Într-un adevărat sens mecatronic, proiectarea unui sistem multicomponent cu mai multe domenii va necesita considerarea simultană și proiectarea integrată a tuturor componentelor sale, așa cum este indicat în figura 1.4. Un astfel de proiect integrat și „concomitent” va necesita o nouă privire asupra procesului de proiectare în sine și, de asemenea, o examinare formală a informațiilor și a transferului de energie între componentele din sistem.

Într-un sistem electromecanic, există o interacțiune (sau cuplare) între dinamica electrică și dinamica mecanică. Concret, dinamica electrică afectează dinamica mecanică și invers. În mod tradițional, o abordare „secvențială” a fost adoptată la proiectarea sistemelor cu mai multe domenii (sau mixte), cum ar fi sistemele electromecanice. De ex., mai întâi sunt proiectate componentele mecanice și structurale, apoi componentele electrice și electronice sunt selectate sau dezvoltate și interconectate, apoi un computer este selectat și interfațat cu sistemul, ulterior se adaugă un controler, etc. Cuplarea dinamică între diversele componente ale unui sistem dictează, totuși, că o proiectare exactă a sistemului ar trebui să ia în considerare întregul sistem, în loc să proiecteze aspectele electrice/ electronice și aspectele mecanice separat și secvențial. Când componentele proiectate independent sunt interconectate, pot apărea mai multe probleme după cum urmează:

1. Când două componente proiectate independent sunt interconectate, caracteristicile originale și condițiile de operare ale celor două se vor schimba din cauza încărcării sau a interacțiunilor dinamice (vezi Capitolul 4).

2. O potrivire perfectă a două componente proiectate și dezvoltate independent va fi practic imposibilă. Drept urmare, o componentă poate fi considerabil subfolosită sau supraîncărcată, în sistemul interconectat, ambele condiții fiind ineficace și nedorite.

3. Unele dintre variabilele externe ale componentelor vor deveni interne și „ascunse” datorită interconectării, ceea ce poate duce la probleme potențiale care nu pot fi monitorizate explicit prin detectare și nu pot fi controlate direct.

Necesitatea unui proiect integrat și concomitent pentru sisteme electromecanice poate fi identificată ca o motivație primară pentru evoluțiile din domeniul mecatronicii.

1.4.1 Proiect cuplat

Un proiect necuplat este acela în care fiecare subsistem este proiectat separat (și secvențial), păstrând constante interacțiunile cu celelalte subsisteme (adică ignorând interacțiunile dinamice). Proiectarea mecatronică implică un proiect integrat sau „cuplat”. Conceptul de proiectare mecatronică poate fi ilustrat folosind un exemplu de sistem electromecanic, care poate fi tratat ca o cuplare a unui subsistem electric și a unui subsistem mecanic. Un model adecvat pentru sistem este prezentat în figura 1.6a. Rețineți că cele două subsisteme sunt cuplate folosind un transformator de energie (pur) fără pierderi, în timp ce pierderile (disiparea energiei) sunt integrate cu subsistemele. În acest sistem, presupunem că în condiții normale de funcționare, fluxul de energie este de la subsistem electric la subsistem mecanic (adică, subsistemul electric se comportă mai degrabă ca un motor decât ca un generator). La portul electric care se conectează la transformatorul de energie, există un curent i (o variabilă „prin”) care curge în interior și o tensiune v (o variabilă „peste”) cu polaritatea afișată (conceptele de variabile prin și peste și terminologia aferentă este explicată în capitolul 3). Produsul vi este energia electrică, care este pozitivă la ieșirea din subsistemul electric și în transformator. În mod similar, la portul mecanic produsul vi este energia electrică, care este pozitivă din subsistemul electric și în transformator. În mod similar, la portul mecanic care iese din transformatorul de energie, există un cuplu τ (o variabilă prin) și o viteză unghiulară ω (o variabilă peste) cu convenția de semn indicată în figura 1.6a. În consecință, o putere mecanică pozitivă ωτ curge din transformator și în subsistemul mecanic. Transformatorul ideal presupune că

vi = ωτ (1.1)

