ms predavanje2[1]

Dizajn mehatronickih sustava

2009.09.12 14:38Unizg-logo-lat.svg

of 1file:///Users/jmatusko/Documents/Unizg-logo-lat.svg

Jadranko MatuskoFetah Kolonic

Fakultet elektrotehnike i racunarstva

23. listopada 2015

Predavanje:Dizajn mehatronickih sustava

Mehatronicki dizajn - osnovni pojmovi

Definicija

Pod pojmom dizajna podrazumjeva se proces razvoja nekog pro-izvoda ili sustava od nacelne ideje do gotovog proizvoda, zadovo-ljavajuci pritom definirana ogranicenja.


Mehatronicki dizajn - osnovni pojmovi

DefinicijaPod pojmom dizajna podrazumjeva se proces razvoja nekog proizvoda ilisustava od nacelne ideje do gotovog proizvoda, zadovoljavajuci pritomdefinirana ogranicenja.

DIZAJN

J.Matusko & F.Kolonic Mehatronicki sustavi Ak. godina 2013/2014 2 of 19J.Matusko & F.Kolonic Mehatronicki sustavi Ak. godina 2014/2015 2 of 18


Dizajn mehatronickih sustavaDizajn je danas primarno uvjetovan:

• brzim promjenama u tehnologiji,• konkurencijom na trzistu.

Stoga dobri inzenjeri trebaju:

• cjelozivotno ucenje,• iskustvo sa multidisciplinarnim projektima,• koristenje vrhunskog dizajna i vjestina vodenja projekta koje su

koristile vodece svjetske kompanije.

Dobri dizajneri uvijek koriste dokazane procese dizajna:

• s opravdanjem u pogledu izbora,• s prikladnim preporukama u odnosu na izvorni materijal.

J.Matusko & F.Kolonic Mehatronicki sustavi Ak. godina 2014/2015 3 of 18


Karakteristike dobrog dizajnaPet karakteristika se koristi za evaluaciju (ocjenjivanje) performansiprojekta razvoja proizvoda:

• Kvalitet proizvoda: koliko dobar proizvod je dobiven izrazvojnih napora?

• Proizvodni troskovi: koliki su troskovi proizvodnje proizvoda?• Vrijeme razvoja: kako brzo razvojni tim moze dovrsiti razvoj

proizvoda?• Razvojni troskovi: koliko novca kompanija mora potrositi na

razvoj proizvoda?• Razvojne mogucnosti: moze li razvojni tim i kompanija razviti

buduce, kvalitetnije proizvode na temelju njihovog iskustvakojeg su stekli proizvodeci raniji proizvod?



Funkcije mehatronickih sustava

Raspodjeljenost mehanickih i elektronickih funkcija• Decentralizirani elektricki pogoni sa mikroracunalnim upravljanjem

(viseosni sustavi, automatski prijenosnici, itd.).• Lagane konstrukcije: elektronicko prigusenje (pogon niza povezanih

vozila, elasticni roboti, itd.).• Linearizacija vladanja nelinearnih mehanizama koristenjem povratne

veze (hidraulicki i pneumatski aktuatori, ventili, itd.).• Adaptacije operatora kroz programibilne karakteristike (papucica

gasa, manipulatori, itd.).



Funkcije mehatronickih sustavaRadne karakteristike – proces prilagodavanja vladanja koristenjemsustava upravljanja s povratnom vezom

• Povecanje mehanicke preciznosti uvodenjem povratne veze.• Adaptivna kompenzacija trenja.• Modelsko i adaptivno upravljanje: omogucuje sirok opseg

operacija (upravljanje protokom, silom i brzinom, motori,vozila, letjelice, itd.).

• Visoke upravljacke performanse zbog bliskosti postavne(referentne) velicine sa ogranicenjima (motori, turbine, strojeviza proizvodnju papira, itd.).



