uvod u mehatroniku

Mehatronika na vozilu Katedra za motorna vozila

Dr Vladimir Popovi, dipl. in. ma. 1

UVOD U MEHATORNIKU Poveana sloenost savremenih tehnikih sistema, znaajni napori u pogledu smanjenja trokova, sve vea oekivanja korisnika u pogledu pouzdanosti i drugi zahtevi iniciraju istraivanja novih tehnika u inenjerstvu, uopte. Prilaz zasnovan na principima inenjerstva sistema ostaje jedini nain da se ostane konkurentan na globalnom svetskom tritu. Intenziviranje integracije elektronskih komponenata u oblastima koje su ranije bile neprikosnoveno mehanike, veliina promena u tehnologijama, poveanje sloenosti sistema, sve to dovodi do poveanja zahteva da se problemima pristupa na osnovama onoga to nudi inenjerstvo sistema. Razvoj na osnovama inenjerstva sistema predstavlja danas standardan nain miljenja. Poslednjih godina u industriji motornih vozila je poeo da se razvija neobian trend - pojava mehatronikih sistema sa inteligentnim i autonomnim sposobnostima. Razvoj integrisanih mehatronikih proizvoda treba, na svoj nain, da odigra kljunu ulogu u okviru mainske industrije, posebno u industriji motornih vozila. Mehaniko-elektronska komponenta se smatra prostorno i funkcionalno integrisanim sistemom u ranoj fazi projektovanja. Na ovaj nain, mogu se iskoristiti znanja iz razliitih inenjerskih oblasti (mainske konstrukcije, automatsko upravljanje, informatika). Prednosti ovog pristupa su: smanjenje vremena do pojave na tritu; nove i poboljane funkcije mehatronikih komponenti/ureaja; poveanje pouzdanosti i izdrljivosti. 1.1. ta je mehatronika? Termin mehatronika (Mechatronics) su prvi put uveli u upotrebu japanski inenjeri 1969. godine. Vodi poreklo od rei mecha (mehanizam, maina) i rei tronics (skraenica od elektronika). Ta re danas ima ire znaenje, i koristi se da opie pristup (filozofiju) u inenjerstvu koji koordinira i istovremeno razvija integraciju mainskog inenjerstva sa elektronikom i inteligentnim kontrolnim sistemima, u projektovanju i proizvodnji proizvoda (sistema) i procesa. Kao rezultat, mehatroniki sistemi imaju mnoge mehanike funkcije zamenjene elektronikom. Time se ostvaruje mnogo vea fleksibilnost, laka mogunost reinenjeringa i reprogramiranja odreenih sistema i proizvoda, kao i sposobnost da se sprovede automatsko prikupljanje podataka i izvetavanje.



Mehatroniki sistemi nisu samo obian brak elektronike i mehanikih sistema, i mnogo su vie od obinih kontrolnih sistema; oni su kompletna integracija svih njih, u kojem postoji istovremeni i zajedniki pristup projektovanju. U projektovanju vozila, robota, maina alatki, maina za ve, kamera i foto-aparata, i mnogih drugih sistema, usvojen je jedan takav integrisani i multidisciplinarni pristup. Integracija preko tradicionalnih granica mainstva, elektrotehnike, elektronike i kontrolonog inenjerstva (automatsko upravljanje) se javlja jo u ranoj fazi procesa projektovanja, ako elimo da razvijamo jeftinije, pouzdanije i fleksibilnije sisteme. Mehatronika potencira istovremeni pristup ovim disciplinama, nasuprot pojedinanog pristupa, u kome, na primer, prvo razvijamo mehaniki deo, pa onda elektronske delove, i na kraju mikroprocesor. Kao zakljuak moemo rei da je mehatronika projektna filozofija, odnosno integrisani pristup inenjerstvu. Takoe, evidentno je da mehatronika zahteva horizontalnu integraciju razliitih inenjerskih disciplina, kao i vertikalnu integraciju izmeu projektovanja i proizvodnje. Posledica ovakvog, novog pristupa je potreba da inenjeri i drugo tehniko osoblje usvoje ovaj interdisciplinarni i integrisani pristup inenjerstvu. Inenjerima su danas potrebne vetine i znanja koja nisu usresreena samo na jednu od gore pomenutih oblasti. Oni treba da budu u mogunosti da povezuju mnoge inenjerske discipline, tj. da imaju to vie znanja i vetina iz razliitih oblasti. Na taj nain e budui inenjeri biti u mogunosti da reavaju probleme koji e se pred njih postavljati u 21. veku. To je i cilj predmeta MEHATRONIKA NA VOZILU.



