Wykład 2
Transkrypt
Wykład 2
System mechatroniczny System mechatroniczny - zamknięty układ sterowania zbudowany z : ¾ obiektu podlegającego kontroli, moduł pomiarowy ¾ moduł pomiarowy, ¾ układ sterującego, ¾ modułu nastawczego. Moduł pomiarowy - pojedynczy czujnik lub dodatkowe komponenty: wzmacniacz, modulator. Układ sterujący - rejestruje sygnały z modułu pomiarowego i w oparciu o algorytm sterujący wysyła sygnały do modułu nastawczego. Układ nastawczy - nastawniki i opcjonalnie źródło napięcia zasilania. obiekt podlegający kontroli układ sterujący układ nastawczy Typowe ogólne podejścia do projektowania składników systemu mechatronicznego rozważanych oddzielnie: ¾ projektowanie zespołów mechanicznych; mechanicznych ¾ projektowanie zespołów elektronicznych; elektronicznych ¾ projektowanie oprogramowania. oprogramowania Projektowanie zespołów mechanicznych systemu dotyczy zależności przestrzennych i stąd jest samo w sobie procesem trójwymiarowym (3D). 3D Projektowanie zespołów elektronicznych systemu dotyczy przetwarzania sygnału i wzajemnego połączenia elementów dyskretnych i może być traktowane jako proces dwuwymiarowy (2D). 2D Projektowanie oprogramowania dotyczy opracowania algorytmów przetwarzających dane i dlatego (z fizykalnego punktu widzenia) jest bezwymiarowe. W projektowaniu wykorzystuje się: systemów mechatronicznych ¾klasyczną teoria mechaniki, ¾klasyczną teoria elektromagnetyzmu. elektromagnetyzmu Systemy mechatroniczne jako zintegrowane urządzenia wymagają zintegrowanego projektowania. projektowania Mechatroniczne podejście do projektowania charakteryzuje się tym, że system mechaniczny i elektroniczny od samego początku należy traktować jako zintegrowany przestrzennie i funkcjonalnie system całkowity. Postępowanie konwencjonalne Postępowanie mechatroniczne projekt konstrukcji projekt konstrukcji układ mechaniczny elektronika oddzielne elementy układ mechaniczny układ elektroniczny całościowy układ mechatroniczny To, co łatwiej jest rozwiązać mechanicznie, rozwiązuje się środkami mechanicznymi, to zaś, co łatwiej jest rozwiązać elektronicznie − elektronicznymi i komputerowymi. Klasyfikacja systemów mechatronicznych W zależności od technologii produkcji oraz wielkości bloków funkcjonalnych wchodzących w skład systemu mechatronicznego wyróżniamy trzy rodzaje systemów: ¾ klasyczne systemy mechatroniczne, ¾ systemy mikroelektromechaniczne (MEMS – MicroElectroMechanical Systems), ¾ systemy nanooelektromechaniczne (NEMS – NanoElectroMechanical Systems). Systemy mechatroniczne ¾ klasyczne systemy mechatroniczne ¾ systemy mikroelektromechaniczne MEMS ¾ systemy nanooelektromechaniczne NEMS KLASYCZNE SYSTEMY (KONSTRUKCJE) MECHANICZNE MECHANIZMY SYSTEMY MECHATRONICZNE SCHEMAT SYSTEMU MECHATRONICZNEGO WEJŚCIE UKŁAD MECHANICZNY WYJŚCIE CZUJNIKI NASTAWNIKI PROCESOR(y) czujniki temperatury zewnętrznej i wewnętrznej powietrza czujniki napięcia pasów czujniki założenia pasów czujnik poziomu paliwa czujnik oleju czujnik deszczu czujnik temperatury wody chłodzącej czujnik dwutlenku grawimetr czujnik parkowania prędkościomierz odometr tachometr GPS czujniki ciśnienia w ogumieniu system antywłamaniowy czujniki prędkości obrotowej kół czujnik tlenu (O2) Spaliny silnika benzynowego zawierają do 2% tlenu. Kiedy spaliny zawierają 2% tlenu określa się je jako „ubogie”. W przypadku takich spalin tworzą się tlenki azotu. I odwrotnie, kiedy