Mehatronika

Mehatronika

Dizajn mehatroničkih sistema

1

Sa držaj predavanja 1) 2) Dizajn mehatroničkih sistema Proces dizajna mehatroničkih sistema 3) V proces dizajna mehatroničkih sistema 4) Fizički dizajn mehatroničkih sistema 5) Primer dizajna automobila 6) Dizajn ECU za upravljanje vozilom 7) Elektronika za sigurnost i komfor u vožnji 2

Dizajn mehatroničkih sistema Šta je dobar dizajn?

3

Dizajn mehatroničkih sistema

■

Dizajn je danas dominantno uslovljen:

■ ■

- brzim (rapidnim) promenama u tehnologiji, - svetskom konkurencijom.

Stoga dobri inženjeri trebaju: doživotno učenje, - iskustvo na multidisciplinarnim projektima, korišćenje vrhunskog dizajna i veština vođenja projekata koji su koristile vodeće svetske kompanije.

■ ■

Dobri dizajneri uvek koriste dokazane procese dizajna sa opravdanjem u pogledu izbora, sa prikladnim preporukama u odnosu na izvorni materijal.

4

Dizajn mehatroničkih sistema

■

Proces dizajna je jednako važan kao što su ideje i analiza.

5

Dizajn mehatroničkih sistema

■

Ekonomija i inženjering dizajna 6

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Aktivnosti u ciklusu dizajna mehatroničkih sistema

■ Prepoznavanje potreba ■ Konceptualni dizajn.

■ Matematičko modeliranje.

■ Izbor senzora i aktuatora.

■ Detaljno matematičko modeliranje.

■ Dizajn sistema upravljanja.

■ Optimizacija dizajna.

■ Hardverski prototip i simulacija.

■ Razvoj ugradivog softvera.

■ Ciklus celoživotne optimizacije.

7

Proces dizajna mehatroničkih sistema 8

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Karakteristike dobrog dizajna

■ Pet karakteristika se koristi za evaluaciju (ocenjivanje) performansi projekta razvoja proizvoda:

■ ■ ■ ■ ■ Kvalitet proizvoda

: koliko dobar proizvod je dobijen iz razvojnih napora?

Proizvodni troškovi

: koliki su troškovi proizvodnje

proizvoda?

Vreme razvoja

: koliko brzo razvojni tim može

kompletirati razvoj proizvoda?

Razvojni troškovi

: koliko novca kompanija mora potrošiti na razvoj proizvoda?

Razvojne mogućnosti

: da li su razvojni tim i kompanija u mogućnosti razviti buduće, kvalitetnije 9

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Validacija i verifikacija ■

Dva ključna elementa u testiranju dizajna mehatroničkih sistema:

■

Validacija specifikacija, ■ Verifikacija dizajna.

■ Verifikacija daje odgovor na pitanje: “Da li je proizvod ispravno izgrađen?” ■

Potrebno je proveriti da li proizvod zadovoljava svoje specifikacije.

■ ■

Validaci

j

a da

j

e od

g

ovor na pitan

j

e:

“Da li je izgrađen ispravan proizvod?”

Potrebno je proveriti da li sistem radi ono šta korisnik od njega očekuje.

10

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Mesto verifikacije i validacije u dizajnu sistema

11

Proces dizajna mehatroničkih sistema

■

Podela procesa dizajna s obzirom na smer toka odvijanja dizajna:

■

Odozgo prema dole (top-down),

■

Odozdo

p

rema

g

ore

(

bootom-u

p)

.

12

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Proces dizajna “odozdo prema gore”

■ Predstavlja klasičnu metodu razvoja elektroničkih i mehaničkih komponenti.

■ Početna tačka u ovoj vrsti dizajna je specifikacija koja se obično iskazuje rečima prirodnog jezika.

■ Osnovne komponente, tranzistori, otpornici, kondenzatori, opruge, mase, zglobovi, itd, se sukcesivno dodaju i kombiniraju ka ■ Ovo se obavlja na strukturnom nivou, gde se podmoduli kombiniraju u kreiranju modula, pri čemu se posebna pažnja posvećuje povezivanju ovih podmodula.

■ Ovaj dizajn se može obaviti korištenjem editora krugova (circuit editor) ili prikladnih alata za više 13

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Proces dizajna “odozdo prema gore”

Vreme 14

■ Proces dizajna mehatroničkih sistema

Proces dizajna “odozdo prema gore”

■ Osnovna prednost procesa dizajna “odozdo prema gore” je da se uticaj “neidealne” implementacije može uzeti u obzir u rano Kod elektronskih komponenti nezaobilazne su parazitne otpornosti, kapacitivnosti i induktivnosti.

■ U polju mehanike, neizbežni su npr. efekti trenja.

