Conttriibuţţiiii lla sttudiiull mecattroniiciiii grupulluii de puttere by Ion Tiberiu

U n i ve r s i t a t e a P O L I T E H N I C A d i n B u c u r e ş t i Facultatea de Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice Departamentul de Teoria Mecanismelor şi a Roboţilor

Studii universitare de M a s t e r a t Dom eniu l Inginerie Industrială Progra mul de s t ud ii, Modelarea şi Simularea Sistemelor Mecanice Mobile MSSMM

Masterand,

BREBEANU I. (CHIRU) Rica TEMA DISERTAŢIEI Contribuţii la studiul mecatronicii grupului de putere

Conducător ştiinţific, Ş.l.univ.dr.ing. Florian Ion T. PETRESCU

Decan,

Director de departament,

Prof.dr.ing. Cristian DOICIN

Prof.dr.ing.Constantin OCNĂRESCU

CUPRINS

CUPRINS.............................................................................................................. 1.Introducere…………………………………………………………………………… 2.Clasificarea grupurilor de putere…………………………………………………... 3. Motoare termice cu ardere externa……………………………………………….. 3.1 Motorul cu abur…………………………………………………………………… 3.1.1 Istoria motorului cu abur………………………………………………………. 3.2 Motorul Stirling…………………………………………………………………….. 4. Motorul cu reacţie............................................................................................. 5. Motorul electric……………………………………………………………………… 6. Motoarele cu ardere internă ( Cele mai utilizate Grupuri de Putere)................ 6.1.GENERALITAŢI…………………………………………………………………… 6.1.1. Definiţii........................................................................................................ 6.1.2. Scurt istoric al MAIP................................................................................... 6.1.3. Clasificarea MAIP....................................................................................... 6.1.3.1. După natura combustibilului utilizat………………………………………... 6.1.3.2. După modul de formare a amestecului……………………………………. 6.1.3.3. După fazele ciclului funcţional……………………………………………… 6.1.3.4. După spațiul producerii amestecului carburant…………………………… 6.1.3.5. După modul de aprindere a amestecului carburant................................. 6.1.3.6. După principiul de realizare a umplerii cilindrilor…………………………. 6.1.3.7. După numărul şi modul de dispunere a cilindrilor………………………… 6.1.3.8. După modul de acţionare a pistonului..................................................... 6.1.3.9. După sistemul de răcire……………………………………………………... 6.2. PRINCIPII DE FUNCŢIONARE ŞI PARAMETRII PRINCIPALI……………… 6.2.1. Caracteristici……………………………………………………………………. 6.2.2. Principii de funcţionare a MAIP……………………………………………….. 6.2.3. Parametrii principali şi condiţiile de funcţionare ale motoarelor de automobile şi tractoare………………………………………………………………... 6.2.3.1. Parametri funcţionali:………………………………………………………… 6.3. INDICII DE PERFORMANTA…………………………………………………… 7. INTRODUCERE IN MECATRONICA............................................................... 7.1 Conceptul de „mecatronică”: definitie; modele............................................... 7.2 Evolutia sistemelor tehnice: de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice.......................................................................................................... 7.3 Conceptul de sistem mecatronic.................................................................... 7.4 Cuvinte cheie în mecatronică……………………………………………………. 7.5 Clasificarea sistemelor mecatronice............................................................... 7.6 Consideratii privind proiectarea sistemelor mecatronice................................ 7.6.1. Functii ale sistemului mecatronic................................................................ 7.6.2. Forme de integrare..................................................................................... 7.6.3. Componente electronice............................................................................. 7.6.4. Operare: noi interfete om-masină…………………………………………….. 7.6.5. Metode de proiectare.................................................................................. 7.6.6. Efecte sinergetice....................................................................................... 7.7 Dezvoltarea mecatronicii in domeniul scolar.................................................. 2

3 6 11 11 11 11 12 13 13 14 14 13 15 17 17 17 17 18 18 18 19 21 21 21 21 23 25 26 28 30 30 31 35 35 35 42 43 43 43 44 44 45 46

8. TENDINŢE PRIVIND DEZVOLTAREA SISTEMELOR MECATRONICE INTELIGENTE...................................................................................................... 8.1. Natura acestor sisteme pe scara umană....................................................... 8.1.1. Performanţă maximă.................................................................................. 8.1.2. Mentenanţa bazată pe condiţie (MBC)....................................................... 8.1.3. Toleranţa greşelii........................................................................................ 8.1.4. Arhitectura deschisă................................................................................... 8.1.5. Ajutorul şi supravegherea umana............................................................... 8.2. Sistemele mecanice de interes...................................................................... 8.2.1. Automobile / vehicule................................................................................. 8.2.2. Aeronave / Nave spaţiale........................................................................... 8.2.3. Aeronave elegante..................................................................................... 8.2.4. Celulele de fabricaţie.................................................................................. 8.2.5. Echipamentul de construcţie...................................................................... 8.2.6. Sisteme cu echipament medical................................................................. 8.2.7. Mini-medii înconjurătoare........................................................................... 8.2.8. Echipament distractiv................................................................................. 8.2.9. Mărirea umană........................................................................................... 8.2.10. Locuirea / traiul pe Marte.......................................................................... 8.2.11. Fabricarea semiconductorilor................................................................... 8.3. Activităţi de cercetare esenţiale..................................................................... 8.3.1. Arhitectura deschidă…………………………………………………………… 8.3.2. Structuri redundante................................................................................... 8.3.3. Proiectare optimală..................................................................................... 8.3.4. Simulare grafică.......................................................................................... 8.3.5. Software operaţional................................................................................... 8.3.6. Fuziunea senzorilor.................................................................................... 8.3.7. Micro-senzori.............................................................................................. 8.3.8. Arhitectura computerelor............................................................................ 8.3.9. Managementul resurselor........................................................................... 8.3.10. Elaborarea deciziilor................................................................................. 8.3.11. Mentenanţa bazată pe condiţii.................................................................. 8.3.12. Sisteme multi-agent.................................................................................. 8.3.13. Înlăturarea tulburărilor (perturbaţiilor)....................................................... 8.3.14. Subsisteme de semnătură slabă.............................................................. 8.3.15. Interfaţa om-maşină.................................................................................. 8.3.16. Controlere electronice.............................................................................. 8.3.17. Uneltele end-efectorilor............................................................................ 8.3.18. Actuatori inteligenţi................................................................................... 8.3.19. Testarea actuatorilor................................................................................. 8.3.20. Metrologia................................................................................................. 8.3.21. Prototiparea.............................................................................................. 9. STADIUL ACTUAL........................................................................................... 10. Clasificarea componentelor mecanice ale unui sistem mecatronic 11.SENZORI ŞI ACTUATORI FOLOSIŢI ÎN CONSTRUCŢIA AUTOVEHICULELOR.......................................................................................... 11.1. INTRODUCERE.......................................................................................... 11.2 Senzori si aplicatii......................................................................................... 11.2.1 Controlul puterii motorului......................................................................... 11.2.2 Controlul aprinderii ................................................................................... 11.2.3 Controlul debitului de aer........................................................................... 11.2.4 Accelerometre .......................................................................................... 11.2.5 Senzori pentru deplasari unghiulare.......................................................... 3

47 47 47 48 48 48 48 48 49 50 50 50 50 50 51 51 51 51 52 52 53 53 53 53 53 53 53 53 54 54 54 54 54 54 55 55 55 56 56 56 56 56 57 59 59 63 63 63 63 64 64

11.3 Particularitati ale actuatorilor utilizati in mecatronica.................................... 11.3.1. ROLUL ELEMENTELOR DIN STRUCTURA ACTUATORILOR.............. 11.3.2. STRUCTURA GENERALA A UNUI ACTUATOR.................................... 11.3.3. INDICI DE PERFORMANTA.................................................................... 12. Mecatronica in tehnologia auto ...................................................................... 12.1. Echiparile automobilului modern................................................................. 12.2. Sisteme pentru comanda multipunct a injectiei pe benzina........................ 12.2.1. Sistemul de injectie KE Jetronic............................................................... 12.2.2. Sistemul de aprindere si injectie D Jetronic.............................................. 12.2.2. Sistemul de injectie Pijet........................................................................... 12.2.3. Sistemul de injectie de benzina L Jetronic............................................... 12.2.4. Sistemul de injectie de benzina LH Jetronic............................................ 12.2.5. Sistemul de injectie de benzina LU Jetronic............................................. 12.3 Echipamente pentru comanda multipunct a injectiei pe benzina................. 12.4. CAN BUS – magistrala seriala in constructia de automobile....................... 12.4.1. Propietati ale CAN – iata cateva dintre cele mai remarcabile propietati ale CAN:............................................................................................................... 13. ASPECTE PRIVIND STUDIUL SISTEMELOR DE CONTROL ALE AUTOMOBILULUI FOLOSIND PRINCIPIILE SISTEMELOR AUTOMATE.......... 13.1 REGIMURI DE ECHILIBRU STAŢIONAR.................................................... 13.2 REGIMURI DINAMICE SAU TRANZITORII................................................. 13.3 PROPRIETĂŢILE SISTEMELOR AUTOMATE DINAMICE.......................... 13.4 SISTEMELE DINAMICE CU STRUCTURĂ DESCHISĂ.............................. 13.4.1 Sistemele cu comandă automată.............................................................. 13.4.2 Sisteme cu compensare automată............................................................ 13.5 SISTEME DINAMICE CU STRUCTURĂ ÎNCHISĂ...................................... 14. STRATEGII DE CONTROL AL MOTORULUI............................................... 14.1 CONTROLUL MOTORULUI......................................................................... 14.2 STRUCTURI CLASICE DE CONTROL........................................................ 14.3 STRUCTURI DE CONTROL ÎN BUCLĂ ÎNCHISĂ....................................... 14.4 STRUCTURI EVOLUATE DE CONTROL.................................................... 15. CONCLUZII.................................................................................................... BIBLIOGRAFIE.....................................................................................................