spaliny zawierają prawie 0% tlenu określa się je mianem „bogatych”. Tu dla odmiany powstają węglowodory i tlenek węgla. Napięcie wyjściowe czujnika O2 zależy od wielkości udziału tlenu w spalinach. wtrysk paliwa moduł sterujący silnika recyrkulacja gazów czujnik O2 Uzyskane napięcia przesyłane są do modułu sterującego silnika, a ten reaguje na nie w postaci kalibracji stosunku mieszanki powietrze/benzyna. system ABS ABS (niem. Antiblockiersystem; ang. Anti-Lock Braking System) - układ stosowany w pojazdach mechanicznych w celu zapobiegania blokowaniu się kół podczas hamowania, jako element układu hamulcowego. ABS zapobiega zjawiskom występującym po zablokowaniu kół, takim jak ściąganie samochodu w bok, wirowanie samochodu, utrata kontroli nad kierowaniem samochodem. Typowy system ABS zbudowany jest z układów kontrolujących prędkość obrotową każdego z kół oraz zaworów (układów) zmniejszających ciśnienie oddzielnie w każdym obwodzie hamowania, a w rozbudowanych układach indywidualnie na każdym kole. Działanie zaworów jest sterowane przez system komputerowy na postawie obrotów kół. wycieraczka szyby przedniej kropla deszczu • zjawisko obicia zewnętrznego • dioda elektroluminescencyjna • fotodioda → wzmacniacz→ kontroler→ włącznik wycieraczki, zamykanie okien LED czujnik światła oddalonego szyba fotodioda czujnik światła otaczającego Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. lightemitting diode) – dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu. poduszka powietrzna poduszka powietrzna inflator grawimetr poduszka powietrzna inflator grawimetr azot Proces zadziałania poduszki powietrznej zderzenie 3 ms zadziałanie czujnika odpalenie inflatora uwolnienie azotu napełniającego poduszkę 20 ms 35 ms napełnienie poduszki pełne napełnienie poduszki zabezpieczenie pasażera opróżnienie poduszki z azotu koniec procesu 105 ms 40 ms Systemy mechatroniczne ¾ klasyczne systemy mechatroniczne ¾ systemy mikroelektromechaniczne MEMS ¾ systemy nanooelektromechaniczne NEMS Systemy MEMS i NEMS charakterystyka ogólna MEMS (ang. Micro Electro-Mechanical Systems), lub też Mikrosystemy - określenie zintegrowanych układów elektro-mechanicznych, których co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali mikro (0,1 - 100 μm). Różne nazwy dla systemów mikroelektromechanicznych ¾ USA – MEMS ¾ Europa – Microsystem technology ¾ Japonia - Micromachines MEMS MEMS są zbudowane z elementów (czujników, nastawników, itp.), których wymiary zawarte są pomiędzy 1 to 100 mikrometrów, tj. od 0.001 do 0.1 mm. Systemy MEMS mają wymiary w zakresie od 20 mikrometrów (20 milionowa cześć metra) do 1 milimetra. Najmniejszy w świecie silnik parowy Tłoki maja średnice 5 mikronów i aktualnie pracują. Woda w przestrzeni trzech cylindrów jest podgrzewana przez prąd elektryczny aż do wyparowania. Wytworzona para naciska na tłoki. Siły kapilarne cofają tłoki po zamknięciu dopływu prądu. NEMS (ang. Nano Electro-Mechanical Systemsokreślenie zintegrowanych układów elektromechanicznych, których co najmniej jeden wymiar szczególny znajduje się w skali nano (od 1 nm do 100 nm). Wymiar 10 nm jest 1 000 razy mniejszy niż średnica włosa człowieka. NEMS – popularny kierunek dla nanotechnologii. Systemy nano-elektro-mechaniczne stanowią wg. wielu naukowców podstawę przyszłych molekularnych systemów wytwarzających. Jaka jest wielkość nanometra? Nanometr (nm) to 