Modelarea sistemelor cu aplicatii in mecatronica

Pentru cartea „Modelarea sistemelor cu aplicatii in mecatronica”, Prof. univ. dr. ing. Ioana Armas a fost distinsa de catre Academia de Stiinte Tehnice din Romania cu premiul A.S.T.R. 2022 „Gheorghe Manea”

CUVANT INAINTE

Proiectarea si dezvoltarea sistemelor mecatronice presupune considerarea legitatilor specifice domeniilor fizice integrate (i.e., electric – electronic, mecanic, hidraulic, termic etc.) prin prisma nivelurilor de realitate asociate, in vederea realizarii unui comportament global de actiune, comanda si control predictibil si consistent cu obiectivele urmarite si cu mediul de lucru.

In acest cadru, modelarea prin metodele analogiilor si grafurilor bond incapsuleaza aspectele de cunoastere corespunzatoare legitatilor fizice si ofera un context unificat pentru eterogenitatea si complexitatea caracteristice mecatronicii.

Din aceasta perspectiva, cauzalitatea devine principiul fundamental al reprezentarii proceselor, conducand la dezvoltarea de diagrame bloc si grafuri de interactiune si de legatura ca baza de dezvoltare a cadrului computational al ecuatiilor diferentiale ca ecuatii care descriu, respectiv guverneaza sistemele/procesele.

Astfel, modelarea prin metoda analogiilor ofera posibilitatea de a determina operatorul si functia de transfer a structurii omogene sau eterogene studiate, in vederea simularii ulterioare sau a dezvoltarii sistemului de control asociat.

In acest sens este evidentiata paradigma controlului si a arhitecturilor corespunzatoare, cu extindere asupra controlului proceselor cuantice.

De asemenea, utilizarea metodelor de modelare prin grafuri bond, in contextul mecatronic, permite dezvoltarea ecuatiilor de stare ale sistemului/procesului, precum si a lumilor virtuale computationale interne care, implementate la nivelul dimensiunii software, determina capabilitati functionale suplimentare.

Prin aspectele teoretice si aplicative tratate privind modelarea, lucrarea se adreseaza specialistilor din domeniul mecatronicii si automaticii, mediilor de proiectare, simulare si testare a sistemelor mecatronice si a celor tehnice in general, precum si mediului universitar tehnic si tehnologic.

CUPRINS

Contents XI

1. Modelarea matematica si simularea sistemelor 1
1.1. Cauzalitatea – element de cunoastere in modelare2
1.2. Modelare, lumi virtuale si simulare 5

2. Sisteme si cauzalitati mecatronice 7
2.1. Sisteme mecatronice 7
2.2. Cauzalitati in mecatronica 9

3. Modelarea cauzala prin diagrame bloc 13
3.1. Operatori de transfer 14
3.2. Generarea operatorilor de transfer 15
3.3. Generarea operatorilor de transfer prin transformarea Fourier 19
3.4. Generarea operatorilor de transfer prin transformarea Laplace 24
3.5. Generarea operatorilor de transfer prin operatori diferentiali 29

4. Interconectarea diagramelor bloc. Paradigma controlului 37
4.1. Interconectari fundamentale. Operatorul global de transfer 38
4.2. Paradigma controlului proceselor/sistemelor. Controlul cuantic 70
4.3. Controlul proceselor cuantice 74

5. Modelarea orientata pe operatori de transfer prin metoda analogiilor 81
5.1. Diagrame de impedanta si cauzalitati 81
5.2. Identificarea operatorului de transfer si a ecuatiei cauzale a procesului/sistemului 87
5.3. Scheme generale de aplicabilitate a metodei analogiilor 90
5.4. Transformarea marimilor in contextul metodei analogiilor 102

6. Modelarea prin metoda analogiilor a sistemelor electrice – electronice 105
6.1. Stabilirea impedantelor in domeniul electric – electronic 105
6.2. Modelarea prin metoda analogiilor a unui circuit RC 107
6.3. Modelarea prin metoda analogiilor a retelei Wiener 112
6.4. Modelarea prin metoda analogiilor a unui sistem neural artificial individual 116

7. Modelarea prin metoda analogiilor a sistemelor mecanice 121
7.1. Stabilirea impedantelor pentru procesele/sistemele mecanice de translatie 121
7.2. Stabilirea impedantelor pentru procesele/sistemele mecanice de rotatie 126
7.3. Dezvoltarea circuitelor mecanice 130

8. Aplicarea metodei analogiilor in modelarea structurilor de actiune ale sistemelor mecatronice 133
8.1. Modelarea prin metoda analogiilor a unei structuri de translatie cu miscare ascendenta 133
8.2. Modelarea prin metoda analogiilor a unei structuri de actiune de rotatie 144

9. Modelarea prin metoda analogiilor a unei configuratii de lucru pentru robotul biped 153
9.1. Circuitul mecanic al structurii de translatie a robotului biped 153
9.2. Dezvoltarea diagramei de impedante a structurii de translatie a robotului biped 158
9.3. Dezvoltarea diagramei bloc a structurii de translatie a robotului biped si ecuatiile asociate 167
9.4. Ecuatiile care guverneaza sistemul de translatie al robotului biped 190
9.5. Determinarea deplasarilor elementelor constitutive ale robotului biped 192