64 64 66 67 68 69 71 71 71 71 71 71 71 72 72 73 74 74 74 79 79 79 80 80 82 83 84 87 90 94 98



Introducere

Grupul de putere (in speta motorul) este o maşină care transformă o formă oarecare de energie în energie mecanică. Se disting următoarele tipuri de motoare: Electric, magnetic, electromagnetic, sonic, pneumatic, hidraulic, eolian, geotermic, solar, nuclear, cu reacţie (Coandă, împingătoare ionice, ionice, cu unde electromagnetice, cu plasmă, fotonice), termice. Fiind motoarele cele mai vechi, cele mai utilizate şi cele mai răspândite, motoarele termice se pot clasifica la rândul lor în două mari categorii: motoare cu ardere externă şi motoare cu ardere internă. Printre cele mai cunoscute motoare cu ardere externă menţionăm: motoarele cu aburi şi motoarele Stirling. Categoria motoarelor cu ardere internă fiind cea mai răspândită, cea mai utilizată, şi cea mai importantă, cuprinde mai multe subcategorii, din care vom încerca să enumerăm câteva: Motorul Lenoir (motorul în doi timpi), motorul Otto (motorul în patru timpi), motorul Diesel (cu autoaprindere şi injecţie de combustibil), motorul rotativ Wankel, motorul rotativ Atkinson, motoarele biodisel, motoarele cu hidrogen, etc.. Turbinele şi motoarele cu ardere externă cu aburi Cele mai răspândite motoare cu ardere externă sunt cele cu aburi. Chiar dacă iniţial au fost utilizate ca motoare navale, apariţia şi dezvoltarea motoarelor termice cu aburi (cât şi cea a primelor mecanisme cu came) sunt strâns legate de apariţia şi dezvoltarea războaielor de ţesut (maşinilor automate de ţesut). În 1719, în Anglia, un oarecare John Kay deschide într-o clădire cu cinci etaje o filatură. Cu un personal de peste 300 de femei şi copii, aceasta avea să fie prima fabrică din lume. Tot el devine celebru inventând suveica zburătoare, datorită căreia ţesutul devine mult mai rapid. Dar maşinile erau în continuare acţionate manual. Abia pe la 1750 industria textilă avea să fie revoluţionată prin aplicarea pe scară largă a acestei invenţii. Iniţial ţesătorii i s-au opus, distrugând suveicile zburătoare şi alungându-l pe inventator. Pe la 1760 apar războaiele de ţesut şi primele fabrici în accepţiunea modernă a cuvântului. Era nevoie de primele motoare. De mai bine de un secol, italianul Giovanni Branca (1571-1645) propusese utilizarea aburului pentru acţionarea unor turbine (primul motor termic modern cu ardere externă cu aburi construit de inginerul şi arhitectul italian Giovanni BRANCA, a fost o turbină cu aburi). Experimentele ulterioare nu au dat satisfacţie. În Franţa şi Anglia, inventatori de marcă, ca Denis Papin (1647-1712, matematician şi inventator francez, pionier al motoarelor cu aburi, al cărui prim motor cu aburi realizat în anul 1679) sau marchizul de Worcester (1603-1667), veneau cu noi şi noi idei. La sfârşitul secolului XVII, Thomas Savery (16501715) construise deja "prietenul minerului", un motor cu aburi (patentat, neavând în componenţă nici un mecanism, nici o piesă mobilă, el era un fel de compresor ce crea doar presiune într-o butelie, presiunea împingând apa în exteriorul buteliei printr-un orificiu atunci când era deschis) ce punea în funcţiune o pompă pentru scos apa din galerii, sau era montat pe vehiculele pompierilor având rolul de a pompa apa destinată stingerii focului . Thomas Newcomen (1664-1729) a realizat varianta comercială a pompei cu aburi , iar inginerul James Watt (1736-1819) realizează şi adaptează un regulator de turaţie ce îmbunătăţeşte net motorul cu aburi. J. Watt - 1763 a perfecţionat mult maşinile realizate până atunci reducând pierderile de căldură şi de energie din cazanele cu abur alimentate cu cărbuni. Motorul cu aburi original al lui James Watt, a fost o invenţie ce avea să schimbe faţa lumii, concepută în 1769 şi îmbunătăţită în 1774. Maşina cu abur inventată de Watt a beneficiat mai târziu de alte 3 invenţii franceze: cazanul cu tubulatură al lui M. Seguin - 1817, manometrul lui E. Bourdon - 1849, şi 5

injectorul lui T. Gifford - 1858. Motorul cu aburi a permis amplasarea fabricilor nu numai în vecinătatea cursurilor de apă ci şi acolo unde era nevoie de produsele lor - centre comerciale, oraşe (Prima aplicaţie practică a fost în mine, a urmat industria bumbacului, a berii etc. A circulat din Marea Britanie, în vestul continentului şi apoi în secolele XIX - XX în întreaga lume). James Watt s-a născut în localitatea Greenock din Scoţia. Studiile şi lea terminat la Londra, Anglia, începând şi activitatea de fabricant de instrumente matematice (1754). A revenit pe plaiurile natale, în Glasgow, Scoţia. A fost fabricantul de instrumente matematice folosite de Universitatea din Glasgow. Aici i s-a oferit ocazia (destinului) să repare o maşină cu abur, de unde i-a încolţit ideea ameliorării acesteia; astfel au apărut "camera separată de condensare a aburului" (1769) şi "regulatorul de turaţie al maşinii cu abur" (1788). La maşina sa inventată în 1769, aburii treceau într-o cameră separată pentru condensare. Deoarece cilindrul nu era încălzit şi răcit alternativ, pierderile de căldură ale maşinii erau relativ scăzute. De asemenea, maşina lui Watt era mai rapidă, pentru că se puteau admite mai mulţi aburi în cilindru odată ce pistonul se întorcea în poziţia iniţială. Aceasta şi alte îmbunătăţiri concepute de Watt au făcut ca maşina cu aburi să poată fi folosită într-o gamă largă de aplicaţii. Ulterior se mută în Anglia la Birmingham. Aici se înscrie într-un club, “Lunar Society”, care - în ciuda numelui înşelător - era de fapt un club ştiinţific format din inventatori. Multe din originalele lucrărilor sale se găsesc la "Birmingham Cultural Library" (Biblioteca Centrală din Birmingham). James Watt, împreună cu un industriaş britanic, Matthew Boulton, reuşesc să creeze o întreprindere de fabricare a ceea ce se numea maşina cu abur a lui Watt, îmbunătăţită (1774). Tot aici va realiza, împreună cu un alt inventator scoţian William Murdoch, un angrenaj de convertire a mişcării verticale în mişcare de rotaţie (1781). Ulterior, a mai realizat o maşină cu dublă acţiune (1782). Cea mai mare realizare a sa este considerată a fi brevetarea în anul 1784 a locomotivei cu abur (vezi figura 6). Practic putem considera că în acel an, 1784, s-a născut transportul pe calea ferată. Interesant este faptul că primul motor cu aburi al lui Watt (prima variantă din 1769) a fost preluată de inginerul francez Nicolas Joseph Cugnot şi adaptată original pentru a fi utilizată chiar în acelaşi an (1769) la construirea primului vehicul (autovehicul), destinat iniţial transportului de militari şi armament, dar şi tractării de armament greu, tunuri grele. Viteza maximă a acestui prim autovehicul la sarcină maximă (patru militari în vehicul plus tunuri grele tractate, care să nu depăşească 4t) era de 5 km pe oră, iar la o încărcătură pe jumătate atingea pe drumuri uscate 8,5 km/h. Prima locomotivă cu aburi, funcţională pe calea ferată, a fost construită plecând tot de la modelul lui Watt, de inginerul britanic George Stephenson (1781–1848), abia în anul 1814 . Robert Fulton (căruia i se atribuie incorect construcţia sau şi construcţia primelor nave motorizate 1803-1807) poate fi creditat a fi fost autorul planurilor şi constructorul efectiv (1798) al primului submarin funcţional, comandat de Napoleon Bonaparte, denumit Nautilus, care a fost testat în anul 1800 în Franţa de însuşi Fulton împreună cu trei mecanici, scufundându-se până la adâncimea de 25 picioare. Împreună cu fabricantul Mathiew Boulton, inginerul scoţian James Watt construieşte primele motoare navale cu aburi şi în mai puţin de o jumătate de secol, vântul ce asigurase mai bine de 3000 de ani forţa de propulsie pe mare mai umfla acum doar pânzele navelor de agrement. În 1785 intră în funcţiune, prima filatură acţionată de forţa aburului, urmată rapid de alte câteva zeci. Dezvoltarea motoarelor navale, pentru trenuri, autovehicule, cât şi cea a motoarelor pentru ţesătorii automate, au dus şi la dezvoltarea industriei siderurgice europene şi americane (iar mai apoi şi a celei mondiale). Este remarcabil faptul că primul vehicul motorizat (echipat cu un motor termic cu aburi) a fost un autovehicul, au urmat apoi un submarin, diverse nave şi la urmă trenurile. Motoarele cu aburi au mai fost utilizate (şi mai sunt folosite chiar şi în prezent) ca motoare termice staţionare în uzine, acţionând pompe, reductoare şi maşini unelte. Unul dintre cele mai vechi motoare cu aburi utilizate (inclusiv la locomotive), adaptat prima dată tot de Watt, este „motorul cu abur cu trei rezervoare de expansiune” . Nu doar că s-au mai păstrat unele motoare de acest gen, dar ele au început 6

să fie reutilizate, datorită poluării reduse produse de ele, şi a randamentului bun realizat. Dezavantajul lor principal, pentru care aproape că au dispărut în „epoca combustibililor de culoare neagră” (dominată de petrol), era lipsa de compactitate. Un avantaj al lor este însă faptul că aşa cum au şi debutat, ele pot folosi diverşi combustibili, putând fi utile pentru a diminua consumul de produse petroliere, şi rămânând în viaţă chiar şi atunci când petrolul se va diminua, până la dispariţia sa. Fiind motoare cu ardere externă, ele pot fi adaptate pentru a folosi diverşi combustibili, cum ar fi biocombustibilii, alcoolii, hidrogenul, uleiurile vegetale, din seminţe, din soia, din alune, sau extrase din diverse plante, ori biocombustibilii extraşi din alge marine şi oceanice, etc. Nu mai e nevoie să hrănim aceşti „cai putere nobili” doar cu cărbuni de proastă calitate, şi să spunem apoi că aceste motoare scot fum „urât mirositor” (cărbunele a reprezentat un combustibil poluant al planetei). Hai să ne imaginăm, aceste „bunicuţe şi bunici” modernizaţi, să ne imaginăm aceste motoare „scoase de la naftalină”, lustruite frumos, redesenate pe principii moderne, redimensionate la combustibili moderni (compactizate), construite din materiale moderne (ceramice, super metale, aliaje speciale, etc.), şi să ne gândim la faptul că ele pot deveni o sursă reală alternativă de transport, de motorizare, chiar şi atunci când petrolul nu va mai fi, alături de motoarele electrice moderne, alături de motoarele cu ardere internă pe hidrogen, împreună cu celelalte tipuri de motoare termice cu ardere externă (Stirling). Mai putem să ne imaginăm apa încălzită până la starea de vapori cu ajutorul unor rezistenţe electrice moderne, prin inducţie, cu microunde, sau diverse mijloace moderne, utilizând energia electrică solară, captată şi stocată în acumulatori moderni. Rezultatul..., motoare termice puternice, robuste, dinamice, compacte, fără noxe, fără petrol, fără fum, lucrând cu randamente ridicate (nu doar mecanice ci şi termice). Dezvoltarea si diversificarea autovehiculelor impreuna cu motoarele termice, in special cele cu ardere interna (fiind mai compacte, mai robuste, mai independente, mai fiabile, mai puternice, mai dinamice, etc….)a fortat dezvoltarea intr-un ritm mai alert a dispozitivelor, mecanismelor,si ansamblurilor componente. Astazi toate motoarele cu ardere interna (dar si cele cu ardere externa care mai sunt utilizate) functioneaza in general la standarde ridicate, cu consumuri mici de combustibili, cu nivele scazute de vibratii si zgomote, cu emisii de noxe extrem de reduse, conform reglementarilor actuale care sunt din ce in ce mai pretentioase. Domeniul de utilizare a motoarelor este este extrem de divers (Fig.1 - Fig. 8).