10-10 metra. Argon 0.3 nm CH4 0.4 nm H2O 0.3 nm czerwone krwinki 2000x7000 nm Graficzna reprezentacja nanorobota ‘pracującego’ w naczyniach krwionośnych w celu usunięcia komórek rakowych W odróżnieniu od klasycznych systemów mechatronicznych, struktury funkcjonalne oraz elementy składowe systemów MEMS i NENS wykazują nowatorskie i znaczącą inne własności fizyczne, chemiczne i biologiczne. W systemach systemach MEMS i NENS mogą przebiegać inne zjawiska fizyczne. fizyczne W nanoskali dużą rolę grają zjawiska kwantowe oraz atomowe interakcje zachodzące na powierzchniach stykających się nanostruktur oraz ruchy termiczne. Zjawiska te winikają z tzw. prawa skalowania. skalowania Prawa skalowania Prawa skalowania Prawa skalowania mogą zostać wykorzystane do określenia, jak własności fizyczne zmieniają się ze zmianą rozmiarów. Oparte są zazwyczaj na prostych obliczeniach. Dlaczego pchła może przeskoczyć własną długość dziesiątki razy, a słoń na przykład już nie? Prawa skalowania mówią ogólnie, że ze zmianą skali zmienia się jednocześnie: ¾szybkość działania, ¾zapotrzebowanie na energię, ¾„gęstość” funkcjonalna”, ¾wydajność, ¾wytrzymałość, ¾ wpływ grawitacji, itp. Zmiany te zachodzą w różnym stopniu. Co powoduje zmiana długości sześcianu o L? ¾ zmiana powierzchni proporcjonalna do L⋅L ¾ zmiana objętości proporcjonalna do L⋅L⋅L powierzchnia figury geometrycznej 2 1 1 1 2 4 4 2 2 1 5 3 6 8 24 2 10 6 4 8 Wielkość sił napięcia powierzchniowego jest proporcjonalna do długości obwodu „zwilżonego”. Owady do ślizgania się po powierzchni sadzawki potrzebują długich a nie wielkich nóg. Nartnik (Water Strider) – doskonale wyważony balans ciężaru ciała równoważonego przez napięcie powierzchniowe wody i hydrofobowe (wodoodporne) włoski na odnóżach, które nie ulegając zwilżeniu, delikatnie ślizgają się po powierzchni cieczy. Siły lepkości są proporcjonalne do powierzchni kontaktu. Gekony potrzebują szerokich, płaskich stóp pokrytych milionami małych haczyków, aby móc chodzić po suficie. Gekony mogą poruszać się nawet głową w dół. Potrafią chodzić po suficie, dzięki specyficznej budowie swoich stóp. Posiadają one bowiem setki włosków, z których każdy zbudowany jest z setek mikroskopijnej wielkości włókien. Pomiędzy stopą gekona a powierzchnią, po której się porusza, tworzą się tzw. oddziaływania van der Waalsa. Pojedyncze oddziaływanie jest słabe, jednak tysiące z nich są już na tyle mocne, że pozwalają na skuteczne przytwierdzenie zwierzęcia do ściany. Siły grawitacji i bezwładności zależą od objętości (zakładając stałą gęstość). Ptak, który uderzy w okno może skręcić kark, tysiące razy mniejsza mucha wychodzi bez szwanku z takiej kolizji. Siły które mogą być wytworzone przez mięśnie lub wytrzymałość kości są w każdym przypadku proporcjonalne do ich przekroju poprzecznego. Waga zwierząt zależy od objętości. Człowiek, który się nieprawdopodobnie zmniejsza The Incredible Shrinking Man (1957) Prawa skalowania dla człowieka Prędkość z jaką tlen może być przyswajany z powietrza jest proporcjonalna do powierzchni płuc. uc Prędkość przyswajania pokarmu zależy od powierzchni jelit. jelit Prędkość z jaką ciepło jest odprowadzane z ciała zależy od powierzchni skóry. ry Ilość tlenu lub pożywienia dostarczanego w czasie musi być proporcjonalna do masy (objętości). Powracając do filmu ‘Człowiek, który się nieprawdopodobnie zmniejsza’ zmniejsza w którym