56 Zastosowanie magistrali FlexRay do kompleksowej regulacji dynamiki jazdy (Bosch 2008)

57 Samo optymalizacja

58 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

59 Katalogowe charakterystyki siłownika liniowego (HSI 2003)

60 Zależności w mechanizmie zamiany ruchu (Oleksiuk 1996) Prędkość popychacza v P s f 2 Elementarne przemieszczenie popychacza x P s 2 v prędkość popychacza P podziałka gwintu s skok silnika napędowego f częstotliwość impulsów taktujących Δx elementarne przemieszczenie popychacza

61 Typowy profil prędkości przy pozycjonowaniu (Wierciak 2000) Prędkość v Praca z ustaloną prędkością Przyspieszanie Hamowanie Czas t

62 Obszary pracy siłownika skokowego (Wierciak 2003) F 1 praca rozruchowa, 2 praca przyspieszona; graniczne charakterystyki: A rozruchu, B pracy; f częstotliwość taktowania, F siła obciążenia F 2 1 A 2 F 1 B f r f g f g f

63 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

64 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

65 Usytuowanie czujników siły w siłowniku (Wierciak 2003) 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

66 Symulacyjny model siłownika (Wierciak 2004) 0.22 ro' om_sign * 50 Tl Friction in gear atan(u) lambda * Slope 1/u 1/D +.2 Dm * Friction + Sum of angles * F*Dśr/2 -K- 1/2 * tan(u) tangens 8 D of screw 1.25 Pitch 1000 Temax 0.06 Jm 0.01 Viscous Jl damping * Load torque -1 - Dev + J Torque * Te sin(u) sin delta p 50 1/u 1/J * 1/s epsmomegam + - delta/p 1e-3 cor * gamma u(t) 1/s gammam Position Error Error Teta -K- 1/2pi (1+ft)1 * Linear disp. Gear backlash ft * Expected linear -K- 1/2pi1 Linear disp Frequency 1/s Integrator Limiter + - fcalc + - fcalc1 f(u) 100 Margin 20 Margin1 Characteristic Force_ 1*u Force du/dt df/dt 0.01 Tau + - Sum Step Input

67 Kąt niezgodności δ [rad] Przemieszczenie popychacza x [mm] Siła obciążenia F [N] Częstotliwość taktowania f [Hz] Struktury systemów Odpowiedzi siłownika na liniowe narastanie siły (Wierciak 2004) F F t λ F - szybkość narastania siły [N/s] Czas t [s] Czas t [s] Czas t [s] Czas t [s]

68 Kąt niezgodności δ [rad] Przemieszczenie popychacza x [mm] Siła obciążenia F [N] Częstotliwość taktowania f [Hz] Struktury systemów Odpowiedzi siłownika na skokowy wzrost siły (Wierciak 2004) F t F F 1 u s t s F u stała wartość siły obciążenia [N], F s skok siły [N], t s chwila wystąpienia skoku siły [s] Czas t [s] Czas t [s] Czas t [s] Czas t [s]

69 Stanowisko badawcze (Wierciak, Rawski, Szykiedans, Lisicki 2005)

70 Stanowisko badawcze (Wierciak, Rawski, Szykiedans, Lisicki 2005)

71 Częstotliwość fg [Hz] Struktury systemów Zależność granicznej częstotliwości rozruchu siłownika LA34C2xN6x1,0 od siły obciążenia (Wierciak 2004) 1200 Graniczna częstotliw ość rozruchow a fg [Hz] - 2 seria Siła obciążenia F [N]

72 Częstotliw ości taktow ania: fg, f [Hz] Struktury systemów Propozycja ograniczenia obszaru pracy siłownika (Wierciak 2005) Ograniczenie obszaru pracy siłow nika Częstotliw ość taktow ania f Siła obciążenia F [N] Charakterystyka graniczna F siła obciążająca [N] f ,084 F - 0, F 2 f częstotliwość taktowania [Hz]

73 Kształt sygnału pobudzającego Struktury systemów (Wierciak 2005) Siła F [N] Tp 1 s ΔF Tp Czas t [s] Tt F 100 N

74 Odpowiedzi siłownika (Wierciak 2005) Prędkość popychacza Siła obciążenia

75 Częstotliwości taktowania: fg, f [Hz] Struktury systemów Górne ograniczenie siły (Wierciak 2005) Częstotliw ość taktow ania Ograniczenie obszaru pracy siłownika przez ustalenie maksymalnej siły Siła obciążenia F [N] Charakterystyka graniczna Górne ograniczenie siły F max 700 N

76 Odpowiedzi siłownika (Wierciak 2005) Prędkość popychacza Siła obciążenia

77 Częstotliwości taktowania: fg, f [Hz] Struktury systemów Obniżenie charakterystyki częstotliwości taktowania (Wierciak 2005) Ograniczenie obszaru pracy siłow nika przez obniżenie charakterystyki Charakterystyka graniczna Górne ograniczenie siły Częstotliw ość taktow ania Siła obciążenia F [N] F siła obciążająca [N] f ,084 F - 0, F 2 f częstotliwość taktowania [Hz]

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