osnovne karakteristike projektovanja savremenih ... zivkovic, jasmina... · integralnom razvoju...

Informacione tehnologije, obrazovanje i preduzetništvo ITOP17

405

UDK: 004.42 Stručni rad

OSNOVNE KARAKTERISTIKE PROJEKTOVANJA SAVREMENIH MEHATRONIČKIH SISTEMA

BASIC CHARACTERISTICS OF DESIGNING MODERN

MECHATRONIC SYSTEMS

Milutin Živković1, Jasmina Miljojković2,Zvonko Petrović1, Marina Karić1

1Visoka tehnička mašinska škola strukovnih studija u Trsteniku 2Fakultet inženjerskih nauka u Kragujevcu

[email protected],[email protected], [email protected] 2jasmina.miljojković@mfkg.rs

Rezime:Mehatroničko projektovanje je proces simultanog rešavnja različitih radnih

zadataka. Kod klasičnog pristupa projektovanju (konstruisanje i upravljanje) uređaja

(mašine/sistema), isto se razvija fazno i gotovo nezavisno jedna od druge. Zato se

mehatroničkim pristupom moguće greške, u početnoj fazi, mogu eliminisati fazno.

Ovakav način razmišljanja podrazumeva iterativni postupak analize,gde se prvo napravi

inicijalni dizajn a on se onda razvija ispravljanjem uočenih nedostataka. Da bi se dizajn

poboljšao treba razvijati sve delove mašine tako da rade “skladno”, što postižemo sa

paralelnim razvojem. Iz tih razloga autori predstavljaju „V“ model razvoja korišćenjem

hijerahiskog modela. Analizom njegovih osobina i prednosti blok dijagramom je

predstavljen model kontrole sa mogućnošću podešavanja izlaznih parametara.

Ključne reči:mehatronika, projektovanje, dizajn, iterativni postupak, kontrola.

Abstract: Mechatronic design is the process of simultaneous addressing different

operating tasks. In the traditional approach to designing a device (machine/system),

construction and control are developed in phases and almost independent in respect to

each other. Thus, the possible errors in the initial phase can be eliminated in phases by

means of the mechatronic approach. This type of understanding includes iterative

procedure of analysis where initial design is made first and then it develops by correcting defects identified. To upgrade the design, it is necessary to develop all parts of the machine so that they work ’’in harmony’’, which is achieved by parallel development. Therefore, the author’s introduces V model of development by means of the hierarchical model. After analyzing its properties and advantages, the model of control with the possibility to adjust output parameters is presented in a block diagram. Key words: mechatronics, design, iterative procedure, control. 1. UVOD U radu je objašnjen postupak projektovanja mehatroničkih sistema kao i koje prednosti se ogledaju ovakvim pristupom. Međutim, realizacija ovakvih sistema zahteva i neke


406

preduslove.To je dobro poznavanje fundamentalnih nauka: mehanike i matematike ali i mašinskih materijala, mašinskih elemenata, otpornosti materijala, tehničkog crtanja, elektrotehnike, proizvodnih tehnologija, menadžmenta i upravljanja procesima. Sva ovo, ustvari, su predmeti koji se uče na svim Mašinskim fakultetima i Visokim tehničkim školama. Mehatronika predstavlja spoj mašinstva i elektrotehnike, podržana od strane informacionih tehnologija, [1,2,3]. Njihovom kombinacijom literaturni podaci, vlastito iskustvo i primeri iz prakse, pokazuju da je moguća realizaciju bilo kakvog tehničkog problema (zadatka). U radu se navode osnovne definicije mehatroničkog pristupa integralnom razvoju mašina (proizvoda) ili usluga kao i preporuke za izbor načina kontrole i upravljanja kontrolnim parametrima. Za projektovanje i upravljanja savremenim mehatronskim sistemima, vlastito iskustvo i literaturni podaci pokazuju, potrebna su multidisciplinarna znanja i veštine.Projektant korišćenjem gotovih softverskih alata, za modeliranje komponenatai njihove integracije u sistema, modelira i simulira njegov rad, vrši testiranje i verifikacija postavljenog modela. U radu se analizira savremeni način projektovanja korišćenjem „V“ – modela. Modelom R. Isermanna [4] prikazan je razvoj savremenih metoda projektovanja šematski, kroz određeni broj koraka. On podrazumeva primenu metoda modeliranje i simulaciju komponenti sistema, izradu virtuelnih prototipova sistema, njihovo testiranje i podešavanje parametara sistema, analizu signala, kreiranje algoritama, programiranje i testiranje pouzdanosti sistema.Za teorijsko i fizičko modeliranje, i simulaciju raznih heterogenih komponeti mogu se koristiti softverski alati: DYMOLA, MODELICA, MOBILE, VHDL-AMS, MATLAB/SIMULINK, itd.