Funkcije mehatronickih sustava

Nove funkcije – ove funkcije ne bi bile moguce bez ugradbenih (engl.embedded) racunala

• Upravljanje nemjerljivim varijablama(klizanje kotaca,unutarnje naprezanje ili temperatura, parametri prigusenja, kuti brzina proklizavanja vozila, itd.).

• Napredni nadzor i dijagnostika kvara.• Na kvarove otporni sustavi sa sklopovskom i analitickom

redudancijom.• Funkcije pruzanja daljinskih usluga za potrebe nadzora,

odrzavanja, popravka, itd.• Fleksibilna adaptacija za mijenjanje granicnih uvjeta.• Programirljive funkcije omogucuju promjene tijekom dizajna,

te nakon prodaje proizvoda.



Integracija u mehatronickim sustavima

Sklopovska integracija

• Integracija komponenti (sklopovska integracija) rezultirasklopovskim dizajnom cjelokupnog mehatronickog sustava iugradnjom senzora, aktuatora i mikroracunara u mehanickiproces.

• Prostorna integracija je odredena sa procesom, senzorima iaktuatorima.

• Integracijom mikroracunala i senzora dobivaju se inteligentni(smart) senzori, a integracijom mikroracunala i aktuatorainteligentni (smart) aktuatori.



Integracija u mehatronickim sustavimaIntegracija na razini obradbe informacija (programska integracija)

• Osim standardnog unaprijednog upravljanja i upravljanja upovratnoj vezi (niza razina obrade signala), dodatna obradbasignala se zahtijeva u procesima temeljenim na znanju i on- lineprocesiranju informacija (vise razine obradbe signala).

• On-line obradba podataka ukljucuje rjesavanje problema tipanadzora sa dijagnostikom kvarova, optimizacije i rukovanjaprocesom.

• Procesi svojstveni bazi znanja su: napredna obradbainformacija, metode dizajna, matematicke modele procesa ikriterije kakvoce.

• Na temelju ovih procesa se omogucuje ukljucivanje znanja uelektronicke i mehanicke komponente koristenjem programskepodrske.



Integracija u mehatronickim sustavima

Aktuator Proces SenzorMikrora�unalo

Matemati�ki modeli procesa

Nadzor, Dijagnostika

Adaptacija, optimizacija

Upravljanje s povratnom vezom,

predupravljanje

Identifikacija, estimacija stanja

Pokazatelji kvalitete, kriteriji optimalnosti

Metode sinteze:Sustava upravljanja;Nadzora;Optimizacije;

Baza znanja

On-line obradba informacija

Integracija na sklopovskoj razini

Integracija na razini obradbe informacija



Tradicionalni pristup dizajnu

• Koraci prilikom dizajnaobavljaju se slijedno;

• Optimalnost dizajna zapojedine korake ne znacioptimalnost konacnogproizvoda ili sustava;

• Ako konacni dizajn nijezadovoljavajuci cijeli sepostupak ponavlja;

• Vremenski i financijskizahtjevan postupak;

Mehani!ki dizajn

Dizajn sustava upravljanja

Projektni zahtjevi

Zadovoljeni zahtjevi?

NE

DA



Mehatronicki pristup dizajnu

• Osnovna je ideja mehatronickog pristupa da se provjeradizajna objekta upravljanja obavlja u sto ranijim fazamarazvoja mehatronickog sustava.

• Obicno se najprije projektira pojednostavljeni objektupravljanja koji obuhvaca samo njegova bitna svojstva te se zanjega projektira sustav upravljanja.

• Postupno se pristupa detaljnijoj razradi pojedinih komponenti.

Mehani!ki dizajn

Dizajn sustava upravljanja

Projektni zahtjevi



Bottom-Up pristup dizajnu

PODMODUL 1PODMODUL 1PODMODUL 1

PODMODUL 1PODMODUL 1MODUL 1

SUSTAVSPECIFIKACIJA

VRIJEME

RAZI

NA A

PSTR

AKCI

JE

?



Bottom-to-up pristup dizajnu

• Predstavlja klasicni postupak razvoja elektronickih i mehanickihkomponenti.