Fig.1 Transport feroviar 7

Fig.2 Transport rutier

Fig.3 Utilaje diverse

Fig.4 Tractoare

Fig.5 Transport de persoane

Fig.6 Autoturisme de teren

Fig.7 Transport naval

Fig.8 Transport aerian



Clasificarea grupurilor de putere

Grupurile de putere principale sunt: 1. Motoarele termice cu ardere interna 2. Motoarele termice cu ardere externa 3. Motoarele cu reactie 4. Motoarele electrice 3. Motoare termice cu ardere externa 3.1 Motorul cu abur Motorul cu abur este un motor termic cu ardere externă, care transformă energia termică aaburului în lucru mecanic. Aburul sub presiune este produs într-un generator de abur prinfierbere şi se destinde într-un agregat cu cilindri, în care expansiunea aburului produce lucru mecanic prin deplasarea liniară a unui piston, mişcare care de cele mai multe ori este transformată în mişcare de rotaţie cu ajutorul unui mecanism bielămanivelă. Călduranecesară producerii aburului se obţine din arderea unui combustibil sau prin fisiune nucleară. Motoarele cu abur au dominat industria şi mijloacele de transport din timpul Revoluţiei industriale până în prima parte a secolului al XX-lea, fiind utilizate la acţionarea locomotivelor,vapoarelor, pompelor, generatoarelor electrice, maşinilor din fabrici, utilajelor pentruconstrucţii (excavatoare) şi a altor utilaje. A fost înlocuit în majoritatea acestor aplicaţii demotorul cu ardere internă şi de cel electric. 3.1.1 Istoria motorului cu abur Prima maşină cu aburi a fost inventată în secolul I e.n. de către inginerul grec Heron din Alexandria. O sferă goală pe dinăuntru era pivotată pe două tuburi prin care trecea aburul dintr-un mic fierbător. Aburul umplea sfera şi ieşea prin ţevi dispuse în părţi opuse ale acesteia. Jeturile de abur care ţîşneau determinau sfera să se rotească. Totuşi, în ciuda faptului că era o invenţie interesantă, maşina nu servea unui scop util. Primul om care a avut ideea de a transforma pompa cu piston în maşină termică, a fost francezul Denis Papin în anul 1679. Din păcate nu a putut să o pună în practică din lipsă de fonduri. El a murit în sărăcie, în 1714. 10

Primul motor cu abur a fost proiectat în 1698 de Thomas Savery, un inginer englez. Acest motor era conceput să pompeze apa din mine, dar singura lui întrebuinţare a fost să pompeze apa în casele înalte din Londra. Primul motor performant a fost construit în 1712 de inginerul Thomas Newcomen, dinCornwall. Acest motor avea un braţ mare care pompa apa cu o frecvenţă de 16 mişcări de du-te-vino pe minut. În 1776, James Watt, un constructor scoţian de mecanisme, a adus înbunătăţiri motorului lui Newcomen. Nicolas Cugnot a fost primul care, în 1769, a folosit motorul cu abur la un vehicul. Acest vehicul putea transporta 4 persoane, dar a fost folosit la transportul armamentului greu. Viteza maximă care a fost atinsă cu acest vehicul a fost de 5 km/h. 3.2 Motorul Stirling În familia maşinilor termice, motorul Stirling defineşte o maşină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de maşini. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spaţiu închis numit sistem termodinamic, pe când la maşinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă şi anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care măreşte semnificativ randamentul potenţial al motorului Stirling. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea aparţin categorieimaşinilor cu piston alternativ. În mod obişnuit motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci şi energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling (Fig. 9) funcţionează prin utilizarea unei surse de căldură externe şi a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menţinut în limite de temperatură prestabilite şi o diferenţă de temperatură suficient de mare între ele.

Fig. 9 Secţiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic 1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuşiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolaţie termică ce separă capetele celor doi cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) - volanţi, Nereprezentate: sursa exterioară de energie şi radiatorele de răcire. În acest desen pistonul de refulare este utilizat fără regenerator.

4. Motorul cu reactie Principalul domeniu de utilizare a motoarelor cu reactie este aviatia, unde a devenit tipul de motor predominant. Motoarele cu reactie difera de motoarele cu piston si elice prin principiul de producere a fortei de tractiune. Motorul cu piston, instalat pe un avion, actioneaza elicea prin intermediul careia se produce o forta care se consuma pentru a deplasa inapoi si lateral in sens contrar deplasarii avionului, o mare masa de aer antrenata de paletele elicei. Avionul inainteaza datorita fortei de reactiune a masei de aer deplasata de elice. Forta de reactiune care asigura inaintarea avionului nu se aplica direct asupra motorului, ci prin intermediul propulsorului (elicei). La motoarele cu reactie, masele de gaze sunt deplasate chiar de catre motor, deci forta de reactiune se aplica direct asupra motorului. Spre deosebire de motoarele cu piston si elice, la care forta de reactiune, deci forta de tractiune, scade odata cu cresterea vitezei de zbor, la motoarele cu reactie forta de tractiune nu scade cu cresterea vitezei de zbor. Aceasta particularitate a motoarelor cu reactie, precum si constructia lor mai simpla, greutatea si gabaritele mai reduse, in comparatie cu motorul cu piston, fac ca ele sa fie indicate pentru conditii de zbor de mare viteza.

Fig. 10. Schema unui turboreactor: 1- difuzor, 2- compresor axial, 3- camera de ardere, 4 – con de evacuare, 5 – efuzor, 6 – turbina cu gaze. Cel mai raspandit tip de motor cu reactie in aviatie este turboreactorul. În figura 10. este prezentata schema unui turboreactor tip RD - 10 cu compresor axial. Principalele elemente ale unui turboreactor sunt: difuzorul, compresorul, camera de ardere, turbina cu gaze si efuzorul reactiv. 5. Motorul electric Un motor electric (sau electromotor) (Fig. 11) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a 12

energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferenţe de principiu semnificative între cele două tipuri de maşini electrice, acelaşi dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situaţii diferite. Majoritatea motoarelor electrice funcţionează pe baza forţelor electromagnetice ce acţionează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă şi motoare electrostatice construite pe baza forţei Coulomb şi motoare piezoelectrice.

Fig.11 Motorul de inducţie trifazat este cel mai răspândit motor electric

6. Motoarele cu ardere internă (Cele mai utilizate Grupuri de Putere) Motorul cu ardere internă este motorul care transformă energia chimică a combustibilului prin intermediul energiei termice de ardere, în interiorul motorului, în energie mecanică. Căldura degajată în camera de ardere se transformă prin intermediul presiunii (energiei potenţiale) aplicate pistonului în mişcare mecanică ciclică, de obicei[1] rectilinie, după care în mişcare de rotaţie uniformă, obţinută de obicei[1] la arborele cotit. Camera de ardere este un reactor chimic unde are loc reacţia chimică de ardere. Căldura introdusă în ciclul care se efectuează în cilindrii motorului se obţine prin arderea combustibilului, de obicei un combustibil lichid ca: benzina, motorina sau gazul petrolier lichefiat, dar se pot folosi şi combustibili gazoşi, ca gazul natural, sau chiar solizi, ca praful de cărbune. Oxigenul necesar arderii se obţine din aerul atmosferic. Combustibilul în amestec cu aerul se numeşte amestec carburant. Arderea poate fi iniţiată prin punerea în contact direct a amestecului carburant cu o sursă de căldură sau se poate produce aproape instantaneu în toată masa amestecului caz în care se numeşte detonaţie şi are un caracter exploziv. Prin arderea carburanţilor rezultă diferite produse de ardere cu o temperatură de aproximativ 2000 °C. Majoritatea acestor produse se prezintă sub formă gazoasă. Pentru o ardere completă se asigură combustibilului o cantitate de oxigen dozată astfel încât să producă oxidarea integrală a elementelor sale componente.

6.1.GENERALITAŢI 6.1.1. Definiţii Motorul este un sistem tehnic capabil să transforme o formă oarecare de energie în energie mecanică. Dacă energia iniţială este obţinută prin arderea unui amestec aercombustibil motorul se numeşte motor termic (motor cu ardere). Motorul cu ardere internă (MAI) este un motor termic care transformă parţial energia termică, rezultată prin reacţii chimice de oxidare a unui combustibil, în energie mecanică (lucru mecanic), folosind ca fluid motor sau agent de lucru gaze rezultate prin arderea ciclică a amestecului aer-combustibil într-un volum variabil, limitat parţial de elemente ale mecanismului motor. Motoarele cu ardere internă cu piston (MAIP) folosesc ca mecanism motor mecanismul piston-bielă-manivelă. 6.1.2. Scurt istoric al MAIP Descoperirea efectelor presiunii atmosferice (Torricelli, 1608-1647) şi aplicaţiile ei (Blaise Pascal şi Otto von Guerike) au iniţiat tehnologiile de producerea a energiei mecanice prin deplasarea unui piston într-un cilindru, sub acţiunea aburului livrat de un generator încălzit cu cocs şi mai târziu cu combustibil lichid. După o maşină rudimentară construită în 1690 de Denis Papin, perfecţionarea maşinilor cu abur devine posibilă prin crearea condensatorului de abur (1765-James Watt). Elaborarea unor materiale rezistente la temperaturi ridicate a permis folosirea treptată a gazelor ca fluid motor. Stirling foloseşte în 1816 ca fluid de lucru, într-o maşină cu piston, aerul încălzit în exteriorul maşinii, prin arderea lemnului sau a cărbunelui. În aceeaşi perioadă se realizează şi motorul cu praf de puşcă. Prepararea gazului de iluminat (1799-Philippe Lebon), deschide perspectiva utilizării acestuia ca fluid motor. Apar astfel premisele tehnologice care vor permite apariţia motorului cu ardere internă. Către mijlocul secolului al XIX-lea şi ulterior acestei perioade, activitatea în domeniu este canalizată spre iniţierea arderii de la o sursă comandată din exterior, conducând la motorul cu aprindere prin scânteie (MAS), cu mecanism bielă-manivelă. Reţin atenţia încercările lui Alfred Drahe care preconizează aprinderea amestecului aer-combustibil de la un tub incandescent. În 1860, Etienne Lenoir brevetează un MAS cu gaz de iluminat, care s-a impus un timp relativ îndelungat deşi avea randamentul termic de numai 5%. Deoarece procesele funcţionale ale motorului Lenoir nu includeau faza de comprimare, motorul funcţiona după un ciclu În 2 timpi: în cursa descendentă pistonului se realizau admisia, arderea şi destinderea, cursa ascendentă era alocată evacuării. Importanţa comprimării amestecului înainte de ardere este demonstrată de Alphonse Bean de Rochas care pune şi bazele teoretice ale ciclului de funcţionare al motorului în 4 timpi, cu ardere izocoră. După 12 ani de experimentări, în 1876, Nikolaus August Otto, (fig.12) construieşte primul MAS în 4 timpi, marcând astfel un salt tehnologic crucial, care va marca istoria ulterioară a întregului mapamond. În anul 1892, Rudolf Diesel (fig.12) propune principiul de funcţionare al motorului cu aprindere prin comprimare (MAC), primele realizări fiind motoare staţionare de dimensiuni mari.