Mehatronika ukljuuje: senzore i merne sisteme, pogonske sisteme i izvrne organe (aktuatore), kao i mikroprocesore, zajedno sa analizom ponaanja sistema i kontrolnim sistemima Slika 1.

Slika 1. Osnovni elementi mehatronikog sistema

Primeri mehatronikih sistema:

- automatska proizvodna linija, - aktivni sistem oslanjanja (kod vozila), - kamera sa automatskim fokusom,...

Mehatronika je definisana u Reniku elektronike (McGraw-Hill) kao "metod za projektovanje podsistema elektromehanikih proizvoda pomou istovremene simulacije elektronskih, mehanikih i hidraulikih elemenata, da bi obezbedili optimum performansi. Kompjuterski simulirane komponente su modelirane kao grafiki prikaz u cilju stvaranja ema, koje postaju ulaz simulatora. eme su koriene od strane simulatora da bi se odredilo koji modeli su potrebni i kako oni treba da budu povezani".



Termin ugraeni sistemi (embedded systems) se koristi u sluaju kada je mikroprocesor ugraen u sistem, i ovaj tip sistema se razmatra u okviru mehatronike. U osnovi, mikroprocesor moe biti razmatran kao skup logikih kapija i memorijskih elemenata, koji nisu povezani kao pojedinane komponente, ali ije logike funkcije su sprovedene pomou softvera. Za mikroprocesore koji se koriste u kontrolnim sistemima, potrebni su dodatni ipovi da bi obezbedili memoriju za uvanje podataka, kao i memoriju za ulazne/izlazne portove, koji obezbeuju procesni signal, sa i ka eksternim jedinicama. Mikrokontroleri su mikroprocesori sa ovim dodatnim kapacitetima - sve je integrisano zajedno, na jednom ipu. Ugraen sistem je sistem baziran na mikroprocesoru, koji je projektovan da kontrolie opseg funkcija i koji nije projektovan da bude programiran od strane krajnjeg korisnika na isti nain kao to je to raunar. Prema tome, kod ugraenih sistema, korisnik ne moe menjati ono to sistem radi, dodavanjem ili zamenom softvera. Kao ilustracija primene mikrokontrolera u kontrolnim sistemima, savremene maine za pranje vea imaju kontrolni sistem baziran na mikroprocesoru, u cilju kontrole ciklusa pranja, pumpi, motora i temperature vode. Savremena vozila imaju mikroprocesor koji kontrolie takve funkcije kao to su ABS ili upravljanje motora. Drugi primeri ovakvih sistema su: automatski fokus, mobilni telefon, DVD plejer, elektronski itai kartica, fotokopir aparati, tampai, skeneri, televizori,... 1.2. Integracija inenjerskih disciplina U mnogim sluajevima, mehatronika kombinuje elektronske elemente koji su ranije bili izdvojeni u okviru jednog samostalnog elektronskog modula, sa elektromehanikim aktuatorom. Ovo znai da elektronski kontrolisan sistem sadri elektroniku kao integralni deo, na taj nain smanjujui ianu instalaciju i veze. Kako raspoloiv prostor nastavlja da se smanjuje, a broj aktuatora nastavlja da se poveava, mehatronika se sve vie prihvata kao projektna metodologija za sve sisteme motornih vozila. Digitalne alatke (za mikrokontroler) i analogne alatke (za pokretanje aktuatora) koriste se da modeliraju brojne parametre i komponente mehatronikog sistema. Modeliranje ukljuuje mehaniku, hidrauliku, toplotnu i druge analize. Verifikacija odgovarajue funkcionalnosti kroz simulaciju moe poboljati pouzdanost i smanjiti vreme projektovanja komponenti. Zamenu jednostavnih elektro-mehanikih komponenti sa pametnim mehatronikim sistemima karakteriu dva aspekta:



- integracija hardverskih komponenti, i - implementacija naprednih kontrolnih funkcija (funkcionalna ili

algoritamska integracija). Otuda, mehanikim komponentama se upravlja preko osnovnih senzorskih povratnih sprega niskog nivoa i inteligentne obrade informacija vrhunskog nivoa. Projektna procedura, koju treba sprovesti u sluaju mehatronikih sistema, je veoma zahtevna - potreno je da inenjerstvo sistema unutar polja mehanike, elektronike i informatike formira jedan u potpunosti integrisan sistem. Meutim, eksperimentalna verifikacija komplikovanih funkcija sistema pod realnim radnim uslovima je vanija nego ikad. Stoga, tehnologije inteligentnog testiranja, koje podrava CAE (Computer Aided Engineering - kompjuterska podrka inenjerstvu, inenjerstvo pomou raunara) i koje obezbeuju numerike simulacione modele, treba primeniti tokom razvoja komponenti i njihove kvalifikacije. Glavni projektni i kvalifikacioni koraci za mehatronike sisteme obuhvataju brzu kontrolu prototipa, koji je konstruisan (rapid-control prototyping - RCP), i hardversku simulaciju u povratnoj sprezi (hardware-in-the-loop simulation - HIL) u okviru efikasnog razvojnog CAE okruenja. Akcenat treba staviti na meusobnu interakciju izmeu kompjuterske podrke simulacije sistema i tehnika eksperimentalnog testiranja kroz inteligentnu obradu informacija. Inenjerstvo pomou raunara (CAE) je tehnologija koja omoguava kompjutersku analizu projekta, koji je kreiran u okviru CAD tehnologije. Time je inenjeru omogueno da simulira i prouava kako e se budui proizvod ponaati u radu, jo u okviru razvojnog procesa, dakle pre izrade proizvoda. Na osnovu rezultata ovih analiza dobijamo i jasan znak u kom pravcu treba vriti usavravanje konstrukcije proizvoda kako bi se otklonili uoeni nedostaci. Usavravanje konstrukcije vri se automatski, korienjem odgovarajuih algoritama. Upotrebom CAE tehnologije omogueno je mnogo bolje povezivanje konstruisanja, ispitivanja i usavravanja konstrukcije, razvojnih faza koje su do sada bile gotovo odvojene. Obostrani protok informacija izmeu ovih faza omoguava realniju sliku o kvalitetu proizvoda jo u fazi njegovog dizajniranja. Informacije o grekama u dizajnu dostupne su jo pre izgradnje i ispitivanja realnih, fizikih prototipova. Poto trokovi eksponencijalno rastu u kasnijim fazama razvoja i proizvodnje, rana optimizacija i usavravanje dizajna omogueni korienjem CAE tehnologije, donose prednost koja je izraena smanjenim utrokom vremena i novca. Napredne simulacione tehnologije koje koriste CAE pruaju velike prednosti jednoj kompaniji, smanjenjem trokova razvoja i testiranja, skraenjem vremena do izlaska na trite i poboljanjem veka



proizvoda. Na Slici 2. dat je ematski prikaz procesa razvoja projekta. CAE stanica ustvari predstavlja tehniki konsalting, koji obuhvata:

CAE u koncept fazi 3D modeliranje koncepta za trenutno vizuelno razumevanje CAE analiza na konceptnom nivou

CAE u CAD fazi CAE analiza pri detaljnom crtanju i nivou 3D modeliranja vie projekata ocenjenih pre pravljenja prototipa

CAE u test fazi CAE simulaciona anliza u cilju skraivanja vremena

testiranja

Slika 2. Proces razvoja projekta Ponovo se vratimo na RCP. To je visoko efikasna metoda za razvoj, implementaciju i testiranje ovih sofisticiranih kontrolnih funkcija. Tesno povezani unutar RCP su:

- modeliranje sistema, - kompjuterska podrka simulaciji, - projektovanje kontrolnih sistema, i - eksperimentalna verifikacija.