FIGURA 1.6 (a) Un sistem electromecanic; (b) proiectarea convențională

Într-o proiectare convențională necuplată a sistemului, subsistemul electric este proiectat prin tratarea efectelor subsistemului mecanic ca o sarcină fixă, iar subsistemul mecanic este proiectat prin tratarea subsistemului electric ca sursă de energie fixă, așa cum este indicat în figura 1.6b. Să presupunem că, în acest mod, subsistemul electric realizează un „indice de proiectare” optim de I_ue și subsistemul mecanic atinge un indice de proiectare optim de I_um.

Notă: Indicele de proiectare este o măsură a gradului în care proiectul particular satisface specificațiile de proiectare (obiectivele de proiectare).

Când cele două proiecte (subsisteme) neconectate sunt interconectate, vor exista interacțiuni dinamice. Drept urmare, nici obiectivele de proiectare electrică, nici obiectivele de proiectare mecanică nu vor fi satisfăcute la nivelurile dictate de I_ue și respectiv I_um. În schimb, aceștia vor fi satisfăcuți la niveluri inferioare, așa cum sunt date de indicii de proiectare Ie și Im. Un proiect cu adevărat mecatronic va încerca să aducă Ie și Im cât mai aproape de I_ue și respectiv de I_um. Acest lucru poate fi obținut, de exemplu, prin reducerea la minimum a funcției de costuri pătratice:

unde

D denotă transformarea care reprezintă procesul de proiectare
p denotă informații incluzând parametrii sistemului care sunt disponibili pentru proiectare

Chiar dacă această formulare a problemei de proiect mecatronic pare destul de simplă și directă, realitatea este altfel. În particular, procesul de proiectare, așa cum se notează prin transformarea D, poate fi destul de complex și, de obicei, neanalitic. Mai mult decât atât, minimalizarea funcției de cost J este în general o schemă practică iterativă și, fără îndoială, o procedură bazată pe cunoaștere și neanalitică. Acest lucru complică procesul de proiectare mecatronică. În orice caz, procesul de proiectare va avea nevoie de informațiile reprezentate de p.

1.4.2 Coeficientul proiectului mecatronic

Sistemele mecatronice sunt complexe și necesită tehnologii multiple în mai multe domenii. Proiectarea lor optimă poate solicita mai mulți indici de performanță. Problema proiectului mecatronic poate fi tratată ca o maximizare a unui „Coeficient de Proiectare Mecatronic” sau MDQ. În particular, o formulare alternativă a problemei de optimizare dată de (1.2) și (1.3) ar fi maximizarea MDQ:

în conformitate cu (1.3).

Chiar dacă ecuația 1.4 este formulată pentru două categorii de tehnologii sau dispozitive m și e (și indicii corespunzători Ie și Im), MDQ poate fi generalizat pentru trei sau mai multe categorii, cum ar fi: fiabilitate, mentenabilitate, eficiență, rentabilitate, putere și eficiență, dimensiune și geometrie, ușurința controlului și nivel de inteligență. Indicii corespunzători pot fi calitativi sau neanalitici și pot avea corelații sau interacțiuni. Atunci, în procesul de proiectare pot fi utilizate reprezentări mai sofisticate (de exemplu, utilizarea unor măsuri fuzzy) și tehnici de optimizare (de exemplu, calcule evolutive sau programare genetică sau GP).

De exemplu, în utilizarea algoritmilor genetici (GA) pentru proiectarea mecatronică, începem cu un grup (populație) de cromozomi (embrioni) inițiali în care un cromozom individual este un proiect posibil. O genă individuală dintr-un cromozom corespunde unui element de informație dintr-un proiect (de exemplu, componentă a sistemului, structura conexiunii, set de parametri, atribut de proiectare). Alelele sunt valori posibile ale unei gene (de exemplu, alegeri disponibile pentru o componentă particulară). „Funcția fitness” a GA reprezintă „valoarea”, „bunătatea” sau „fitnessul” unui proiect. În contextul actual, funcția de fitness este MDQ, care poate fi calculată pentru un anumit proiect, odată ce informațiile despre element ale proiectului sunt cunoscute. Atunci problema optimizării proiectului devine:

Maximize MDO (p₁, p₂, ...,p_m)

unde, p_i este aspectul proiectului i.