2. KARAKTERISTIKE SAVREMENIH MEHATRONIČKIH SISTEMA

Mehatronika je metodologija koja se koristi za optimalni dizajn elektromehaničkih proizvoda. Mehatronika, kao termin, koristi za označavanje što bržeg razvoja, interdisciplinarnog polja inženjeringa a koji se bavi dizajnom proizvoda čije funkcije se oslanjaju na sinergijsku integraciju mehaničkih,električkih i elektronskih komponenti. Jednom rečju mehatronika implicira sinergijsku integraciju mehaničkih i mogućnost korišćrnje električkih principa u konjukciji sa računarskom tehnologijom za inteligentno upravljanje mašinama, procesima i/ili mehanizmima. To ustvari znači da je mehatronika proces ugradnje inteligencije u fizičke sisteme. Šta ona predstavlja, koje pogodnosti nudi pokazuju sl.1, a njen istorijski razvoj može se predstaviti u par rečenica, [1,2,3]:


407

Slika 1.Šta je mehatrnički sistem i šta on prestavlja?

· U početku ona je zamišljena kao sredstvo koje dopunjuje mehaničke komponente

elektroničnim u preciznoj mehanici(kamera je bila tipičan mehatronički uređaj).

· U Europi su se mehatronički koncepti značajno počeli primenjivati kasnih 80-tih

prošlog veka.

· U Americi su bili pomalo rezervirani prema ovom terminu, pa se umesto

mehatronika koristio izraz sistemski inženjering.

Danas je postignut konsenzus oko toga šta je mehatronika i šta ona u suštini znači! Pod

terminom mehatronika podrazumeva se poboljšanje funkcionalnosti tehničkih proizvoda

i sistema spajanjem svih komponenti u jednu celinu. Razliku klasičnog i mehatroničkog

pristupa upravljanju tehničkim sistemima pokazujusl. 2 i 3, [2].

Slika 2.Blokovski prokaz sistema bez i sa povratnom vezom

Mehatronički sistemi uključuju percepciju, kognitivne procese i zaključivanje (sl. 3), a

značaj i veza njegovih pojedinih elemenata pokazni su na sl. 4[3].Jasno je da nam ona

pokazuje razliku između mehatroničkog i tradicionalnog načina upravljanja i kontrole

radnih (funkcionalnih) parametara tehničkih sistema ili bilo kog drugog sistema..

Slika 3. Način rada mehatroničkog sistema (tok signala)

Slika4. Arhitektura mehatroničkog sistema


408

Proces hijerarhiskog načina ponašanja i analize stanja bilo kog tehničkog sistema

pokazan je u obliku šest blokovskih celina, što pokazuje sl.5, [1,2,3].

Slika 5. Procesna analiza ponašanja/dijagnostike stanja tehničkog sistema

Osobine mehatroničkih sistema i proizvoda: · Funkcionalno među delovanje između mehaničkih, elektroničkih i informatičkih

tehnologija.

· Prostorno povezivanje podsistema u funkcionalnu celinu; njihova inteligencija

povezana je sa upravljačkom funkcijom mehatroničkog sistema.

· Prilagodljivost, pogodnost uz koju je moguće mehatroničke proizvode prilagoditi

promenljivim zadacima i situacijama.

· Višefunkcionalnost koja se odnosi na funkcije mikroprocesora određene

ugrađenim kompjuterskim programom.

· Nevidljive funkcije koje obavlja mikroelektronika, teško vidljive i razumljive za

potrošače/korisnike.

· Tehnološka međuzavisnost, povezana sa dostupnim proizvodnim tehnologijama.