Kao rezultat, moe se oekivati poveanje kvaliteta proizvoda kroz funkcionalnu optimizaciju u ranoj fazi projektovanja. RCP obuhvata i adaptivnu kontrolu, multi-varijabilne kontrolne sisteme i nelinearnu kontrolu. Slika 3. pokazuje razvojni ciklus mehatronikih kontrolnih funkcija.

Specifikacija

projekta

Koncept projekta

Stvaranje crtea i modela

Izgradnja test prototipova - verifikacija

modela

Finalna optimizacija

projekta

CAE u

koncept fazi

CAE u

CAD fazi

CAE u test fazi

CAD STANICA

CAE STANICA

OPTIMIZACIJA PROJEKTNOG MODELA

PROCES RAZVOJA PROJEKTA



Slika 3. Brzi kontrolni prototajping mehatronikih sistema - projektni koraci

Nakon teoretskog modeliranja i identifikacije eksperimentalnog sistema, sledei projektni koraci su analiza kontrolnog sistema i projektovanje kontrolera zasnovanog na modelu. Meutim, eksperimentalna verifikacija je najkritiniji deo u pogledu vremena i u pogledu trokova. Stoga, zahtevi za efikasnom optimizacijom i testiranjem obuhvataju:

Integrisano softversko okruenje (Software Development Environment - SDE) sa preciziranim, vrstim radnim vezama izmeu razliitih CAE alatki dostupnih na tritu, kao to su CAD (Computer Aided Design - kompjuterska podrka projektovanju, projektovanje pomou raunara), FEM i MBS programi, i CACE (Computer Aided Control Engineering - kompjuterska podrka kontrolnom inenjerstvu) alati. Primer jednog takvog okruenja je prikazan na Slici 4. Na osnovu ove eme moe se uoiti mesto i uloga softverskog paketa MATLAB i njegovog dodatka SIMULINK u okviru kompletnog procesa modeliranja i simulacije jednog novog tehnikog sistema, a samim tim i sistema aktivnog oslanjanja, o kome e kasnije biti vie rei.

Eksperimentalnu platformu visokih performansi, koja, u kombinaciji sa integrisanim softverskim okruenjem, potpuno automatizuje proces implementacije od off-line simulacije do primene sloenih kontrolera koji rade u realnim uslovima vremena, ukljuujui

Fiziki zakoni

Dinamiki model - struktura/parametri

Pojednostavljen dinamiki model

Digitalna simulacija

Kontrolni algoritam

Projektovanje kontrolnog sistema

Projektni model

Specifikacije performansi

Teoretsko modeliranje

Kontrolni sistem - analiza/projektovanje

Identifikacija sistema

Optimizacija

Uporeenje

Eksperimentalni model

Rezultujui model

Pojedno stavljenje

Ocena

Implementacija

Testiranje/ kvalifikacija

Pojedno- stavljenje

Identifikacija - parame-tarska/neparametarska

A priori znanje - struktura/parametri



procedure za startovanje i gaenje, bezbedonosne provere i eksperimentalne kontrole.