■ Međutim, jedan problematičan aspekt se pojavljuje: specifikacije za dizajn, nakon što imamo diverziju (odbacivanje) od stran ■ Ovo je rezultat struktuirano-orijentisano g procesa modeliranja, sistem može biti simuliran samo kada je u celosti implementiran.

■ Zbog toga greške i nedostaci u dizajnu sistema nisu primetni do kasnijih stadija, što može uzrokovati značajne troškove i ka 15

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Proces dizajna “odozgo prema dole”

Vreme 16

Proces dizajna mehatroničkih sistema

Proces dizajna “odozgo prema dole”

■ ■ Sekvenca ovog dizajna ima sledeće prednosti: G reške i nedostaci u dizajnu se otkrivaju ranije (u ranim fazama), nasuprot pristupu dizajna “odozdo prema gore”.

■ Implementabilni de o specifikacija se može validovati korištenjem simulacija.

■ Implementabilni de o specifikacija je raspoloživ, jednako kao i precizno defini ■ Funkcionalni de o specifikacija je nedvosmislen i celovit (suprotno specifikacijama prirodnog jezika). U slučaju sumnje, pokreće se simulacij ■ Implementabilne specifikacije i modeli pojedinačnih faza dizajna znače da je celokupna dokumentacija dostupna 17

Proces dizajna mehatroničkih sistema ■

P roces dizajna “odozgo prema dole”

Glavni nedostatak implementabilnih specifikacija je da neki tehnički detalji mogu biti izraženi na jednostavan, više kompakt ■ Problem je u formalno korektnom opisu željene semantike, što uzrokuje dodatne troškove u vezi specifikacija.

■ I na kraju problemi fizičke realizacije, kao što su prekomerno vremensko kašnjenje se prepoznaje tek u kasnijim 18

V proces dizajna mehatroničkih sistema 19

V proces dizajna mehatroničkih sistema

V proces dizajna softvera

20

V proces dizajna mehatroničkih sistema

Saveti za dobar dizajn elektroničkih komponenti

■ Verifikacija performansi svake komponente nezavisno, pre procesa integracije.

■ Korištenje specifikacijskih listova za postizanje pouzdanih performansi.

■ Opsežno merenje veličina el. kola pomoću voltmetera i osciloskopa.

■ Voditi računa o dizajnu u smislu robusnosti, tako da el. kola rade dobro, čak i unutar promena temperature i performansi komponenti.

■ Razumevanje temeljnih fizikalnih osobina svake komponente, kako bi se najbolje razumele njihove prednosti i ograničenja.

21

Fizički dizajn mehatroničkih sistema

Fizički dizajn obuhvata:

- Modeliranje sistema, - Dizajn sistema, Dizajn mehaničkih komponenti, - Dizajn elektronskih komponenti, - Dizajn softvera, Integracija (montaža) sistema, Analiza materijalnih troškova.

22

Primer dizajna automobila • Mala složenost.

• Omogućuje jasan fokus na tok dizajna.

• Korisno za edukaciju u dizajnu digitalnih sistema i simulacijama.

23

Primer dizajna automobila 24

V-dizajn

Primer dizajna automobila 25

Primer dizajna automobila

Dizajn sistema Zahtevi na proizvod

• Razvoj automatizovane upravljačke jedinice za transmisiju.

• Određivanje tačnog prenosa na temelju brzine vozila i papučice gasa.

26

Primer dizajna automobila

Dizajn sistema Koncept

• Vremenski kontinuirani model vozila.

• Gear shift algorithm implementiran sa dva FSM-a (Finite State Machines).

• Tačke prebacivanja u drugu brzinu su uzete sa grafa i postavljene unutar dve look • Verifikacija koncepta korištenjem kombinacije Simulink-a i Stateflow-a.

27

Primer dizajna automobila

Implementacija i verifikacija

• Donošenje odluke o izboru platforme.

• Transfer dizajna u odgovarajuću implementaciju ili opisni jezik.

• Verifikacija funkcionalnog dizajna (kosimulacija).

28

Primer dizajna automobila

Implementacija i verifikacija

Hardver ili softver?

• Softverski zasnovan target (DSP, Microcontroller,…): • ANSI C/C++, • ASEMBLER, • ADA, •… • Hardverski zasnovan target (FPGA, CPLD,…): • VHDL, • Verilog, • Abel, •… 29

Primer dizajna automobila

Razvoj prototipa

Bitne funkcije ove faze su: • Preslikavanje funkcija dizajna na željenu hardversku platformu.

• Verifikacija korišćenjem hardvera u simulacijskoj petlji 30

Dizajn ECU za upravljanje vozilom 31

Elektronika za sigurnost i komfor u vožnji 32