Nikolaus August Otto

Rudolf Diesel 14

Diversificarea procedeelor de control ale formării amestecului şi al arderii la turaţii ridicate, progresul tehnic în domeniul creşterii rezistenţei mecanice şi a tehnologiilor materialelor au condus soluţii de MAC rapide, utilizate la automobile uşoare. În Romania, fabricaţia de MAIP îşi are începutul în urmă cu aproape '75 de ani. După motoare destinate tracţiunilor feroviare, aeriene şi unor utilizări staţionare se construiesc motoare de autovehicule rutiere situate la nivelul tehnicii anilor respectivi. La Arsenalul Aviaţiei se creează în anii '40 un motor cu 3 cilindri în stea de 30 CP răcit cu aer. În anul 1945, la uzina I.A.R. din Braşov s-a construit un microautomobil biloc cu motor în spate şi tracţiune anterioară cu lanţ. Motorul de motocicletă ce echipa acest automobil furniza 11,5 CP la 4.000 rot/min, cu un consum de 4,5 1/100 km la o viteză a automobilului de 70 km/h. În anul 1947, tot la I.A.R., inginerul Radu Mărdărescu construieşte 3 automobile echipate cu motorul I.A.R. 002, în 2 timpi, care dintr-o cilindree de 1000 cm3 dezvolta 100 CP.

Fig. 12. Primele motoare termice cu ardere internă, în patru timpi, cu supape, Otto, Diesel, Benz 6.1.3. Clasificarea MAIP MAIP se clasifică după mai multe criterii explicitate în cele ce urmează: 6.1.3.1. După natura combustibilului utilizat se întâlnesc MAIP cu combustibili lichizi uşori (benzină, alcooli), cu combustibili lichizi grei (motorină, păcură, uleiuri minerale sau vegetale), cu combustibili gazoşi (gaze comprimate sau lichefiate, biogaz), motoare cu alimentare mixtă, la care combustibilul de bază este gazos, iar pentru aprindere şi pentru pornire se utilizează combustibili lichizi şi MAIP poli-carburate la care ce se pot utiliza, după disponibilităţi, diferiţi combustibili lichizi. 6.1.3.2. După modul de formare a amestecului, motoarele cu ardere internă se împart în motoare cu formare a amestecului în exteriorul camerei de ardere (motoare cu carburator\ motoare cu gaze şi motoare cu injecţie de benzină în conducta de admisie), motoare cu formarea amestecului în camera de ardere (motoare cu injecţie de benzină sau combustibili lichizi grei în camera de ardere şi motoare cu gaze cu adaos de combustibil lichid sau gazos la începutul comprimării) şi motoare cu amestec stratificat la care se asigură amestecuri de dozaje diferite în diferite zone ale camerei de ardere. 6.1.3.3. După fazele ciclului funcţional, MAIP se grupează în motoare în patru timpi (ciclul de lucru se realizează pe durata a patru curse complete ale pistonului) şi motoare în doi timpi (ciclul funcţional se realizează pe durata unei singure curse complete a pistonului). 

Motor in patru (4) timpi (Fig. 13) – ciclul de lucru se realizeaza la patru curse succesive ale pistonului sau la doua rotatii complete ale arborelui cotit

Fig. 13 Motor in 4 timpi 

Motorul in doi (2) timpi – ciclul de lucru se realizeaza la doua curse succesive ale pistonului sau la o rotatie completa a arborelui cotit

Fig. 14 Motor in 2 timpi 6.1.3.4. După spațiul producerii amestecului carburant  

Motoare cu formarea în exteriorul cilindrului a amestecului carburant. Este cazul motoarelor cu carburator, injecție de benzină în conducta de aspirație și al motoarelor cu gaze cu instalație de formare externă a amestecului aer-combustibil. Motoare cu formarea în cilindru a amestecului carburant. Din această categorie fac parte motoarele cu injecție de combustibil cum sunt motoarele Diesel sau și unele motoare cu aprindere prin scânteie și motoarele cu gaze la care combustibilul gazos este introdus în cilindru printr-o supapă aparte în timpul aspirației.

6.1.3.5. După modul de aprindere a amestecului carburant 

Motor cu aprindere prin scânteie (prescurtat MAS). După admisia şi comprimarea amestecului carburant în cilindrii motorului, în apropierea PMS (punctul mort superior) al pistonului, are loc aprinderea. Aceasta se realizează prin producerea unei scântei între electrozii bujiei, care aprinde amestecul carburant. Arderea are loc într-un interval de timp relativ scurt, în care presiunea şi temperatura gazelor din cilindru cresc repede până la presiunea de 30 - 40 daN/cm³ şi temperatura de 1800 – 2.000 °C. Datorită presiunii gazelor din cilindru, care acţionează asupra pistonului, acesta se deplasează spre PMI (punctul mort inferior), şi roteşte prin intermediul sistemului biela-manivela, arborele motor. Această cursă a pistonului, se mai numeşte şi cursă activă sau cursă motoare.



Motor cu aprindere prin comprimare (prescurtat MAC sau Diesel). La sfârşitul compresiei, combustibilul este introdus sub presiune în cilindru, fiind pulverizat foarte fin cu ajutorul injectorului, montat în chiulasă. Datorită contactului cu aerul fierbinte din interiorul cilindrului, particulele pulverizate se aprind şi ard, iar presiunea din cilindru creşte, moderat, menţinându-se relativ constantă pe durata arderii. Gazele rezultate în urma arderii apasă asupra pistonului, determinând deplasarea acestuia spre PMI, efectuând cursa activă. Supapele rămân închise până aproape de sfârşitul acestei curse. 17

Motoarele cu aprindere prin comprimare se clasifică după tipul camerei de ardere în motoare cu injecţie directă sau cu cameră unitară, motoare cu antecameră şi motoare cu cameră de turbionare. 6.1.3.6. După principiul de realizare a umplerii cilindrilor, există MAIP cu umplere normală (cu aspiraţia aerului din atmosferă) şi cu supraalimentare (cu comprimarea prealabilă a aerului sau amestecului carburant de către un compresor). Motoarele cu supraalimentare pot fi cu compresor acţionat de către o turbină ce utilizează energia gazelor de evacuare ale motorului cu piston (cu turbosuflanta), cu compresor acţionat prin transmisie mecanică de la arborele cotit şi cu două compresoare, dintre care unul acţionat mecanic, iar celălalt cu turbosuflantă. 6.1.3.7. După numărul şi modul de dispunere a cilindrilor în raport cu axa arborelui cotit, în motoare monocilindrice şi policilindrice, respectiv în motoare cu cilindrii verticali în linie, în V (fig. 15), cu cilindrii în W sau opuşi (fig. 19). De asemenea aceste motoare mai pot fi clasificate după dispunerea pistoanelor, în motoare cu un singur piston pe cilindru, cu pistoane opuse la care camera de ardere este dispusă între două pistoane ce se deplasează într-un cilindru în sensuri opuse, şi motoare cu dublă acţiune care au camera de ardere pe ambele părţi ale pistonului.       

motoare cu cilindrii în linie. motoare cu cilindrii în V. motoare cu cilindrii în W. motoare cu cilindrii şi pistoanele opuse, boxer. motoare înclinate, la care cilindrii au axele situate în acelaşi plan, însă înclinat faţă de planul vertical. motoare cu cilindrii aşezati în stea, utilizate cu precădere unde este nevoie de un raport putere/greutate mare, de exemplu în aviaţie şi în marina militară (vedete). Motoare cu cilindrii în „Δ” Delta, Napier Deltic-motoarefolosite la căile ferate şi vapoare englezeşti.

Fig. 15 Dispunerea cilindrilor în linie (stânga), respectiv în V (dreapta).

Fig. 16 Motor cu cilindrii în linie

Fig. 17 Motor cu cilindrii în V de raliu Mercedes 1996 18

Fig. 18 Motor cu cilindrii în linie alături în U „King-Bugatti U-16”

Fig. 19 Dispunerea cilindrilor opuşi (sus), respectiv în W (jos).

Fig. 20 Motor cu cilindrii opuşi boxerVolkswagen 1945 [2] boxer H-16

Fig. 21 Motor cu cilindrii în W NapierLion VII 1

Fig. 23 Motor cu cilindrii în „Δ” Fig. 22 Motor cu cilindrii în stea

Fig. 24 Motorul Junkers, „Jumo 205D”

Fig. 25 Motor cu (clapă / obturator ) 6.1.3.8. Dupa modul de actionare a pistonului • • • • •

Motor cu simplu efect – arderea are loc pe o singura parte a pistonului Motor cu dublu efect – arderea are loc alternativ pe o parte si de alta a fiecarui piston Motor cu pistoane opuse – in fiecare cilindru exista cate doua pistoane legate mecanic avand intre ele fluidul de lucru Motor reversibil – sensul de rotatie poate fi schimbat prin utilizarea unui sistem de comanda Motor cu pistoane libere – pistoanele nu sunt legate mecanic intre ele si nu se transmite putere la arborele motor. Puterea se transmite sub forma de gaz cald.

