MODELOWANIE I SYMULACJA W MECHATRONICE
Transkrypt
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