Slika 4. CAE softversko okruenje za efikasno modeliranje i simulaciju mehatronikih sistema

Kada govorimo o CAD alatima koji su navedeni na Slici 4., u projektovanju sistema za oslanjanje, ali i drugih sistema na vozilima, koriste se i Ideas, Autocad, MSC Construct, dok se pored navedenih CACE i CAM (Computer Aided Modelling - kompjuterska podrka modeliranju) alatki koriste i dSpace, LogiDyn, Madymo, Fasimo i druge. Inae, projektovanje pomou raunara (CAD) je tehnologija koja omoguava korienje raunara u cilju lakeg kreiranja, modifikovanja, analiziranja i optimizacije konstrukcije ili projekta. Prema tome, svaki softverski paket koji obuhvata kompjutersku grafiku i inenjerske funkcije u procesu konstruisanja je klasifikovan kao CAD softver. To znai da CAD alati obuhvataju vrlo irok spektar programskih paketa, poevi od onih za manipulaciju geometrijskim oblicima, do specijalizovanih paketa prilagoenih analizi ili optimizaciji. Geometrija kreirana na ovaj nain se dalje koristi kao osnova za vrenje zadataka u okvirima CAM (Computer Aided Manufacturing - kompjuterska podrka proizvodnji, proizvodnja pomou raunara) i CAE tehnologija. Zato moemo rei da su izrada nacrta pomou raunara i geometrijsko modeliranje najvanije komponente CAD tehnologije. Proizvodnja pomou raunara (CAM) je tehnologija iji je cilj planiranje, upravljanje i kontrola nad procesima i operacijama proizvodnje. Jedna od najusavrenijih oblasti primene CAM tehnologija je numerika kontrola (NC) maina u toku proizvodnje. Druga znaajna funkcija CAM tehnologija je programiranje robota, koji vre izbor i pozicioniranje alata i obradaka za NC maine.

CAD ProEngineer/

Catia

FEM Nastran

MBS Adams/ Simpack

Fiziko modeliranje

CACE Matlab

Simulink

CAMCAD

Kompjuterska podrka analizi i

projektovanju kontrolnog sistema

linearizacija

simboliki kod



Pored brzog kontrolnog prototajpinga, interaktivno testiranje mehatronikih komponenti i elektronskih kontrolnih jedinica, korienjem najsavremenijih hardverskih simulatora u povratnoj sprezi, igra vanu ulogu. Ideja je ugradnja mehatronikih komponenti u virtualno okruenje u kojem su kretanje vozila, spoljna optereenja i okolni mehaniki sistemi simulirani u realnim uslovima vremena. HIL simulacija se pokazala kao mono sredstvo testiranja u ranoj fazi razvoja svih sistema na vozilu. Njene prednosti su: Znaajno smanjenje trokova i vremena razvoja; Visoka efikasnost u prilagoavanju komponenti i optimizacija

kontrolnog sistema; Jednostavno testiranje pod ekstremnim uslovima manevrisanja i

situacije u kojima se javljaju otkazi koji nisu izvodljivi u standardnim eksperimentima.

Kroz savremeni razvoj u informatikoj tehnologiji, progres u modeliranju sistema i mogunost lakog korienja CAE alatki, RCP i HIL su brzo priznati kao izuzetno efikasne metodologije razvoja i testiranja u automobilskom inenjerstvu. Savremenim razvojem u kreiranju efikasnih metodologija testiranja, mehatroniki sistemi vezani za motorna vozila mogu biti uspeno razvijeni sa testiranjem u veoma kratkom vremenu i fiksnim trokovima, korienjem RCP i HIL tehnika. Preduslovi su ugradnja hardverskih platformi za testiranje, koje su povezane sa efikasnim projektantskim alatima i raspoloivost interdisciplinarnog znanja. Veoma su znaajni zahtevi u pogledu kvaliteta proizvoda, cene i vremena razvoja novih proizvoda. U cilju zadovoljenja ovih zahteva, upotreba raunara se namee kao jedan od kljunih faktora. Veliki kapaciteti memorije, brza obrada podataka i lakoa korienja savremenih raunara omoguavaju automatizaciju i povezivanje do sada tekih i odvojenih projektantskih i proizvodnih zadataka. U tu svrhu, u toku procesa razvoja novih proizvoda, koriste se nove tehnologije. Prema tome, CAD/CAM/CAE tehnologije za cilj imaju automatizaciju i efikasnije obavljanje pojedinih funkcija u okviru proizvodnog ciklusa. Ipak, vano je naglasiti da upotreba raunara u okviru podprocesa sinteze nije velika, jer raunari jo uvek nisu u stanju da zamene oveka u kreativnom intelektualnom zakljuivanju. Meutim, u ovom podprocesu upotrebom raunara mogue je dobiti veliki broj informacija korienjem baza podataka o postojeim proizvodima. 1.3. Proces projektovanja Proces projektovanja (konstruisanja) za neki sistem (proizvod) moe biti razmatran kroz sledee faze:



- Potreba (za projektom) Proces projektovanja poinje sa utvrivanjem potrebe za sistemom, na primer, od strane korisnika. Potreba se moe identifikovati istraivanjem trita.