6.1.3.9. După sistemul de răcire, motoarele se împart în motoare răcite cu lichid respectiv motoare răcite cu aer. 6.1. PRINCIPII DE FUNCŢIONARE ŞI PARAMETRII PRINCIPALI 6.2.1. Caracteristici Un motor cu ardere internă este caracterizat printr-o serie de parametri: 

Punct mort interior (PMI) (învechit: punct mort superior, PMS) este poziţia pistonului care corespunde volumului minim ocupat de fluidul motor în cilindru. La motoarele cu mecanism bielă-manivelă, arbore cotit şi chiulasă (motorul Wankel nare nimic din astea, dar are PMI) este poziţia pistonului când aceasta se găseşte în timpul deplasării sale - la cea mai mare distanţă posibilă faţă de axa arborelui cotit; această poziţie coincide cu distanţa minimă a pistonului faţă de chiulasă şi este determinată de montajul pistonului în ansamblul mecanismului bielă-manivelă.



Punct mort exterior (PME) (învechit: punct mort inferior, PMI) este poziţia pistonului care corespunde volumului maxim ocupat de fluidul motor în cilindru. La 20

motoarele cu mecanism bielă-manivelă, arbore cotit şi chiulasă este poziţia pistonului când aceasta se găseşte - în timpul deplasării sale - la cea mai mică distanţă posibilă faţă de axa arborelui cotit; această poziţie coincide cu distanţa maximă a pistonului faţă de chiulasă şi este determinată, de asemenea, de montajul pistonului în ansamblul mecanismului bielă-manivelă. 

Cursa pistonului este distanţa dintre punctul mort interior şi punctul mort exterior (la motoarele cu mecanism bielă-manivelă fiind măsurată pe generatoarea cilindrului motor) parcursă de piston între două schimbări de sens ale deplasării sale. Pentru motoarele cu mecanism bielă-manivelă cu excentricitate nulă (cazul obişnuit) fiecare cursă a pistonului corespunde unei rotaţii de 180° a arborelui cotit şi este egală cu diametrul cercului descris de axa geometrică a fusului maneton în jurul axei geometrice a fusurilor paliere.



Alezajul cilindrului este diametrul interior al cilindrului motor.



Volumul minim al camerei de ardere este volumul ocupat de gaze când pistonul se află la PMI. La motoarele cu cilindru şi chiulasă este spaţiului cuprins între fundul pistonului, peretele interior al cilindrului motor şi chiulasă, în momentul când pistonul se găseşte în punctul mort interior.



Cilindreea unitară (pe scurt, cilindree) este volumul generat prin deplasarea pistonului în timpul unei curse.



Cilindreea totală (pe scurt, litraj) este suma cilindreelor unitare ale tuturor cilindrilor unui motor.



Volumul total al cilindrului este volumul maxim ocupat de gaze măsurat când pistonul se află la PME; volumul total al cilindrului este format din însumarea cilindreei unitare cu volumul camerei de ardere.



raportul de comprimare ε, respectiv raportul dintre volumul maxim al cilindrului V a plasat deasupra pistonului aflat în PMI şi volumul minim al cilindrului V c rămas deasupra pistonului, când acesta se află în PMS, volum care reprezintă volumul camerei de ardere, deci ε=

V a V S +V C π⋅ D2⋅ S S = = 1+ = 1+ 2 Vc Vc δ π⋅ D ⋅ δ

[6.2.1.]

În relaţia [6.2.1] este înălţimea volumului cilindric convenţional, notat cu Vc. În cazul motorului în doi timpi, alături de acest raport de comprimare geometric se mai utilizează şi raportul de comprimare util ε u, deoarece din cursa S a pistonului numai o parte este utilizată pentru comprimare şi destindere Su; o fracţiune din cursă fiind destinată distribuţiei gazelor prin orificiile practicate pe cilindru, închiderea şi deschiderea acestor orificii fiind realizată prin deplasarea pistonului. Prin urmare, cursei utile S u îi corespunde un volum de cilindru util Vu şi un raport de comprimare util εu=

Vu Vc

[6.2.2.]

•

Unghiul de rotatie al arborelui cotit (φ) oRAC – este unghiul format de cotul arborelui cotit cu axa cilindrului.



Turaţia motorului (pe scurt, turaţie) este numărul de rotaţii efectuat într-un minut de arborele cotit, în timpul funcţionării motorului într-un anumit regim constant.

Ciclul motor este succesiunea proceselor (transformărilor de stare) care se repetă periodic în cilindrul unui motor. Convenţional, ciclul motor începe cu procesul de admisiune şi se termină cu procesul de evacuare. Într-un minut un motor efectuează cicluri. Un timp al motorului este partea de ciclu motor care se efectuează într-o cursă a pistonului. a motoarele cu excentricitate nulă fiecare timp din funcţionarea motorului corespunde unui unghi de rotire a arborelui cotit de 180°. În cursul fiecărui timp agentul motor trece prin diferite transformări de stare caracteristice (volum, presiune, temperatură). Uzual se construiesc motoare (care funcţionează după un ciclu) în patru timpi ( ) şi motoare în doi timpi ( ). Se cunosc şi motoare în şase timpi. La motoarele în patru timpi, deoarece procesele termice corespund aproximativ cu cursele pistonului, timpii poartă numele de admisiune (1), comprimare (2), ardere şi destindere (3), respectiv evacuare (4). 6.2.2. Principii de funcţionare a MAIP Schema de funcţionare a unui motor monocilindric cu ardere internă în patru timpi este prezentată în figura 26. În cilindrul 1 se deplasează pistonul 2 articulat prin bolţul 18 la biela 3, articulată la rândul ei cu manivela 4 a arborelui cotit 14. Chiulasa 5, care închide în partea superioară cilindrul, este prevăzută cu un canal de admisie 8, care este controlat de supapa 9 (SA) şi un canal de evacuare 10 controlat prin supapa 12 (SE). De asemenea în chiulasă există un orificiu pentru bujie 6 (MAS) sau pentru injector (MAC). Încărcătura proaspătă pătrunde în cilindru prin canalul 8 din chiulasă şi secţiunea controlată de supapa de admisie 9 a cărei deschidere comandată prin cama arborelui de distribuţie 11 în funcţie de poziţia pistonului în cilindru. Gazele arse sunt eliminate prin secţiunea 10 controlată de supapa de evacuare SE, prin canalul din chiulasă şi prin colectorul de evacuare. Supapa de evacuare este comandată printr-o camă acţionată de la arborele de distribuţie în funcţie de poziţia pistonului. Cilindrul este plasat în blocul motorului care are partea inferioară sub formă de carter 7, în care sunt prevăzute lagărele 13 ale arborelui cotit. Pe carter se fixează suporţi prin care se sprijină motorul pe şasiul vehiculului, iar partea sa inferioară este închisă printr-o baie de ulei 25. Procesul de funcţionare al motorului în patru timpi este un fenomen periodic (ciclic) Admisia încărcăturii proaspete se realizează prin deplasarea pistonului de la PMS până în PMI, timp în care supapa de admisie este deschisă iar supapa de evacuare este închisă. Prin rotirea în continuare a arborelui cotit, pistonul se deplasează din PMI până la PMS comprimând încărcătura proaspătă din cilindru, timp în care ambele supape sunt închise. La sfârşitul cursei de comprimare încărcătura proaspătă se aprinde prin scânteie (MAS) sau amestecul se autoaprinde prin injectarea, pulverizarea, vaporizarea şi amestecarea motorinei cu aerul comprimat (MAC). 22

Urmează destinderea care se realizează în următoarea cursă a pistonului de la PMS la PMI. În timpul destinderii, energia rezultată prin arderea amestecului aercombustibil se transformă în energie mecanică furnizată arborelui cotit şi mai departe transmisiei şi roţilor motoare ale autovehiculului. La sfârşitul cursei de destindere se deschide supapa de evacuare; o parte din gazele arse se elimină din cilindru datorită presiunii diferenţei pozitive de presiune dintre fluidul din cilindru şi cel din canalul de evacuare, iar restul gazelor arse sunt pompate de către piston în deplasarea sa de la PMI până la PMS, timp în care supapa de evacuare rămâne deschisă. Ciclul se reia apoi printr-o nouă aspiraţie de încărcătură proaspătă. În figura 6. se prezintă schematic poziţia mecanismului motor la începutul fiecărei faze (timp) al ciclului de funcţionare, iar în figura 28. se prezintă variaţia presiunii fluidului din cilindru corelată cu poziţia pistonului. În figura 29 se prezintă schema de principiu a unui motor monocilindric în doi timpi, la care încărcătura proaspătă este introdusă în cilindru din colectorul de baleiaj prin ferestrele sau luminile de baleiaj 8, iar gazele sunt eliminate prin ferestrele sau luminile de evacuare 9.

Fig. 26 Schema de principiu a motorului cu ardere internă în patru timpi : 1-cilindru; 2-piston; 3-bielă; 4-fus maneton; 5- chiulasă; 6-bujie; 7-carter superior; 8-canal de admisie; 10-canal de evacuare; 11- arbore de distribuţie; 12-supapă de evacuare; 13cuzinet; 14-arbore cotit; 15-carter inferior; 16-volant; 17-fus palier; 18-bolţ; 19-segmenţi

Fig. 27

1 – Admisie, 2 – Comprimare, 3 – Destindere, 4 – Evacuare; 23

Fig. 28 Variaţia presiunii din cilindru corelată cu poziţia mecanismului motor.