Distribucija mehaničkih i elektroničkih funkcija:

· Decentralizirani električki pogoni sa mikroračunarskim upravljanjem (npr.:višeosni

obradni sistemi,automatski zupčanici, itd.).

· Elastične (lagane) konstrukcije: prigušenje sa elektonskom/ektroničnom povratom

vezom (pogon niza povezanih tehničkih sistema, elastični roboti, savremene

svemirske konstrukcije, itd.).

· Ukupno linearno ponašanjene linearnih mehanizama pomoću odgovarajuće

povratne veze (hidraulički i pneumatski aktuatori, ventili, itd.).

· Adaptacije operatorakroz programibilne karakteristike (automatska regulacija

pedala gasa – kod savremenih pogona hidrauličkih pumpi, manipulatori, itd.).

Operacijska svojstva – proces prilagođavanja ponašanja pomoću sistema upravljanja sa

povratnom vezom. To nam omogućije da se:

· Povećava mehanička preciznost (uvođenjem povratne veze).

· Omogući adaptivna kompenzacija postojanja trenja.

· Modelsko i adaptivno upravljanje: omogućuje širok opseg operacija (upravljanje

protokom, silom i brzinom, raznih pogonskih motora, vozila, letelica,

itd.).Ostvarivanje izrazito zahtevnih upravljačkih performansi, zbog usko (blisko)

postavljene (referentne) veličine sa funcionalnim ograničenjima (motori, turbine,

proizvodne linije za proizvodnju papira, itd.).

Nove funkcije – one nebi bile moguće bez ugradivih miktoprocesora i odgovarajućih

upravljačkih algoritama i senzora:

· Upravljanje fizički nemerljivim promenljivima (klizanje točka na zaleđenom putu,

unutrašnje naprezanje i temperatura metalne strukture, parametri prigušenja,

ugao i brzina proklizavanja vozila, itd.).


409

· Korišćenje naprednih tehnologija za praćenja stanja i dijagnostiku kvara uređaja,

sistema ili proizvodne linije.

· Na kvarove tolerantni sistemisa hardverskom i analitičkom redudancijom.

· Mogućnost pružanja daljinskih usluga za potrebe nadzora, održavanja, itd.

· Fleksibilna adaptacijaza menjanje graničnih uslova.

· Programibilne funkcije omogućuju promene tokom dizajna kao i nakon isporuke. Integracijske forme:

· Sa poboljašnjem minijaturizacije, povećanjem robusnosti i računarske moći mikro -

elektroničkih komponenti postavljaju se novi zahtevi u pogledu integracije.

· Takođe, uvođenje bežičnog prenosa signala uvode se nove mogućnosti u

mehatroničke sisteme.

· Integracija unutar mehatroničkog sistema se obavlja na dva načina: integracija

komponenti i integracija informacijskog procesiranja.

· Integracija komponenti (hardverska integracija) ima za rezultat hardverski dizajn

celokupnog mehatroničkog sistema i ugradnjom senzora, aktuatora i

mikroračunara u mehanički proces.

· Prostorna integracija je određena procesom, senzorima i aktuatorima.

· Integracijom mikroračunara i senzora dobijaju se inteligentni (smart) senzori, a

integracijom mikroračunara i aktuatora inteligentni (smart) aktuatori.

Integracija korištenjem informacijskog procesiranja (softverska integracija) se zasniva

na naprednim upravljačkim funkcijama. Osim standardnog direktnog upravljanja i

upravljanja u povratnoj vezi (sl. 2) (niža klasa obrade signala) dodatna obrada signala se

zahteva u procesima zasnovanim na znanju kao i on line (real time) procesiranju

informacija (viši zahtevi koji se odnose na brzinu obrade signala), sl. 3.

· On line obrada podataka uključuje i mogućnost rešavanje problema tipa

nadzora, sa mogućnošću dijagnostikovanjem kvarova, optimizacije i rukovanja

procesom.

· Procesi svojstveni bazi znanja se mogu sitematizovati kao/na : napredna obrada

informacija, metode dizajniranja, matematički modeli procesa i kriterijijumi

performansi.

· Na osnovu ovih procesa omogućuje se ukorporiranje znanja u elektronske i

mehaničke komponente korištenjem softvera.

