MODELOWANIE I SYMULACJA W MECHATRONICE

MODELOWANIE I SYMULACJA
W MECHATRONICE
dr inż. Michał MICHNA
Wykład 1+7x2h

Podstawowe zagadnienia i definicje

Modelowanie elementów systemów mechatronicznych
metodą Lagrange’a

Język modelowania fizycznego Modelika

Język opisu sprzętu VHDL/MAST
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
Modelowanie i symulacja w
mechatronice
Przykłady systemów EM
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
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
30 – 130
0 – 13000
Mały generator wiatrowy
2 – 10
300 – 1700
Samolot
120 – 250
7500 – 23000
Agregat prądotwórczy (CHP)
1 – 150
2000 – 4000
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
System energetyczny samolotu
All Electrical Aircraft
Energia Elektryczna [kW lub kVA]
15000
More Electrical Aircraft
1000
AC & DC Network
500
DC Network
System energetyczny samolotu
9
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2009
System energetyczny samolotu
Energia hydrauliczna
kontrola lotu,
podwozie,
hamulce,
drzwi ...
206bar 250kW
Energia elektryczna
awionika,
pompy,
odmrażanie,
oświetlenie…
115VAC 230kVA
10
Airbus A330
Energia pneumatyczna
klimatyzacja,
sprężone powietrze,
odladzanie,
rozrusznik…
do 20bar1200kW
Energia mechaniczna
silnik pomp paliwowych
silnik pomp olejowych
rozrusznik ...
100kW
dr inż. Michał Michna
Gdańsk 2009
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
System energetyczny samolotu
System energetyczny samolotu
Samolot konwencjonalny A330
Baterie
Dystrybucja: 28VDC
AC/DC Konwersja
Dystrybucja AC 115VAC
Główne źródła
energii AC
dr inż. Michał Michna
14
Gdańsk 2009
Modelowanie i symulacja systemów
EM
Podstawowe zagadnienia i definicje
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)
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)
GENEZA MECHATRONIKI
Mechanika i
budowa maszyn
Mechanika i budowa
maszyn
Sterowanie
Systemy
mechatroniki
Energoelektronika
silniki elektryczne
Elektrodynamika
techniczna
Informatyka i sterowanie
Mechatronika
Informatyka
Energoelektronika
silniki elektryczne
Formalny, mechaniczny
(Yamazaki)
Sposoby definiowania mechatroniki
Materiały
Wszechstronny,
elektromagnetyczny
(J. Turowski)
GENEZA MECHATRONIKI
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...”
TECHNOLOGIA MECHATRONIKI
WNIOSKI
b)
a)
MECHATRONIKA
Rok
2000
1. Maszyny „na miarę"
2. Tańsze Know-How
3. Tajemnice firmy
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”
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”
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)
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
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
TECHNOLOGIA MECHATRONIKI

Upraszczanie metod modelowania i obliczeń

Budowa elementów (maszyn el):


Ruch i eksploatacja układów:


od Naviera-Stokesa do MES-3D, MSR-3D
Hamilton’a zamiast SABERa
Optymalizacja mechanizmów i układów ważniejsza niż
elementów, np. dobór maszyn elektrycznych
„Optymalizacja strukturalna”
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
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”
Systemy EM
Definicje
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
Pojęcia i nazwy stosowane w modelowaniu i
symulacji

symulacja – eksperyment przeprowadzony na modelu,

modelowanie – akt tworzenia modelu

symulator – program komputerowy do
przeprowadzania symulacji