Fig. 29 Schema de principiu a motorului cu ardere internă în doi timpi: stânga începutul comprimării; dreapta - începutul baleiajului; 1-cilindru; 2-piston; 3-bielă; 4pompă de baleiaj; 5-chiulasă; 6-injector (bujie); 7-carter superior; 8-lumini (ferestre) de admisie; 9-lumini (ferestre) de evacuare; 10-arbore cotit. Încărcătura proaspătă este aspirată din exterior prin pompa de baleiaj 4. Comprimarea încărcăturii proaspete se realizează în timpul deplasării pistonului de la PMI până la PMS pe o fracţiune de cursă în care fereastra 9 este complet închisă de muchia superioară a pistonului. La sfârşitul comprimării încărcătura proaspătă se aprinde prin scânteie (MAS) sau se injectează combustibilul care se vaporizează, se amestecă cu aerul comprimat iar amestecul se autoaprinde (MAC), după care urmează arderea şi destinderea, procese ce se desfăşoară în timpul deplasării pistonului de la PMS până în PMI Spre sfârşitul cursei de destindere pistonul descoperă fereastra de evacuare 9, gazele arse scapă spre colectorul de evacuare, după care se deschid şi ferestrele de baleiaj 8. Încărcătura nou introdusă sub presiune, de pompa de baleiaj 4, dislocă restul de gaze arse din cilindru, împingându-le spre fereastra de evacuare 9. Ciclul se reia printr-o nouă umplere a cilindrului 1, la sfârşitul evacuării când se închid luminile de evacuare 9. 6.2.3. Parametrii principali şi condiţiile de funcţionare ale motoarelor de automobile şi tractoare. Motoarele cu ardere internă cu piston pot fi caracterizate prin următorii indicatori principali de performanţe: A. Durabilitatea şi fiabilitatea tuturor sistemelor şi pieselor componente; B. Randamentul transformării energiei termice în energie mecanică, parametru ce poate fi evaluat şi după consumul specific de combustibil, respectiv consumul de combustibil raportat la unitatea de timp şi unitatea de putere dezvoltată; 24

C. Puterea raportată la unitatea de volum a cilindrului sau la unitatea de arie a capului pistonului (puterea specifică); D. Masa şi volumul dimensiunilor de gabarit raportate la unitatea de putere, respectiv masa specifică şi volumul specific de gabarit; E. Nivelul emisiilor chimice şi sonore; F. Simplitatea şi tehnologicitatea construcţiei, uşurinţa întreţinerii tehnice şi costurile fabricaţiei, exploatării şi reparării motorului; G. Siguranţa pornirii motorului; H. Perspectivele menţinerii motorului în fabricaţie prin modernizarea sa succesivă, prin creşterea presiunii de ardere şi creşterea turaţiei. respectiv prin creşterea puterii pe măsura dezvoltării tehnologiilor şi ridicării calităţii materialelor. Pe lângă parametrii de performanţă menţionaţi mai sus, MAIP pot fi caracterizate şi individualizate şi prin următorii parametrii: 6.2.3.1. Parametri funcţionali: Regimul de funcţionare al motorului este caracterizat de un ansamblu de parametri funcţionali ca sarcina, turaţia arborelui cotit, regimul termic al motorului. În funcţie de condiţiile de exploatare şi de particularităţile funcţionale ale autovehiculului variază şi regimul de funcţionare al motorului. Parametrul principal care caracterizează regimul de funcţionare al motorului este puterea efectivă Pe, care la rândul său depinde de cuplul motor Me şi de viteza unghiulară de rotaţie a arborelui cotit ω, respectiv de turaţia acestuia n, conform relaţiei:

Pe =M e⋅ ω=M e

2⋅ π⋅ n π⋅ n =M e 60 30

[6.2.3.1]

În relaţia de mai sus unde Me este exprimat în Nm, n în rot/min, iar viteza unghiulară la regim stabilizat ω, este exprimată în rad/s. În exploatare, atât cuplul motor, cât şi turaţia arborelui cotit variază în limite largi, datorită variaţiei rezistenţelor de deplasare a autovehiculelor.

Fig. 30. Caracteristica de propulsie a automobilului. În figura 30 se prezintă variaţia puterii efective a motorului (Pe), respectiv a puterii necesare înaintării autovehiculului (Pu), în funcţie de turaţia arborelui cotit (sau viteza 25

automobilului). Fiecare din curbele 1, 2, 3, 4 corespunde unei anumite poziţii a dispozitivului de comandă a cantităţii de combustibil fumizat cilindrilor motorului, iar curbele I, II, III şi IV reprezintă variaţia puterii necesare pentru propulsia autovehiculului. Punctul de intersecţie dintre o curbă de putere dezvoltată de motor şi o curbă de putere necesară pentru învingerea rezistenţelor de deplasare ale autovehiculului, caracterizează un regim de funcţionare a motorului. Prin sarcina motorului se înţelege uzual gradul de încărcare al acestuia la o anumită turaţie faţă de o încărcare de referinţă convenţional stabilită. S-a convenit ca încărcarea de referinţă să fie cea corespunzătoare celei mai mari puteri efective dezvoltată de motor în mod continuu la o turaţie dată, fără instabilitate în funcţionare şi fără uzuri anormale. Sarcina se apreciază prin coeficientul de sarcină, care, la o turaţie dată, este exprimat prin raportul dintre puterea efectivă dezvoltată de motor P e şi puterea la încărcarea de referinţă, care se mai numeşte şi putere efectivă continuă (Pec), respectiv: κ=

Pe P ec

[6.2.3.2]

Coeficientul de sarcină se poate exprima fie în valori absolute după relaţia [6.2.3.2.], fie în procente. Pentru sarcină nulă, ( = 0) motorul, funcţionează la mers în gol. Pentru 0 < < 1 motorul funcţionează la sarcini parţiale, pentru = 1 se consideră sarcină plină, iar pentru x > 1 motorul funcţionează la suprasarcini. Limita acceptabilă a suprasarcinii, este de aproximativ 10% din sarcina plină, deci = 1,1, posibilităţile de funcţionare a motorului la asemenea regimuri fiind limitate în timp. Puterea efectivă pe care o poate dezvolta motorul la limita acceptabilă a suprasarcinii pe o durată limitată şi după anumite intervale de timp este denumită putere efectivă intermitentă. Cea mai mare valoare a puterii efective continue este definită drept putere efectivă nominală Pn, iar turaţia la care se dezvoltă această putere se numeşte turaţie nominală n n. Cea mai mare valoare a puterii efective intermitente este considerată puterea efectivă maximă Pmax a motorului. După aceleaşi considerente se definesc noţiunile de moment motor continuu şi moment motor intermitent, iar cel mai mare moment motor intermitent este considerat momentul motor maxim Mmax, respectiv turaţia la care se obţine este denumită turaţia momentului maxim nM. O altă noţiune utilizată frecvent în analiza proceselor din motoare este calitatea amestecului, respectiv proporţia de combustibil în amestecul supus arderii în motor, proporţie apreciată prin dozaj. Dozajul se poate exprima prin raportul dintre cantitatea de combustibil G c şi cantitatea de aer Ga (sau consumul orar de combustibil raportat la consumul orar de aer): d=

Gc Ga

[6.2.3.3.]

Dacă pentru arderea completă a combustibilului în amestec, există cantitatea de aer minim necesar, dozajul se numeşte teoretic sau stoichiometric (d t). Comparativ cu dozajul stoichiometric, când cantitatea de combustibil este în exces, dozajul se consideră bogat, respectiv când cantitatea de aer este în exces, dozajul se consideră sărac. De cele mai multe ori, în Europa, calitatea amestecului aer combustibil se caracterizează prin coeficientul excesului de aer (λ), respectiv prin raportul dintre 26

cantitatea de aer disponibilă în cilindrii motorului pentru arderea a 1 kg de combustibil (L exprimată în kg aer/kg combustibil) şi cantitatea de aer teoretic necesară pentru arderea completă a unui kilogram de combustibil (Lmin - în kg aer/kg combustibil): λ=

•

L Lmin

[6.2.3.4.]

Dozaj teoretic (λ=1), sarac (λ>1), bogat (λ<1)

Coeficientul de exces de aer in cazul motoarelor MAC (Diesel) Injectie directa Injectie indirecta Combustibil lichid Injectie directa Supraalimentare Injectie indirecta Combustibil gazos Admisie normala

1,3…1,7 1,1…1,4 1,5…2,5 1,3…1,7 1,4…2,2

6.2. INDICII DE PERFORMANTA Apreciaza gradul de fortare al motorului sau de compactitate constructiva a lui. Puterea litrica (PL) (Fig. 31) – raportul dintre puterea efectiva maxima si cilindreea totala a motorului

(kW/litru)

Fig. 31 Evolutia puterii litrice motoare Diesel VW Viteza medie a pistonului (wpm) – apreciaza rapiditatea motoarelor si constituie un criteriu de apreciere a uzurii motorului (cu cat wpm este mai mare cu atat durabilitatea motorului scade)

(m/s) 

Motoare lente wpm=3...6,5 m/s 27

 

Motoare semirapide wpm=6,5...10 m/s Motoare rapide wpm >10m/s (formula 1 si motoarele de locomotiva)

Puterea specifica (PS) (fig.33) este un indicator important pentru forma constructiva a pistonului. Puterea specifica (PS) este raportul dintre puterea efectiva maxima si aria totala a suprafetelor transversale ale cilindrilor motorului.

(W/mm2)

Fig. 32 Puterea maxima in functie de cilindree

• • •

Fig. 33 Puterea specifica 1- piston Al, monobloc 2-piston fonta, monobloc 3-piston compus (mai multe bucati din diferite materiale)

- Masa specifica (ms) – este masa motorului uscat (fara combustibil, ulei si lichid de racire) complet echhipat, raportata la puterea efectiva maxima.

(kg/kW) 28

Puterea pe cilindru (PCIL)

(kw/cilindru) -

Masa litrica (mL) – masa motorului uscat raportata la cilindreea totala

(kg/litru)

7. INTRODUCERE IN MECATRONICA 7.1 Conceptul de „mecatronică”: definitie; modele Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost conceput în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric si protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se referea initial la complectarea structurilor mecanice din constructia aparatelor cu componente electronice. În prezent termenul defineste o stiintă inginerească interdisciplinară, care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din constructia de masini, electrotehnică si informatică, îsi propune să îmbunătătească performantele si functionalitatea sistemelor tehnice. Ca si în cazul multor altor domenii de mare complexitate, în literatura de specialitate nu există o definitie unitară a notiunii de mecatronică. În IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (1996) mecatronica a fost definită astfel: “Mechatronics is the synergetic integration of mechanical engineering with electronic and intelligent computer control in the design and manufacturing products and processes.”, în traducere: “Mecatronică este integrarea sinergetică a ingineriei mecanice cu controlul electronic si cel inteligent cu calculatoare în proiectarea si fabricatia produselor si proceselor.”. Termenul “sinergetică” impune o detaliere. În Mic Dictionar Enciclopedic (Editura Enciclopedică Română, 1972) termenul “sinergie” este definit astfel: - gr. Synergia (“conlucrare”) s.f. (FIZIOL.) Asociatie a mai multor organe sau tesuturi pentru îndeplinirea aceleiasi functiuni. Cele mai sugestive reprezentări ale mecatronicii sunt reprezentate prin intersectia a trei sau mai multor cercuri. După modul în care sunt definite zonele de intersectie, există multe modele, unele fiind prezentate în figura 1 [GIU02]. Modelul din figura 35 detaliază continutul celor 3 cercuri din figura 34 a si sintetizează principiile pe baza cărora a fost conceput învătământul de mecatronică la Universitatea „Transilvania” din Brasov: Studiul mecatronicii si proiectarea si realizarea sistemelor mecatronice trebuie clădite pe cei trei piloni principali: mecanica, electronica, tehnica de calcul, fiecare cu subsistemele si subdomeniile lui principale, iar intersectia acestora conduce la sisteme si produse cu caracteristici remarcabile, superioare unei simple reuniuni a componentelor de diferite tipuri. Acest lucru impune înzestrarea specialistului în mecatronică cu cunostinte temeinice din domeniul mecanicii, electronicii si tehnicii de calcul, dar si al sistemelor mecatronice, de cele mai diferite tipuri, si al principiilor si etapelor de proiectare si realizare a acestora.