- Analiza problema Sledea faza u razvoju projekta je da se pronae prava priroda problema, analizirajui isti. Ovo je vana faza, jer ako se ne definie problem na pravi nain, posledice e biti izgubljeno vreme na projekat koji ne ispunjava potrebe.

- Priprema specifikacija Nakon analize, treba pripremiti specifikaciju zahteva. To obuhvata: utvrivanje problema (specifikacija svih zahtevanih funkcija i njenih poeljnih performansi - na primer, masa, dimenzije, tip i opseg zahtevanog kretanja, tanost rada, meuveze, snaga,...); utvrivanje svih prepreka koje mogu uticati na reenje; utvrivanje kriterijuma koji se mogu koristiti prilikom procenjivanja kvaliteta projekta.

- Stvaranje mogueg reenja Ova faza se esto zove i konceptna faza.

- Izbor pogodnog reenja Procenjuju se razliita reenja i bira se najpogodnije. Ova procena obino ukljuuje stvaranje modela sistema i njegovu simulaciju, u cilju analize reakcije sistema na ulazne parametre.

- Stvaranje detaljnog projekta Sada treba razraditi detalje izabranog projekta. To moe zahtevati izradu prototipa ili maketa, da bi definisali optimalnu formu projekta (konstrukcije).

- Zavretak izrade projekta ili proizvodnja. Svaka faza procesa projektovanja ne proizilazi jednostavno jedna iz druge. Nekada je potrebno vratiti se u neku raniju fazu i ponovo razmotriti zakljuke, do kojih se dolo u toj, ranijoj fazi. 1.3.1. Tradicionalno i mehatroniko projektovanje Inenjersko projektovanje je sloen proces koji ukljuuje interakcije izmeu mnogih vetina i disciplina. Tradicionalni pristup je bio sledei: mainski inenjeri projektuju mainski deo, elektro inenjeri projektuju elektroniku,... To se zove pojedinani ili sekvencijalni pristup projektovanju. Sa druge strane, osnova mehatronikog pristupa lei u istovremenom ukljuivanju razliitih disciplina (mainstvo, elektronika, raunarske tehnologije i automatsko upravljanje) u proces projektovanja. Ta vana karakteristika ovog pristupa (istovremenost) veoma mnogo zavisi od modeliranja sistema i njegove simulacije, i od toga kako taj model reaguje na ulazne veliine (i kako e stvarni sistem, to je najvanije, reagovati na ulazne parametre). Mehatroniko projektovanje obezbeuje mnogo veu fleksibilnost sistemima u odnosu na tradicionalno projektovanje.