• Polazisna je tocka u ovoj vrsti dizajna specifikacija, koja se obicnoiskazuje rijecima prirodnog jezika.

• Osnovne komponente, tranzistori, otpornici, kondenzatori, opruge,mase, zglobovi, itd, se sukcesivno dodaju i kombiniraju kako bi serazvili slozeniji sustavi, dok se ne kompletira proces dizajna.

• Ovo se obavlja na strukturalnoj razini, gdje se podmoduli kombinirajuu kreiranju modula, pri cemu se posebna pozornost posvecujepovezivanju ovih podmodula.

• Osnovni je nedostatak ovog pristupa to sto sustav moze biti simuliransamo kada je u cijelosti implementiran.

• Zbog toga pogreske i nedostaci u dizajnu sustava nisu primjetni dokasnijih stadija, sto moze uzrokovati znacajne troskove i kasnjenja urazvoju.



Up-Bottom pristup dizajnu

PODMODUL 1PODMODUL 1PODMODUL 1

PODMODUL 1PODMODUL 1MODUL 1

SUSTAVSPECIFIKACIJA

VRIJEME

RAZI

NA A

PSTR

AKCI

JE



Up-to-Bottom dizajn

• Pogreske i nedostaci u dizajnu se otkrivaju ranije (u ranim fazama),nasuprot pristupu Bottom-to-Up.

• Implementabilni dio specifikacija se moze vrednovati koristenjemsimulacija.

• Implementabilni dio specifikacija je raspoloziv, jednako kao i preciznodefinirane referentne velicine za verifikaciju dizajna.

• Funkcionalni dio specifikacija je nedvosmislen i cjelovit (suprotnospecifikacijama prirodnog jezika). U slucaju sumnje, pokrece sesimulacija.

• Implementabilne specifikacije i modeli pojedinacnih stadija dizajnaznaci da je cjelokupna dokumentacija dostupna, koji medutim ostajeda bude nadopunjen sa razumljivim komentarima.



V shema mehatronickog dizajna

Zahtjevi- globalne funkcije- procjenjene vrijednosti- Troškovi

Specifikacije- ispunjenje zahtjeva- izvori, ograničenja- pouzdanost, sigurnost

Dizajn sustava- dekompozicija sustava- moduli- sinergijski efekti

Modeliranje i simuliranje- modeli komponenti- analiza vladanja- zahtjevi na komponente

Dizajn komponenti (u specifičnim domenama)

Prototipovi- laboratorijska rješenja- modifikacija postojećih rješenja - računalni prototipovi

Mehatroničke komponente- mehanika- elektronika- računalno upravljanje - HMI

Testiranje/podešavanje komponenti- Sklopovlje u simulacijskoj petlji (HIL)- analiza naprezanja

Sklopovska integracija sustava- ugradnja- međusobno usklađivanje- optimizacija- sinergijski efekti

Programska integracija sustava- analiza signala- filtriranje- podešavanje algoritama

Testiranje sustava- testiranje opreme- testiranje vladanja- pouzdanost i sigurnost

Terenska testiranja- konačni proizvod- normalna uporaba- statistika i certifikacija

Proizvodnja- simultano planiranje- tehnologije- montaža i kontrola kvalitete

INTE

GRA

CIJA

SUS

TAVADIZAJN SUSTAVA

VREDNOVANJE

VERIFIKACIJA



Testiranje mehatronickog dizajna

• Vrednovanje,• Verifikacija.

Verifikacija daje odgovor na pitanje: “Je li proizvod ispravnoizgraden?” Potrebno je provjeriti da li proizvod zadovoljava svojespecifikacije.

Vrednovanje daje odgovor na pitanje: “Je li izgraden ispravanproizvod?” Potrebno je provjeriti da li sustav radi ono sto korisnikod njega ocekuje.

Osnovni ciljevi upotrebe vrednovanja i verifikacije su:• Otkrivanje defekata u sustavu,• Ocjenjivanje je li sustav upotrebljiv i koristan unutar radnih uvjeta.