3. PROJEKTOVANJA MEHATRONIČKOG SISTEMA POMOĆU „V“MODELA

Dizajn mehatroničkih sistema podrazumeva sistemski razvoj i obavezujuće korišćenje

savremenih softverskih dizajnerskih alata.

· Mehatronički dizajn predstavlja iterativnu proceduru, sl. 6, [2,3].

· “V” šema razvoja mehatroničkih sistema se koristi za dizajn, integraciju, validaciju,

testiranje i evoluciju mehatroničkih sistema, sl. 7, [3,4].

· Dizajn sistema uključuje distribuciju zadataka između mehaničkih, hidrauličkih,

pneumatskih, električkih i elektronskih komponenti, vrste i razmeštaj senzora i


410

aktuatora, elektronske i softverske arhitekture, dizajn upravljačkog inženjeringa i

kreiranje njihove sinergije.

Slika 6 Slikoviti prikaz integtaciskih formi za obradu informacije

· Modeliranje i simulacije igraju važnu ulogu u realizaciji različitih vrsta prototipova.

· U ovom stadijumu razvoja takođe je važan i segment simulacija softvera u

otvorenoj petlji, odnosno simulacija komponenti i upravljačkih algoritama na

odgovarajućem računaru.

Slika 7 „ V“ šema razvoja proizvoda

· Dizajn komponentikoristi različite CASE alate kao što su, CAD/CAE za mehaniku,

CFD za fluide, VHDL za dizajn mikroelektroničkih komponenti, CADCS alati za

sintezu automatskog upravljanja, itd.

· Nakon dizajna komponenti izrađuju se prototipovi u laboratorijskim uslovima.

· Integracija sistema počinje sa kombinovanjem fizički različitih komponenti.


411

· Zbog različitog razvojnog statusa komponeti tokom simulacijskog dizajna,

minimizacije i iterativnih razvojnih ciklusa kao i predviđenog vremenskog trajanja

razvoja sistema, potrebno je koristiti različite real time simulacije.

· Jedna od vrsta real time simulacija je RCP, brzi razvoj upravljačkog prototipa

(Rapid Control Prototyping) gde se realni proces egzistira zajedno sa simulacijskim

upravljanjem, sve to zahvaljujući visokobrzinskom hardveru i gotovim softverskim

rešenjima.

· Druga vrsta real time simulacije je HIL hardver u simulacijskoj petlji (Hardware in

the Loop simulation), gde se real time simulacijski proces pokreće zajedno sa

realnim ECU (Electronic Control Unit) hardverom. Ovo predstavlja zahtevan

zadatak jer sam proces real time simulacije mora biti jako precizna i izlazi

senzora se moraju izvesti sa specijalnim povratnim vezama.

· Integracija sistema obuhvata prostornu integraciju hardverskih komponenti, kao i

ugradnjom senzora aktuatora, aktuatora, kablova i sabirnica u mehanički sistem i

kreiranje sinergijskih efekata i funkcionalne integracije korištenjem softvera sa

algoritmima za upravljanje, nadzor, dijagnostikovanje kvarova, tolerancija

odstupanja dijagnostičkih parametara i HMI operacije.

4. UPRAVLJANJE MEHATRONIČKIM SISTEMIMA Primena algoritama upravljanja tehničkim sistemima, sa direktnom granom i granom povratne veze, principski zavise od svojstava i karakteristika sastavnih uređaja sistema: električnih, mehaničkih, hidrauličkih, pneumatskih kao i toplotnih stanja sistema. Svi oni se matematički mogu predstaviti shodno znanju iz matematičkog modeliranja sistema. Upravljačka struktura se sastoji od:baze znanja,sistema upravljanjasa povratnim vezama. Baza znanja obuhvata: matematičke modele procesa,algoritme identifikacije i estimacije parametara,metode sinteze regulatora kao i kriterijume upravljačkih performansi.Sistemi upravljanja se sastoje od niskobrzinskih regulatora (spori procesi) i regulatora visoke brzine reagovanja, modula za generisanje referentne vrednosti i mogućnosti adaptacije parametara regulatora, što i pokazuje sl. 8, [2,3].