1.4. Sistemi i inenjerstvo sistema Kao to je poznato, tehniki sistem je organizovan skup elemenata, objedinjen zajednikom funkcijom cilja. Osnovno je da se podvue da sistem u svom sastavu ima vie elemenata, tj. sistem uvek predstavlja celinu koja se sastoji iz delova. U naelu, zadatak svih tehnikih sistema se svodi na pretvaranje ulaznih veliina u izlazne veliine. Organizacija elemenata unutar sistema mora biti takva da se obezbedi izvravanje njegovog zadatka, tj. njegove funkcije cilja. Drugim reima, izvravanje funkcije cilja sistema predstavlja smisao i svrhu organizovanja elemenata u bilo kom sistemu. Izvravanje funkcije cilja ostvaruje se uvek u nekom periodu vremena. Re je o tome da tehniki sistem ima izrazito dinamiki karakter, da on izvrava svoje zadatke samo tokom vremena. Nema tehnikog sistema ija funkcija cilja nije zavisna od vremena, koji se moe posmatrati i analizirati statiki, nezavisno od vremena. Zbog toga je i vreme rada bitno obeleje tehnikog sistema. Ovo posebno vai za mnoge sisteme na vozilima (sistem za koenje, sistem aktivnog oslanjanja,..), jer se vreme njihovog odziva i funkcionisanja meri u milisekundama. Pri opisu rada svakog sistema moramo uzeti u razmatranje jo dva vana elementa: okolinu i ponore. Pri tome se pod pojmom okolina podrazumeva itav niz inilaca i okolnosti. Od osnovne je vanosti, meutim, da je okolina, bez obzira na elemente koji je definiu ili opredeljuju, po svojoj prirodi i karakteru uvek stohastika, menjajui se tokom vremena po nekim sluajnim zakonima. Otuda sledi i zakljuak da okolina na sistem uvek deluje poremeajno, ona ometa ili ograniava funkcionisanje sistema. Tehniki sistem u naelu predstavlja sloenu strukturu, koja obuhvata vei broj elemenata, razliite uloge i znaaja u izvravanju zajednike funkcije cilja tokom vremena, a i razliitih sopstvenih osobina i svojstava, posebno u odnosu na stohastiko delovanje okoline i svih inilaca koji odreuju uslove rada tehnikih sistema. Poetak razvoja "sistemskog doba" vezuje se za etrdesete godine prolog veka, kao rezultat promene u pogledu naina razmiljanja od analitikog ka sintetizovanom miljenju. U istom periodu se raa i "trea generacija" proizvodnje - "lean production", kao reenje koje objedinjava prednosti proizvodnje prethodnih generacija - zanatske i masovne. Sintetizovano miljenje nam omoguava da se osobine jedne komponente sistema analiziraju sa stanovita njene uloge u sklopu sistema, dok se u analitikom nainu razmiljanja osobine pojedinih komponenti objanjavaju na bazi osobina njenih delova.



Savremene sistemske nauke daju mogunost za sprovoenje kompleksnih analiza tehnikih sistema. Ovo se posebno odnosi na Inenjerstvo sistema (System Engineering). Inenjerstvo sistema, kao skup "naunih i inenjerskih aktivnosti (napora)", ima zadatak da na bazi iskazanih "potreba (zahteva)" omogui specifikaciju i opis potrebnih radnih karakteristika tehnikog sistema i njegovu najpovoljniju strukturu ili konfiguraciju, te da povezivanjem radnih karakteristika i parametara sistema obezbedi punu kompatibilnost svih fizikih, funkcionalnih, programskih i ostalih sadraja, uz punu integraciju potrebnih svojstava pouzdanosti, pogodnosti odravanja, logistike podrke, bezbednosti, produktivnosti, radne sigurnosti, trajnosti, humanizacije rada, zatite okoline, i svih drugih znaajnih osobina u "jedinstven inenjerski poduhvat". Sve ove tehnologije imaju za cilj da doprinesu stvaranju uslova za zadovoljenje potreba odnosno zahteva korisnika. Moemo rei i da je inenjerstvo sistema tehniko-tehnoloka sistemska nauka koja olakava sintezu vrlo razliitih, ali meusobno zavisnih, elemenata u sistem koji harmonino radi, omoguavajui ostvarenje svih njegovih anticipiranih funkcija.