człowiek zmienia swoją wielkość, to musi nastąpić zmiana innych współczynników i to w różny sposób. Po zakończeniu zmniejszania mężczyzna miał ok. 1 cala (2,5cm) wysokości. Był więc 70 razy mniejszy niż normalnie. Powierzchnia jego ciała zmniejszyła się 70⋅70, czyli około 5 000 razy. Masa jego ciała zmniejszyła się 70⋅70⋅70 = 350 000 razy. Pierwszym problemem dla bohatera jest utrzymanie temperatury ciała (nawet w ubraniu) w sytuacji, gdy proporcja powierzchni skóry do objętości ciała wzrosła 70 razy. Na szczęście powierzchnia jego płuc zmniejszyła się tylko około 5000 razy, tak więc zaopatrzenie w tlen jest na bardzo dobrym poziomie. Ze względu jednak na konieczność utrzymania temperatury ciała i zapewnienie odpowiedniej ilości energii, musiałby zjeść dziennie pokarmu na poziomie swojej wagi. wagi Miałby kłopoty ze spaniem, bo przy normalnym śnie mógłby w tym czasie umrzeć z głodu. Najlepiej by zrobił, gdyby jadł przez całe 24 godziny. Chyba, że udało by mu się obniżyć temperaturę swojego ciała. Ze względu na relatywnie dużą powierzchnię ciała traciłby wodę z organizmu również proporcjonalnie szybciej - musiałby więc także dużo pić. W filmie pije tylko raz, więc musi być bardzo spragniony. Podczas picia zanurza ręce w małym, wydrążonym naczyniu i pije. Niestety, siły napięcia powierzchniowego spowodowały by, że po zanurzeniu wyjąłby ręce powleczone wodą o objętości porównywalnej do jego głowy. owy Jeśli przyłożyłby usta do tej kropli, napięcie powierzchniowe spowodowało by połknięcie kropli, nawet jeśli by tego nie chciał! Ale byłby bardzo silny! Ze względu na zmniejszenie jego siła wzrosła by około 70 razy. Siła mięśni jest proporcjonalna do ich przekroju, a masa do objętości. Przekrój zmniejszył się 70⋅70 a masa 70⋅70⋅70 razy. Stąd większa siła. Zdolność zwierząt do „generowania” siły z własnego ciała skaluje się mniej więcej jak 1/długość, co tłumaczy dlaczego mrówka bez trudu podnosić przedmioty o wadze 50 razy większej niż jej własna waga. Mężczyzna rozgrywa podczas filmu krwawą walkę z pająkiem - walka jest jednak nierzeczywista. Tak więc w rzeczywistości… biedny pająk… W innym filmie o zmniejszaniu mali ludzie męczą się aby dostać się na meble. A przecież mogliby po prostu … wskoczyć. A co ze schodzeniem? Jeśli obiekt spada, przyspiesza dzięki temu, że na ciało działa siła grawitacji. W drugą stronę działa opór - w pewnym momencie siły te się zrównają. Od tego momentu prędkość jest stała - jest to tzw. prędkość graniczna. graniczna Dla ludzi jest to około 120km/h. Za dużo!!! Opór jest proporcjonalny do przekroju poprzecznego, poprzecznego siła grawitacji oddziałuje na masę, czyli wynikająca z tego siła jest proporcjonalna do masy. Zmniejszanie skali zmniejsza więc prędkość graniczną. Jak to jednak mówią, to nie spadanie rani, ale upadek. Spadający obiekt nabiera energii kinetycznej Ek=1/2mv2. Energia ta uwalnia się po upadku. Tak więc ze względu na prędkość graniczną uwolniona energia po zmniejszeniu jest także mniejsza. W rzeczywistości małe zwierzęta są narażone relatywnie mniejsze uszkodzenia bez względu na wysokość z której spadną: ¾ małpa jest za duża, ¾ wiewiórka jest na granicy, ¾ ale mysz jest raczej zawsze bezpieczna. W innym filmie ekipa lekarzy zostaje zmniejszona i umieszczona w organizmie chorego. Oglądają oni bajeczne krajobrazy wewnątrz ludzkiego organizmu. Jednak… po zmniejszeniu do takiej