Puterea și aplicabilitatea abordării MDQ provin din posibilitatea ca procesul de proiectare să fie separat ierarhic. Atunci, un MDQ poate fi optimizat pentru un strat de proiectare care implică alte două grupuri de tehnologie din acel strat înainte de a trece la următorul strat de proiectare inferior, unde fiecare grup de tehnologie este optimizat separat, considerând mai multe grupuri de tehnologie/componente din acel grup împreună cu un MDQ adecvat pentru acea problemă de proiectare la nivel inferior. De exemplu, un strat superior poate optimiza tipul de actuator pentru aplicația particulară (de exemplu, hidraulic, cc, inducție, pas cu pas; vezi Capitolul 7) cu un MDQ adecvat. Următorul nivel inferior poate optimiza selectarea motorului (de exemplu, selectați un motor dintr-un set de motoare DC disponibil) cu un alt MDQ.

În acest mod, o optimizare complexă a proiectării poate fi obținută prin mai multe optimizări de proiectare la diferite niveluri de proiectare. Este posibil ca proiectul final să nu fie tocmai optim, dar intuitiv adecvat pentru scopuri practice (proiect conceptual).

1.4.3 Evoluția proiectării

În mod tradițional, monitorizarea online a răspunsurilor/ieșirilor unui sistem poate fi utilizată pentru a detecta și diagnostica erorile și defectele (existente sau iminente) ale unui sistem. Considerăm că o asemenea monitorizare poate fi folosită pentru îmbunătățirea proiectării unui sistem mecatronic existent. În particular, așa cum un sistem de monitorizare a sănătății poate identifica o componentă imperfectă într-un sistem, ar trebui să fie posibil ca pentru același sistem să identifice cel puțin regiunile posibile de slăbiciune în proiectarea sistemului. Aceasta este premisa abordării pentru „evoluția proiectării”, așa cum este prezentată mai jos.

Un model al sistemului existent (al cărui proiect trebuie îmbunătățit) și calculul evolutiv (GP) poate facilita abordarea îmbunătățirii proiectului „evolutiv” prin monitorizarea online. Un cadru posibil pentru implementarea acestei abordări este indicat în figura 1.7.

Etapele relevante sunt următoarele:

1. Dezvoltați un model al sistemului existent.

2. Stabiliți (folosind un sistem de monitorizare a sănătății mașinilor și un sistem expert) care aspecte sau segmente ale sistemului original (și modelul acestuia) pot fi modificate/îmbunătățite folosind informațiile monitorizate din sistem. Acestea vor oferi „site-uri modificabile” pentru sistemul/modelul existent.

FIGURA 1.7 Structura unui sistem de proiectare evolutivă

3. Formulați o funcție de performanță pentru a reprezenta „bunătatea” proiectului. Acesta este MDQ.

4. Utilizați o metodă de optimizare (GP) pentru a evolua modelul astfel încât să maximizați funcția de performanță.

5. Implementați, în sistemul existent, modificările de proiect reprezentate de modelul evoluat.

Schema de optimizare va îmbunătăți treptat modelul inițial al sistemului, astfel încât să producă o performanță mai bună (după cum apreciază MDQ). Acest lucru va necesita compararea răspunsului monitorizat al sistemului original și a răspunsului simulat al modelului pe măsură ce evoluează (se îmbunătățește), în raport cu MDQ. În figura 1.7, pe lângă modelul inițial al sistemului, abordarea evolutivă de calcul și monitorizarea online, am arătat și un sistem expert pentru luarea deciziilor „inteligente” asociate cu îmbunătățirea proiectului/modelului. Acest sistem expert poate fi generat din cunoștințele/expertiza sistemului existent, proiectul său și cunoștințele de inginerie.

1.5 Evoluția mecatronicii