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