skali, soczewki ich oczu nie są zdolne do oglądania obrazów, ze względu na długość fali świetlnej. wietlnej Nawet światło ulrtafiloletowe posiada zbyt długą falę. Chyba, że promieniowanie Rentgenowskie? Prawa skalowania a systemy MEMS i NEMS Wykorzystywane ostrożnie, klasyczne modele ciągłe, mogą być częściowo wykorzystane przy projektowaniu i analizie systemów MEMS i NEMS. Można wyprowadzić zasady skalowania dla różnych własności fizycznych struktur systemów: ¾ elektromechanicznych, ¾ elektromagnetycznych, ¾ termicznych. Przeprowadzone analizy prowadzą do wniosków, że zgodnie z zasadami skalowania: skalowania ¾ systemy elektromechaniczne skalują się w sposób prawie doskonały, ¾ systemy termiczne skalują się dobrze, ¾ systemy elektromagnetyczne bardzo źle. Inne zjawiska Prawa skalowania nie rozwiązują wszystkich problemów. W nanoskali dużą rolę odgrywają: ¾ zjawiska kwantowe, ¾ atomowe interakcje zachodzące na powierzchniach stykających się nanostruktur, ¾ ruchy termiczne. Ruchy Browna Ruchy Browna to chaotyczne ruchy cząstek w płynie (cieczy lub gazie), wywołane zderzeniami zawiesiny z cząsteczkami płynu. W 1827 roku brytyjski biolog Robert Brown obserwując przez mikroskop pyłki kwiatowe w zawiesinie wodnej dostrzegł, iż znajdują się one w nieustannym, chaotycznym ruchu. Zjawisko tunelowe zwane też efektem tunelowym - zjawisko kwantowe przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości (wartości energii potencjalnej) większej niż energia cząstki. To zjawisko, charakterystyczne dla mechaniki kwantowej, jest z punktu widzenia fizyki klasycznej paradoksem łamiącym klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii. Pomiędzy elementami przepływają prądy, których nie powinno być w większych tranzystorach – elektroniczna śluza staje się nieszczelna. Wprawdzie są to słabe prądy, ale ich suma z milionów tranzystorów powoduje straty i przegrzewanie się procesora. Ponadto niekontrolowany przepływ ładunków powoduje błędy logiczne, które mogą okazać się fatalne Makro – Mikro - Nano Klasyczne mechanizmy MEMS NEMS Miniaturyzacja ma inżynierski sens!!! ¾ Małe systemy poruszają i zatrzymują się szybciej dzięki małej bezwładności. Są więc idealne dla precyzyjnego ruchu i szybkiej aktuacji. ¾ Miniaturowe systemy doznają mniejszych zniekształceń cieplnych i wibracji mechanicznych ze względu na małą masę. ¾ Miniaturowe urządzenia są szczególnie dobrze dopasowane do zastosowań biologicznych i kosmicznych dzięki swoim małym rozmiarom. ¾ Mniejsze rozmiary systemów oznaczają mniejsze zapotrzebowanie na przestrzeń. Umożliwia to upakowanie większej liczby funkcjonalnych komponentów w jednym urządzeniu. ¾ Mniejsze zapotrzebowanie na materiały oznacza niskie koszty produkcji i transportu. Jak będzie wyglądał Świat gdzieś w okolicy 2020 roku? według Raya Kurzweila Kto to jest Ray Kurzweil? Ray Kurzweil był głównym konstruktorem: 9 pierwszego systemu rozpoznawania znaków, 9 pierwszej maszyny „text-to-speech” dla niewidzących, 9 pierwszego płaskiego skanera CCD, 9 pierwszego syntezera „text-to-speech”, 9 pierwszego komercyjnego systemu rozpoznawania mowy z dużym słownikiem, 9 pierwszego syntezera muzyki umożliwiającego naśladowanie dużego pianina i innych klasycznych instrumentów. Rok 2019 - prognoza Raya Kurzweila komputer o wartości 1.000$ (w dolarach roku 1999) będzie miał możliwości porównywalne ze zdolnością obliczeniową ludzkiego mózgu