Slika8 Upravljanje mehatroničkim sistemima


412

Sinteza mehatroničkog sistema upravljanja je ograničenasa mogućnošću računarske

podrške, real time zahtevima, nelinearnošću procesa, ograničenom brzinom i radnim opsegom aktuatora, njegovom robusnošću, transparentnošću rešenja, održavanjem, itd. Najvažnija svojstvo mehatroničkog sistema je istovremeni (paralelni) dizajn samog mehatroničkog procesa i upravljanja.To znači da statičko i dinamičko ponašanje procesa, tip i pozicija aktuatora i senzora u sistemu, dizajniraju se naodgovarajući način a sve to rezultira u CDF (Control Dynamic Friendly) ukupnom ponašanju. Cilj upravljanja „sporim procesima“ obezbeđuje sigurno dinamičko ponašanje sa kompenzacijom nelinearnosti tipa trenja, smanjenje osetljivosti parametara stanja sistema i stabilizaciju istih. Tipični primeri ovog načina upravljanja su: prigušenje visokofrekvencijskih oscilacija, kompenzacija nelinearnih statičkih karakteristika, kompenzacija uticaja trenja, stabilizacija, prekidno upravljanje aktuatorom, itd. Zadatak regulatora više brzine reagovanja (brzi procesi)je da proizvede dobro ukupno dinamičko ponašanje s obzirom na promene referentne pozicije i moguće kompenzacije delovanja spoljnih poremećaja, npr. promena mase tereta. Regulator brzih procesa (brzine reagovanja) može se realizovati kao parametarski optimizirani PID regulator, modelski zasnovan regulator ili regulator u prostoru stanja sa ili bez observera stanja. Tipični zadaci visobrzinskog regulatora uključuju: predviđanj/praćenje parametara zasnovanih na merenja i parametarsku sinteza adaptivnih sistema upravljanja. Važno je i navesti da mehatronički sistemi koriste široki paletu za izbor regulatora, počevši od jednostavnih proporcionalnih do inteligentnih adaptivnih regulatora.Važne karakteristika sistema upravljanja su i mogućnosti stalnog nadzora i detektovanja kvarova i kao i sama mogućnost samodijagnostike stanaja. 5. ZAKLJUČAK

Na osnovu navedenog zaključuje se da,u odnosu na klasičan projektni pristup problemu,

mehatronički pristup doprinosi značajnim prednostima. Sve to semože pripisati„V“

pristupu i tzv. analizi metodom korak po korak. Specifičnost se odnosi na virtualnoj

analizu mehaničkih i električnih ograničenja i njihovoj integraciji u jedinstven tehnički

sistem. Primena savremenih softverskih paketa omogućuje brz i siguran put kao i

mogućnost razvoj novih komponenti/sistema mehatroničkim modelom.Savremeni

automobilisu pravi primeri mehatroničkih sistema, zahvaljujući udobnosti i svemu onom

što oni korisniku pružaju. Dobro su nam poznate i primena kod robotskih sistema:

telemedicina/telehirurgija,mikrohirurgija,čovekoliki roboti, potpuno automatizovana

proizvodnja, bespilotne letelice i mobilna vozila,svemirska istraživanja, ...Buduće

pravce razvoja mehatronike možemo potražiti u: biomehatronici, mikromehatronci,

optomehatronici, medicinskoj mehatronici, vojnoj mehatronici, ...

6. LITERATURA [1] W. Bolton, Mechatronics: Elektronics control systems in mechanical and elektrical

enginering,2002., (prevedeno izdanje izdato na Tehničkom fakultetu u Čačku) autora D. Golubović,M. živkovićI. Milićević, O.Robajec: ISBN 013112633)

[2] D.G. Alciatore and M.B. Histand, Introduction to Mechatronics and Measurement Systems, New York, New York: McGraw-Hill, 2003.,


413

[3] D.A.Bradley,D. Dawson, N.C. Burd and A.J. Loader,Mechatronics: Elektronics in

products and processes, Chapman and hall, 2 – 6 Boundary Lane, London SE1 8HN

(ISBN 0 – 412 – 34200 – 6), 2006.,

[4] Isermann, R. (2007). Mechatronic systems: Innovative products with embedded

control, Control Engineering Practice, doi:10.1016/j.conengprac.2007.03.010.


414

osnovne karakteristike projektovanja savremenih ... zivkovic, jasmina... · integralnom razvoju...

Documents