1. Charakterystyka systemu mechatronicznego.
Definicja systemu mechatronicznego
Zbiór elementów mechanicznych i elektronicznych powiązanych przez FUNCJE -> STRUKTURĘ -> HIERARCHIĘ
System mechatroniczny rejestruje sygnały (podsystem sensoryczny) następnie przetwarza je (układ sterowniczy) i wydaje sygnały, które przetwarza w siły i ruchy (podsystem wykonawczy), które przez system mechaniczny wpływają na realizowany proces techniczny.
I cecha – pierwszą istotną cechą systemu mechatronicznego jest więc zintegrowanie sensorów z realizowanym przez system procesem. Procesy te, a więc i pobierana przez sensory informacja (dane procesowe), mogą mieć bardzo różną postać fizyczną: mechaniczną, elektryczną, pneumatyczną, hydrauliczną, także optyczną, chemiczną, a nawet biologiczną oraz różny charakter ciągły (analogowy) i nieciągły (przerywany, dyskretny) w czasie. Sensory powinny zapewnić możliwie wierne przetworzenie tej informacji w ujednolicone sygnały elektryczne, akceptowane przez własna (lokalna) sieć linii przesyłowych oraz przez procesor systemu.
Ze względu na cyfrowy sposób przetwarzania tych sygnałów w układzie sterowania ta ujednolicona postacią sygnałów powinna być również postać cyfrowa.
II cecha – Kolejne zadanie systemu mechatronicznego, jakim jest przetwarzanie i interpretowanie zebranych przez sensory informacji procesowych, powinno charakteryzować się trzema głównymi cechami:
- działaniem w czasie rzeczywistym, a więc z możliwie najmniejszymi opóźnieniami pomiędzy zaistnieniem nowej sytuacji procesowej i reakcja na te sytuacje,
- realizacja programowa przetwarzania zapewniającą niematerialna zdolność kształtowania właściwości i zachować systemu mechatronicznego,
- osiągnięciem takiego stopnia inteligencji przetwarzania, który pozwala na przejecie przez system mechatroniczny od jego użytkownika przynajmniej części odpowiedzialności za realizację przewidzianych zadań,
Generalnie wyróżnia się trzy poziomy zadań przewidzianych dla procesora systemu mechatronicznego:
- sterowanie i regulacja wielkości procesowych – jest to tzw. Najniższa lub dolna warstwa działania.
- kontrola wartości granicznych, meldowanie sytuacji awaryjnych, zapewnienie działania lub zatrzymanie pracy systemu w przypadku pojawienia się wybranych uszkodzeń
III cecha – trzecią cechą systemu mechatronicznego jest podobnie jak w przypadku sensorów. Zintegrowanie aktuatorów z realizowanym przez system procesem. Tu także ponowne zbliżenie się do wielkości procesowych skutkuje koniecznością wyboru różnych zasad działania elementów i urządzeń wykonawczych oraz różnych sposobów ich działanie w czasie (działania ciągłe, przerywane itd.). Jednocześnie działania wykonawcze wymagają w zdecydowanej większości procesów:
-wzmocnienia energetycznego sygnałów, a więc podania energii pomocniczej, najczęściej w postaci elektrycznej, pneumatycznej lub hydraulicznej.
- przetworzenia elektrycznych sygnałów cyfrowych procesora na akceptowaną przez dany aktuator postać (analogowa, cyfrowa, binarna) i wielkość fizyczna sygnału (prąd, ciśnienie, przepływ itd.)
- dobrej jakości przetworzenia sygnałów wejściowych aktuatora na sygnał procesowe – może to wymagać potraktowania urządzenia wykonawczego jako cząstkowego systemu (lub podsystemu) mechatronicznego z własnymi sensorami, procesorem i aktuatorami.
