Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne

Mechatronika
i inteligentne systemy
produkcyjne
Paweł Pełczyński
[email protected]
1
Program przedmiotu
Wprowadzenie – definicja, cel i zastosowania
mechatroniki
Urządzenie mechatroniczne - przykłady
Sensory – definicja i przegląd
Aktory – definicja i przegląd
Procesory – definicja i przykłady
Systemy mechatroniczne
Projektowanie mechatroniczne
2
Literatura
Gawrysiak M., Mechatronika i projektowanie
mechatroniczne, Wydawnictwo Politechniki
Białostockiej, Białystok 1997.
Heimann B., Mechatronika, PWN, Warszawa 2001.
Oleksiuk W., Paprocki K., Konstrukcja
mechanicznych zespołów sprzętu elektronicznego,
WKiŁ, 1997.
3
Zaliczenie przedmiotu
Test zaliczeniowy jednokrotnego wyboru
Warunkiem zwolnienia z testu jest zaliczenie zajęć
laboratoryjnych na ocenę nie mniejszą, niż 4,5
4
Pochodzenie słowa mechatronika
Słowo mechatronika jest wynikiem połączenia
dwóch słów:
Mechanika i elektronika
Po raz pierwszy to słowo zostało użyte w japońskiej
firmie Yaskawa Electric w 1969r.
5
Definicja mechatroniki
Synergiczna integracja inżynierii mechanicznej
z elektroniką i inteligentnym sterowaniem
komputerowym w konstruowaniu i wytwarzaniu
produktów oraz procesów.
6
Cel mechatroniki
Poprawianie funkcjonalności systemów
technicznych przez powiązanie mechaniki,
elektroniki i informatyki.
Mechatronika ma charakter interdyscyplinarny.
7
Składowe mechatroniki
Aktoryka/sensoryka
Elektronika/
elektrotechnika
Mechanika
Mechatronika
Procesowa
technika
obliczeniowa
Modelowanie
Przetwarzanie informacji/
sztuczna inteligencja
8
Obszary zastosowań mechatroniki
Automatyka przemysłowa
Robotyka
Motoryzacja
Sprzęt elektroniczny powszechnego użytku
Sprzęt AGD
Wiele innych…
9
Przykłady systemów mechatronicznych
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
10
Przykłady systemów mechatronicznych
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
11
Przykłady systemów mechatronicznych
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
12
Przykłady systemów mechatronicznych
Źródło: http://pl.wikipedia.org/
13
Schemat systemu mechatronicznego
Energia
Sensory
Procesor
Aktory
Układ mechaniczny
Otoczenie
14
Cechy charakterystyczne
systemu mechatronicznego
Integrują układy mechaniczne, elektroniczne
i przetwarzające dane
Są w dużym stopniu autonomiczne
Ich właściwości w dużej mierze są określone przez
oprogramowanie
15
Wielkości pomiarowe
w systemach mechatronicznych
Elektryczne: prąd, napięcie, natężenie pola
elektrycznego i magnetycznego itd.
Mechaniczne: droga, prędkość, przyspieszenie, siła,
moment obrotowy
Inne: natężenie światła, temperatura, ciśnienie itd
Zazwyczaj czujniki wielkości nieelektrycznych
przetwarzają mierzoną wielkość do prądu lub
napięcia.
16
Wielkości nastawcze
w systemach mechatronicznych
Są to wielkości wytwarzane przez aktory na
podstawie sygnałów nastawczych:
Wielkości nastawcze mają zazwyczaj charakter
mechaniczny a ich wytworzenie wymaga
dostarczenia energii: sprężonego gazu, płynu,
elektrycznej itd.
17
Przetwarzanie danych procesowych
w systemach mechatronicznych
Jest realizowane przez mikrokontrolery, komputery
przemysłowe lub procesory sygnałowe dedykowane
do wykonywania określonego zadania – systemy
wbudowane
Wymaga użycia mikroprocesora o wystarczającej
mocy obliczeniowej i zasobach
Jest często przetwarzaniem wielopłaszczyznowym
18
Płaszczyzny przetwarzania danych
procesowych
Płaszczyzna 1. – sterowanie i regulacja
Płaszczyzna 2. – monitorowanie wartości granicznych i
alarmowych oraz nadzór i diagnoza uszkodzeń
Płaszczyzna 3. – koordynacja systemów częściowych i
optymalizacja
Zazwyczaj płaszczyzna dolna reaguje szybko i działa
lokalnie, a górna reaguje wolno i działa globalnie.
19
Analiza procesowa systemów
mechatronicznych
System jest układem oddziałujących na siebie
podsystemów lub elementów
W skład systemu mechatronicznego wchodzą
podsystemy: mechaniczne, sensory, aktory, procesory
System jest osadzany w większym systemie
(nadsystemie), tak, że daje się go wyodrębnić.
Komunikacja z nadsystemem, zwanym otoczeniem,
odbywa się za pomocą sygnałów.
20
Analiza procesowa systemów
mechatronicznych
System mechatroniczny jest układem dynamcznym
(zmiana stanu w czasie)
System mechatroniczny jest układem aktywnym
(przetwarza dostarczoną energię na wielkości
nastawcze)
21
Sygnały i wektor stanu systemu
mechatronicznego
Historię stanów systemu w czasie opisuje się za pomocą wektora stanu:
z(t)
Zmianę stany inicjuje się za pomocą wektora wielkości wejściowych
f(t)
System odpowiada za pomocą wektora odpowiedzi
y(t)
22
Procesy w systemach
mechatronicznych
Proces jest ciągiem kolejno następujących po sobie w
czasie zjawisk lub stanów w systemie.
Procesem jest przekształcanie i transport energii oraz
informacji.
Proces może być obserwowany i prezentowany za
pomocą czasowych przebiegów sygnałów, stanów itd.
23
Prezentacja graficzna systemu
mechatronicznego
f1(t)
f2(t)
Sygnały wejściowe
Stany systemu:
zi(t); i=1,…,m
…
…
fk(t)
y1(t)
y2(t)
yl(t)
Sygnały wyjściowe
24
Tworzenie modelu matematycznego
systemu i procesu
Proces modelowania matematycznego może być
przeprowadzony na dwa sposoby:
Na drodze teoretycznej - zakłada się znajomość
ogólnych praw rządzących procesem lub systemem
Na drodze eksperymentalnej – opiera się na
obserwacjach (pomiarach) i jest określany mianem
identyfikacji modelu
25
Sterowanie procesem oparte na jego
modelu
f(t)
System rzeczywisty
y(t)
z(t)
Tworzenie modelu
Sterowanie procesem
doświadczenia
cele
u(t)
26
Projektowanie mechatroniczne
Wymaga wiedzy interdyscyplinarnej
Jest to projekt zarówno sprzętu
jak i oprogramowania.
27