U procesu projektovanja mehatronikih sistema, jedan od koraka ukljuuje stvaranje modela sistema, tako da moemo predvideti njegovo ponaanje kada se javljaju promene ulaznih veliina. Takav model ukljuuje blok dijagram sistema, u cilju predstavljanja istog. Termin modeliranje se koristi kada predstavljamo ponaanje realnog



sistema pomou matematikih jednaina, koje, pak, predstavljaju relacije izmeu ulaza i izlaza u sistem. Na primer, opruga moe biti razmatrana kao sistem koji ima ulaznu veliinu (sila F) i izlaznu veliinu (istezanje x) Slika 2(a). Jednaina koja nam daje relacije izmeu ulaza i izlaza je F=kx, gde je k-konstanta. Kao drugi primer moemo uzeti motor, gde je ulaz elektrina struja, a izlaz okretanje vratila Slika 2(b). Merni sistem razmatramo kao blok dijagram koji se koristi za sprovoenje merenja. Njegova ulaz je veliina koja se meri, dok je izlaz vrednost te veliine. Kao primer imamo sistem za merenje temperature Slika 2(c). Ulaz je temperatura, a izlaz je vrednost na skali.

Slika 2. Primeri sistema: (a) opruga, (b) motor, (c) termometar

1.4.1. Modeliranje sistema



Odziv (odgovor) svakog sistema na ulaznu promenljivu nije momentalan. Na primer, jednaina za sistem opruge (F=kx), koji smo prethodno pominjali, opisuje relacije samo u stacionarnom stanju. Kada se sila primeni, verovatno je da e se oscilacije javiti pre nego to se opruga vrati u svoje prvobitno, stacionarno stanje Slika 3. Tako, da bi znali kako se sistem ponaa kada postoje promene ulazne veliine, potrebno je razviti model sistema koji povezuje izlaz sa ulazom, tako da moemo razraditi, za date vrednosti ulaznih parametara, kako e izlazni parametri varirati sa vremenom i kakav e biti konane posledice (nakon smirivanja sistema i prestanka dejstva ulaznih parametara). esto se relacije izmeu ulaza i izlaza nekog sistema opisuju diferencijalnim jednainama.

Slika 3. Odziv sistema na promenu ulazne veliine (za oprugu)

Kao drugi primer, ako ukljuimo ajnik, trebae neko vreme da voda u ajniku dostigne taku kljuanja Slika 4. Slino, kada kontroler mikroprocesora da signal da se pomeri soivo za fokusiranje kod automatskog fotoaparata, potrebno je vreme pre nego to soivo dostigne poziciju za ispravno fokusiranje.

Slika 4. Odziv sistema na promenu ulazne veliine (za ajnik)

Osim kod najjednostavnijih sistema, korisno je sistem razmatrati kao niz meusobno povezanih blokova, od kojih svaki takav blok ima specifinu funkciju. U tom sluaju imamo situaciju u kojoj je izlaz iz jednog bloka ulaz u drugi blok sistema. Prilikom stvaranja takvih blok dijagrama, neophodno je prepoznati da linije koje povezuju blokove pokazuju tok informacija u pravcu u kome je okrenuta strelica, i ne



moraju obavezno podrazumevati i fiziku povezanost blokova. Primer takvog sistema je CD plejer Slika 5.

Slika 5. CD plejer

1.5. Merni sistemi Posebnu vanost prilikom svake diskusije o mehatronici imaju merni sistemi. Merni sistemi se, uopteno gledano, sastoje od tri osnovna elementa (Slika 6):

1) Senzor, koji se odaziva na vrednost koja se meri, dajui kao izlaz signal koji je povezan sa tom vrednou. Na primer, termopar je senzor temperature.

2) Kondicioner signala dobija signal od senzora i upravlja istim na taj nain da je pogodan za prikazivanje na displeju. Pojaalo je primer kondicionera signala.

3) Sistem displeja, na kome se prikazuje izlaz iz kondicionera signala.



Slika 6. Merni sistem i njegovi sastavni elementi

Kao primer, pogledajmo digitalni termometar Slika 7.

Slika 7. Sistem digitalnog termometra

1.6. Analogija komponenti: elektrotehnika - mainstvo Signal, element ili sistem koji pokazuje matematiko ponaanje identino nekom drugom signalu, elementu ili sistemu, ali je fiziki razliit od njega, naziva se analogna veliina. Analogne veliine su:

sila napon brzina struja pomeranje punjenje priguiva otpornik opruga kondenzator masa induktor

uvod u mehatroniku

Documents