Fig. 34 Diagrame pentru ilustrarea notiunii de mecatronică: a) Conceptul Universitătii Stanford; b) Conceptul Universitătii Missouri-Rolla; c) Conceptul Universitătii Purdue

Fig. 35 Diagramă cu detalierea subsistemelor

7.2 Evolutia sistemelor tehnice: de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice Dezvoltarea mecatronicii si a produselor si tehnologiilor mecatronice reprezintă o etapă logică si concretă în evolutia stiintei si tehnologiei, iar revelatia inginerului de la Yaskawa era inevitabilă, în conditiile în care electronica devenise o componentă care nu mai putea fi separată de sistemele mecanice. Evolutia omenirii a fost însotită de o dezvoltare lentă a uneltelor, dispozitivelor si sistemelor create si realizate de om, începând din paleolitic si până în secolul 18, când odată cu inventarea masinii cu abur (James Watt - 1788), care a marcat începutul revolutiei industriale, sistemele tehnice au cunoscut o evolutie rapidă. Masina cu abur s-a constituit într-una dintre primele borne ale procesului de înlocuire a muncii fizice, prestate 30

de oameni si animale, cu lucrul mecanic efectuat de masini. Câteva repere importante dea lungul acestui drum: 1775 - prima masină orizontală de găurit si alezat tevile de tun (englezul John Wilkinson); 1784 - ciocanul mecanic cu abur; 1795 – presa cu transmisie hidraulică; 1797 - primul strung cu cărucior si păpusă mobilă, actionate de un ax elicoidal; vaporul cu aburi (începutul secolului 19); locomotiva cu aburi (mijlocul secolului 19). Pe parcursul secolului al 19-lea apar si se dezvoltă motoarele cu ardere internă, ca rezultat al preocupării unor inventatori de geniu de a realiza mijloace de transport rutiere: 1807 - brevet pentru un motor cu un cilindru vertical, cu functionare cu gaz si cu aprindere cu ajutorul unei scântei electrice; 1872 - inventia motorului cu benzină si supape laterale motorul Otto; 1887 - motorul Daimler, cu ardere internă, cu doi cilindri în V, la care aprinderea combustibilului avea loc la fiecare rotatie a arborelui (capacitatea cilindrică de 1,5 l; puterea de 7,5 CP); Caracteristica esentială a sistemelor tehnice de până în jurul anilor 1900 este aceea că acestea erau pur mecanice. Mecanica „pură” a permis realizarea unor adevărate bijuterii tehnice, cum ar fi precursorul genial al calculatorului electronic, reprezentat de masina de calcul a lui Charles Babbage, sau masina de scris mecanică; s-au pus însă în evidentă si limitele acestor sisteme. Germenii unei ere noi apar odată cu dezvoltarea motoarelor electrice - motorul de curent continuu în 1870 si cel de curent alternativ în 1889, care au permis, realizarea, la începutul secolului 20, a unor sisteme mecanice cu actionare electrică (pompe, masiniunelte etc.). Electrotehnica a permis si saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, având ca exponenŃi avioanele, masinile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele (fig.12). Perioada de după cel de-al doilea război mondial este caracterizată prin realizări stiinŃifice si străpungeri tehnologice remarcabile: primul calculator electronic numeric în 1945, tranzistorul cu germaniu în 1948, cel cu siliciu în 1952, tiristorul în 1958, primul circuit integrat în 1959, laserul etc. În 1953 la Massachussets Institute of Technology (M.I.T.) s-a realizat si s-au făcut demonstratii cu o masină de frezat cu comandă numerică. Ca început al masinilor unelte cu comandă numerică poate fi considerată utilizarea benzii perforate în războiul de tesut automat (de către Jaquard) si în pianola mecanică cu program. Un rol important în perfectionarea acestor masini l-a avut utilizarea calculatorului în locul benzii perforate, ajungându-se la comanda numerică, cu ajutorul calculatorului, a masinilor unelte. La începutul anilor 1960 sunt realizati si primii roboti industriali. Fabricarea si utilizarea robotilor a fost facilitată de rezolvarea anterioară a unor probleme tehnice, indispensabile pentru functionarea robotilor: - Problema manipulării pieselor la distantă, cu ajutorul mecanismelor articulate, denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impusă de necesitatea manipulării materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, în procesul utilizării energiei nucleare. În 1947 a fost construit primul telemanipulator cu servoactionare electrică, în care operatorul uman nu controla forta de prindere. În 1948 a fost introdusă legătura inversă (feed-back), realizându-se astfel telemanipulatorul cu „buclă închisă”. Fabricarea manipulatoarelor cu operator uman a implicat rezolvarea unor probleme esentiale pentru proiectarea si realizarea unui robot: modelarea cu ajutorul mecanismelor a miscărilor bratului si antebratului omului (mecanisme de pozitionare); modelarea cu ajutorul mecanismelor a miscărilor a miscărilor de orientare specifice încheieturii mâinii omului (mecanisme de orientare); modelarea miscărilor degetelor mâinii, specifice operatiilor de prindere. - Problema automatizării masinilor unelte prin intermediul comenzii numerice. A permis stăpânirea comenzii incrementale a miscărilor si a pozitionării de mare precizie, prin dezvoltarea de servo-motoare, servo-comenzi si senzori de pozitie/deplasare. 31

- Problema automatizării calculelor si a controlului cu ajutorul calculatoarelor electronice Iată câteva repere semnificative în evoluŃia roboticii: - 1961 - instalarea primului robot industrial - UNIMATE la General Motors. Si în următoarele decenii industria automobilului a fost forta motrice pentru productia robotilor industriali. Astfel, în 2002, în Germania erau 120 de roboti la fiecare 10.000 de angajati, dar în industria automobilului proportia era de 1 robot la 10 muncitori productivi. - 1963 - Cercetătorii de la Rancho Los Amigos Hospital din California au construit „Rancho Arm” pentru sprijinirea persoanelor handicapate. Avea 6 articulatii, dispunea de gradele de mobilitate ale mâinii umane si a deschis drumul spre construirea roboŃilor antropomorfi. Intelligence Laboratory, robotul Stanford pentru microchirurgie. Avea 6 grade de mobilitate si era primul robot conceput pentru comanda cu calculatorul. A fost precursorul unor roboti industriali remarcabili, ca PUMA (Programmable Universal Manipulator for Assembly), robotul cu cel mai mare succes de piată până în prezent. - Robotul mobil Stanford Cart a reusit prima parcurgere a unei incinte mobilate cu scaune. Se baza pe o cameră video, montată pe o sanie, si îsi stabilea drumul pe bază de grafuri si algoritmi de căutare. Primele masini mobile reprezentative au fost însă „broastele testoase” Elsie si Elmer ale englezului Grey Elmer, în 1950, capabile să identifice o priză electrică si să-si încarce bateriile. - 1973 - La Universitatea Waseda din Tokyo a fost realizat primul robot umanoid în mărime naturală - Wabot-1. Japonezii sunt cei mai puternici sustinători ai dezvoltării unor roboti cu aspect umanoid, care să fie acceptaŃi mai usor ca „parteneri” în servicii, munci casnice, ajutorarea persoanelor handicapate. Exemple semnificative: robotii P3 (Honda) si Asimo (Advanced Step in Innovative Mobility). Acesta din urmă, realizat în 2001, are o înăltime de 1,20 m, o greutate de 43 kg, iar prin modificarea centrului său de greutate se poate deplasa si în curbe. - Doi roboti umanoizi renumiti de la M.I.T. - Kismet („Soartă”), are buze de cauciuc, urechi rozalii, care arată ca două servetele împăturite, ochi mari, în care sunt montate camere miniaturale si poate vedea, auzi si vorbi cu ajutorul unui sintetizator; Cog (Cognition = Cunoastere), este constituit dintr-un trunchi de robot, care poate prinde obiecte si le poate aduce în dreptul celor doi ochi, materializati prin două camere video. Câteva dintre realizările din domeniul roboticii par a fi desprinse din science-fiction si ele nu ar fi fost posibile fără dezvoltarea spectaculoasă a tehnicii de calcul si, în special, a microelectronicii, care este un pilon de bază al sistemelor. În finalul acestui paragraf se vor puncta câteva dintre principalele etape ale dezvoltării tehnicii de calcul. Prelucrarea automată a informatiilor a fost revolutionată de aparitia si dezvoltarea calculatoarelor electronice numerice. Prima generatie a fost realizată cu tuburi electronice, primul calculator din aceasta generaŃie fiind ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Calculator), construit între 1942-1946 la Universitatea Pennsylvania. A urmat generatia a doua, cu tranzistoare, între anii 1950-1960, pentru ca nasterea microelectronicii să genereze salturi revolutionare, marcate de următoarele etape semnificative: - 1959 - anul de nastere a microelectronicii; primul circuit integrat (TEXAS INSTRUMENTS); - 1971 - producerea primului microprocesor de 4 biti - INTEL-4004; - 1974 - aparitia microprocesoarelor de 8 biti - INTEL-8080; - 1978 - producerea primului microcontroller; - 1981 - primul calculator personal IBM PC-XT; - 1985 - lansarea sistemelor software AUTOCAD, dBASE III, IV si a unor noi limbaje de programare de nivel superior: PASCAL, C; - 1986 - limbaje de programare destinate rezolvării problemelor de inteligentă artificială: LISP, PROLOG; procesare în limbaj natural; 32

- 1987cu hard-disk-uri; Alte etape importante parcurse din 1987 si pâna în prezent: - mărirea continuă a capacitătii de stocare a discurilor hard; - dezvoltarea tehnicilor de procesare în paralel; - introducerea discurilor optice read/write; - utilizarea de microprocesoare din ce în ce mai performante; - dezvoltarea unor noi sisteme de operare, cu performante superioare; - mărirea capacitătii memoriei interne; - cresterea vitezei de prelucrare; - extinderea posibilitătilor de lucru în mod grafic etc. Succinta prezentare a evolutiei sistemelor tehnice, de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice, sintetizată si în figura 36, permite evidentierea câtorva concluzii: - Integrarea electronicii si a tehnicii de calcul a condus la simplificarea substantială a componentelor mecanice si la sisteme mai ieftine. Părti mecanice au fost înlocuite cu componente electronice, mai ieftine, mai fiabile si mai usor de întretinut, întrucât pot facilita auto-diagnoza. Aceste sisteme sunt mai precise, întrucât precizia nu se bazează pe rigiditatea si stabilitatea mecanică, ci pe sisteme electronice de măsurare si reglare. Simplificarea constructiei mecanice a fost facilitată si de comanda descentralizată, cu ajutorul microcalculatoarelor, a actionărilor electrice, ca, de exemplu, la masini de scris, masini de cusut, manipulatoare cu mai multe cuple. - În perspectiva unor construtii mai usoare, s-au realizat sisteme relativ elastice, cu o amortizare mecanică redusă, dar la care o comandă cu reactie adecvată, bazată pe electronică, senzori si actuatori adecvati, asigură o amortizare electronică. Exemple: roboti elastici, transmisii de putere elastice, macarale uriase, sisteme hidraulice, conducte si constructii în spatiul cosmic. - Introducerea unor sisteme de reglare pentru pozitie, viteză, fortă etc. permite nu numai mentinerea în limite rezonabile de precizie a mărimilor programate, dar si obtinerea unei comportări quasi-liniare, chiar dacă sistemul mecanic comandat este neliniar.