10. Modelare prin grafuri bond 199
10.1. Variabile in dezvoltarea grafurilor bond 200
10.2. Tipuri de componente in modelarea prin grafuri bond 201
10.2.1. Componente cu un singur port 202
10.2.2. Componente de transformare cu doua porturi 203
10.2.3. Componente de interconectare 206
10.3. Cauzalitati si diagrame bloc asociate 210

11. Dezvoltarea diagramelor bloc asociate grafurilor bond. Determinarea ecuatiilor caracteristice 223
11.1. Diagrama bloc asociata grafului bond al unui sistem electric 224
11.2. Diagrama bloc asociata grafului bond al unui sistem mecanic si operatorii de transfer 227
11.3. Determinarea ecuatiilor caracteristice ale proceselor/sistemelor pe baza grafurilor bond 234
11.4. Determinarea ecuatiilor caracteristice pentru grafurile bond cu cauzalitate integrala 236
11.4.1. Ecuatiile de stare ale unui sistem electric 236
11.4.2. Ecuatiile de stare ale unui sistem mecanic 237
11.5. Determinarea ecuatiilor caracteristice pentru grafuri bond cu cauzalitati derivative 239

12. Dezvoltarea grafurilor bond in modelarea proceselor/sistemelor 243
12.1. Dezvoltarea grafurilor bond pentru reprezentarile de tip circuit ale sistemelor 244
12.1.1. Dezvoltarea grafurilor bond pentru circuite asociate sistemelor mecanice 245
12.1.1.1. Graful bond pentru circuitul mecanic asociat unei structuri de actiune de translatie 246
12.1.1.2. Graful bond pentru circuitul mecanic asociat unei structuri de actiune de rotatie 250
12.1.2. Dezvoltarea grafurilor bond pentru structurile de transfer de substanta si de transfer termic 252
12.2. Dezvoltarea grafurilor bond pentru sistemele electrice-electronice 257
12.2.1. Graful bond al unei retele de compensare 257
12.2.2. Graful bond pentru un filtru pasiv 260
12.2.3. Dezvoltarea grafurilor bond pentru diverse circuite electrice 261
12.3. Dezvoltarea grafurilor bond pentru sistemele mecanice 268
12.3.1. Grafuri bond pentru structuri mecanice de translatie in sistemele mecatronice 269
12.3.1.1. Structura de translatie localizata in camp gravitational 269
12.3.1.2. Structura de translatie nelocalizata in camp gravitational 273
12.3.2. Grafuri bond pentru structuri mecanice de rotatie in sistemele mecatronice 278
12.3.2.1. Structura de rotatie cu un moment extern 278
12.3.2.2. Structura de rotatie multipla 280
12.3.2.3. Structura de rotatie cu transformare 282
12.4. Baze de date bond ale sistemelor mecanice 284

13. Cadru de modelare prin graf bond a unei structuri de actiune interconectate cu miscari de translatie in plan 285
13.1. Dezvoltarea modelului prin graf bond pe axa O0x0 286
13.2. Dezvoltarea modelului prin graf bond pe axa O0y0 290
13.3. Dezvoltarea grafurilor bond in conditiile decuplarii dimensiunilor structurii de actiune 294

14. Cadru de modelare prin graf bond a unei structuri de actiune cu reconfigurare 297
14.1. Dezvoltarea modelului prin graf bond pentru configuratia de lucru incadrata spatial 297
14.2. Dezvoltarea modelului prin graf bond pentru configuratia de lucru neincadrata spatial si cu ramificare 304

15. Modelarea prin graf bond a unei structuri de actiune cu miscare plana 313

16. Cadru de modelare prin graf bond a structurilor de actiune liniare interconectate 321
16.1. Dezvoltarea cadrului de modelare prin graf bond pentru constante de interconectare longitudinala si transversala egale 321
16.2. Dezvoltarea cadrului de modelare prin graf bond pentru constante de interconectare longitudinala si transversala diferite 326

17. Cadru de modelare prin graf bond a unei structuri de actiune interconectata planar cu deplasari transversale 331

18. Modelarea prin graf bond a unei configuratii de solicitare torsionala a robotului biped 345

Bibliografie 367

DESPRE AUTOARE

Prof. univ. dr. ing. Ioana Armas, absolventa a Universitatii Politehnica din Bucuresti, Facultatea de Mecanica, sectia de Mecanica fina. Doctor in stiinte tehnice, specialitatea Fiabilitate, cu teza „Fiabilitatea sistemelor mecatronice”. Este cadru didactic la Facultatea de Electronica, Automatica si Informatica Aplicata a Universitatii Hyperion din Bucuresti.

Principalele domenii de cercetare, in care a publicat numeroase carti, articole si comunicari stiintifice la conferinte nationale si internationale, sunt: fiabilitatea, mecatronica si robotica.