System mechatroniczny zbudowany jest z podsystemów:
- podsystem podstawowy mechaniczny
- podsystem wykonawczy aktorów
- podsystem sensoryczny (sensory)
Kanoniczna postać systemu mechatronicznego:
Przykłady:
- hydrauliczny hamulec tarczowy z systemem ABS
- hamulec elektromechaniczny z systemem ABS
Mechatronika jako problem syntezy:
Funkcje systemu mechatronicznego:
Zamierzone działanie, cel; także przeprowadzanie wielkości wejściowych w wyjściowe.
kinematyczne- przygotowanie właściwego aparatu ruchowego, który spełnia wymaganą funkcję. Zadanie to przypada obszarowi kinematyki (mechanika, dynamika maszyn, teoria maszyn i mechanizmów) i zawiera geometryczny opis postawionego problemu.
kinetyczne – uwzględnienie sił i momentów, jakie konieczne są do wykonania postawionego zadania. Problem ten może być rozważany za pomocą równań ruchu.
mechatroniczne – powiązanie sensory ki, algorytmów regulacji i aktoryki, jak również dalszych komponentów. W ten sposób opis funkcjonalny zostaje uzupełniony i skompletowany.
2. Maszyny i podstawowe wiadomości o maszynach i mechanizmach.
przekształca energię ( cieplna, elektryczna -> mechaniczna)
zespół elementów ze sobą powiązanych relacyjnie spełniających określoną funkcję czy zadanie
podział współczesnych maszyn jako systemów maszynowych na energetyczne, robocze, informatyczne i cybernetyczne.
Podział ten został oparty na kryterium realizacji procesów technicznych polegających na transformacji masy, energii i informacji.
3. Urządzenia nastawcze – aktoryka.
Budowa i sposób działania aktorów:
Aktor – urzadzenie nastawcze, jest elektronicznie sterowanym członem wykonawczym. Jest on łącznikiem między urządzeniem przetwarzającym informację (mikroprocesorem) i procesorem, którego parametry trzeba nastawić.
Aktory przetwarzają analogowe lub cyfrowe sygnały urządzeń sterowanych w mechaniczne wielkości wejściowe (drogę, siłę).
4. Układy sensoryczne – sensory.
Sensory – przetwarzają nieelektryczne wielkości wejściowe w elektryczny sygnał wyjściowy.
analogowe – podające wartość absolutną: drogę, kąt obrotu, prędkość
cyfrowe – zbierają impulsy, które mogą być przeliczane na drogę, kąt obrotu, prędkość
Elektronika opracowująca:
- wzmocnienie sygnału
- kompresja wahań punktu zerowego
- filtrowanie zakłóceń
- linearyzacja sygnału pomiarowego
- normowanie sygnału
ADC (Analog – Digital Conventer) – przetwarzanie sygnału analogowego (ciągłego) w dyskretny (cyfrowy) konieczny do dalszej analizy numerycznej.
Krzepkość sensora to odporność na zakłócenia.
Zasady pomiaru wielkości dynamicznych:
- pomiar odkształcenia
- grupa kompensacyjna
- sensory wieloosiowe
Zasady pomiaru wielkości kinematycznych:
- metoda potencjometryczna
- metody indukcyjne
- pozostałe ( sensory pola magnetycznego, sensory pojemnościowe, ultradźwiękowe
Sensory do pomiaru prędkości
- różniczkowanie sygnału drogi lub kąta obrotu
- metody oparte na prawie indukcji
Pomiar przyśpieszeń (akcelerometry)
- metody pośrednie (pomiar drogi, masy sejsmicznej)
- czujniki piezoelektryczne
5. Sygnały.
Podział i charakterystyka:
Sygnał analogowy – sygnał, który może przyjmować dowolną wartość z ciągłego przedziału (nieskończonego lub ograniczonego zakresem zmienności). Jego wartości mogą zostać określone w każdej chwili czasu, dzięki funkcji matematycznej opisującej dany sygnał.
Sygnał cyfrowy – sygnał, którego dziedzina i zbiór wartości są dyskretne. Jego odpowiednikiem o ciągłej dziedzinie i ciągłym zbiorze wartości jest sygnał analogowy.
Dyskretyzacja sygnału - przetwarzanie sygnału ciągłego (analogowego) na sygnał dyskretny (cyfrowy). Sygnał analogowy, będący funkcją ciągłą określonego parametru (np. napięcia, temperatury itp.), najczęściej względem czasu, podlega próbkowaniu, tzn. jego wartość mierzona jest w bardzo krótkich odstępach czasu.