Fig.36 Evolutia sistemelor mecanice, electrice si mecatronice

7.3 Conceptul de sistem mecatronic Un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează, într-o configuratie flexibilă, componente mecanice, electronice si de comandă cu sisteme numerice de calcul, pentru generarea unui control inteligent al miscărilor, în vederea obtinerii unei multitudini de functii. Diagrama bloc a unui sistem mecatronic este prezentată în fig.37.

Fig.37 Diagrama bloc a unui sistem mecatronic 34

7.4 Cuvinte cheie în mecatronică - Integrare spatială prin întrepătrunderea constructivă a subsistemelor mecanice, electronice si de comandă; - Integrare functională, asigurată prin software. - Inteligentă, raportată la functiile de control ale sistemului mecatronic si caracterizată printr-o comportare adaptivă, bazată pe perceptie, rationament, autoînvătare, diagnosticarea erorilor si reconfigurarea sistemului (comutarea pe module intacte în cazul unor defectiuni) etc. - Flexibilitate, caracterizată de usurinta cu care sistemul poate fi adaptat, sau se poate adapta singur, la un nou mediu, pe parcursul ciclului său de functionare; implică schimbarea adecvată a programelor de control (software) si nu a structurii sale mecanice sau electrice (hardware). 7.5 Clasificarea sistemelor mecatronice Fără îndoială că pot fi luate în considerare multiple criterii pentru clasificarea sistemelor mecatronice, iar câteva dintre cele mai interesante, vor fi prezentate în continuare. Clasificare [ISE96] [ISE96] Isermann, R.: Information Processing for Mechatronic Systems, Robotics and Autonomous Systems, 19 (1996), pp.117-134. În [ISE96] clasificarea se bazează pe sistemele mecanice, care constituie suportul pentru configurarea unei structuri mecatronice: - Componente mecanice (incluzând componente mecanice de bază - lagăre, ghidaje, cuplaje, angrenaje etc. si componente pentru generarea fortelor si miscărilor - lanturi cinematice, lanturi de actionare, componente hidraulice/pneumatice, componente electromecanice etc.); - Masini (incluzând masini generatoare de energie - electromotoare, motoare cu combustie internă, turbine etc.) si masini consumatoare de energie - masiniunelte, utilaje tehnologice, masini agricole); - Vehicule (automobile, trenuri, vapoare, avioane, navete spatiale); - Produse ale mecanicii fine (incluzând componente mecanice de precizie - lagăre, ghidaje, lanturi cinematice si de actionare, comutatoare, relee, senzori, actuatori si dispozitive de mecanică fină - înregistratoare, imprimante, dispozitive de comunicatie, aparatură electrocasnică, aparatură optică, aparatură medicală); - Produse ale micro-mecanicii (incluzând componente micro-mecanice - lagăre, ghidaje, lanturi cinematice si de actionare si sisteme micro-mecanice - senzori, actuatori, motoare, pompe). Prin adăugarea si integrarea componentelor electronice si de comandă cu sisteme decalcul la/în aceste structuri mecanice se obtin sisteme mecatronice corespunzătoare, care pot fi clasificate în: - Masini mecatronice; - Mecatronică de precizie; - Micro-mecatronică. Clasificare [LYS02] [LYS02] Lyshevski, S.E.: Mechatronic Curriculum – Retrospect and Prospect, Mechatronics 12 (2002), pp.195-205. 35

O altă clasificare (fig.38), propusă în [LYS02], împarte sistemele mecatronice în: - Sisteme mecatronice conventionale; -mecatronice; -mecatronice.

Fig. 38 Variantă de clasificare a sistemelor mecatronice [LYS02] Presupunând că prima categorie acoperă primele patru grupe ale clasificării prezentate mai sus, se observă că în această a doua clasificare apare o clasă nouă de sisteme mecatronice, respectiv sistemele nano-mecatronice. Dacă principiile de operare si teoriile fundamentale sunt aceleasi pentru sistemele mecatronice conventionale si sistemele micro-mecatronice, respectiv mecanica clasică si electromagnetismul, sistemele nanomecatronice sunt studiate cu ajutorul unor concepte si teorii diferite, cum ar fi mecanica cuantică si nano-electromecanica. Clasificare [RZE03] [RZE03] Rzevski, G.: On Conceptual Design of Intelligent Mechatronic Systems, Mechatronis 13 (2003), pp.1029-1044. O a treia clasificare prezentată în acest paragraf [RZE03], analizează sistemele mecatronice din punct de vedere al caracteristicilor lor comportamentale, si le împarte în: - Sisteme mecatronice automate; - Sisteme mecatronice inteligente; - Retele mecatronice inteligente. Sistemele mecatronice automate sunt capabile să manevreze materiale si energie, comunicând cu mediul înconjurător si au capacitatea de auto-reglare, care le permite să reactioneze la schimbări previzibile ale mediului într-un mod programat anterior. Marea majoritate a sistemelor mecatronice aparŃin acestei categorii. Sistemele mecatronice inteligente sunt capabile să realizeze un scop impus în conditii de incertitudine. Spre deosebire de sistemele automate, care sunt programate pentru a se comporta într-un mod dorit si sunt, în consecintă, previzibile, sistemele inteligente pot atinge un scop specificat într-un mod imprevizibil. Ele sunt înzestrate cu un înalt nivel de flexibilitate, fiind capabile să răspundă la schimbări frecvente ale mediului, fără a fi 36

necesară o reprogramare a lor. Această diferentă calitativă în comportament este determinată de separarea bazei de cunostinte (knowledge base) de motorul de rezolvare a problemei (inference engine), concept de bază în inteligenta artificială. Exemple de astfel de sisteme sunt masinile-unelte inteligente, robotii inteligenti, vehicule cu ghidare autonomă, avioane fără pilot, rachete auto-ghidate, compresoare inteligente cu geometrie variabilă. Atât sistemele mecatronice automate, cât si cele inteligente, pot fi incluse într-una din grupele celor două clasificări precedente, în functie de specificul lor. O nouă si interesantă grupă propusă în [RZE03] este cea a unor retele de sisteme inteligente, interconectate mutual, sau retele mecatronice inteligente. Aceste retele sunt capabile să decidă asupra comportamentului lor prin negocieri între unitătile componente autonome (nodurile retelei). Fiecare componentă este un sistem mecatronic inteligent. Semnificativă este pentru acest fel de retele capacitatea fiecărei unităti de a-si îmbunătăti performantele prin auto-organizare (modificarea relatiilor dintre unitătile componente, în scopul îmbunătătirii performantelor globale ale sistemului). Cele mai evoluate retele sunt supuse unui continuu proces de evolutie (prin deconectarea si eliminarea unitătilor mai putin utile si conectarea unor noi unităti cu efecte benefice pentru scopurile urmărite de retea). Flotile de avioane fără pilot, colonii de masini agricole inteligente, sisteme de fabricatie inteligente (de exemplu, holonice), echipe de roboti militari, de salvare sau de jocuri sportive, sunt exemple semnificative pentru astfel de retele. Clasificare ce are la bază domeniile în care sunt utilizate sistemele mecatronice O ultimă clasificare are la bază domeniile în care sunt utilizate sistemele mecatronice (tabelele 7.5.1 – 7.5.3). Se regăsesc, grupate după un alt criteriu - cel al domeniului de utilizare – multe dintre sistemele mecatronice care au fost mentionate cu ocazia prezentării criteriilor de clasificare precedente. Ceea ce se poate deduce din examinarea tabelelor 7.5.1÷7.5.3, care sunt oricum selective si incomplecte, este faptul că nu există nici un domeniu al vietii economice si sociale în care sistemele mecatronice să nu aibă un rol predominant, iar acest rol creste continuu. Multi oameni au o imagine relativ clară despre rolul acestora: în industrie, reprezentat de roboti, masini unelte cu comandă numerică, sisteme flexibile, sisteme complexe de măsurare si control, magazii automate etc.; în vehicule civile si militare: automobile, trenuri de mare viteză, avioane, rachete etc., dar mai putini, poate, intuiesc rolul acestora în agricultură. În tabelul 7.5.2. sunt enumerate: masini agricole autonome, roboti agricoli, sisteme pentru irigatii comandate de calculator, dar rolul mecatronicii în agricultură este mult mai amplu. Fermele moderne, de mare productivitate, presupun împânzirea terenului agricol cu o multitudine de senzori, receptatii prin satelit (GPS), care furnizează date despre umiditatea din sol, despre continutul în substante nutritive etc, pe baza cărora se realizează irigarea si distribuirea automată a îngrăsămintelor.

Tabel 7.5.1

Tabel 7.5.2

Tabel 7.5.3

Clasificare IFAC (International Conference of Automatic Control) Clasificarea sistemelor mecatronice conform IFAC (International Conference of Automatic Control) O imagine asupra diversitătii si complexitătii domeniilor care sunt incluse în vasta notiune de “Mecatronică” poate fi furnizată de tematica sectiunilor primei conferinte 40

IFAC (International Conference of Automatic Control) de “Sisteme Mecatronice”, organizată între 18 si 20 septembrie 2000 la Darmstadt (Germania): - Sectiunea A - Sisteme mecatronice, incluzând vehicule mecatronice, motoare si masini mecatronice, trenuri mecatronice si sisteme spatiale mecatronice; - Sectiunea B - Componente mecatronice, cu temele actuatori si dispozitive mecatronice si lagăre magnetice; Sectiunea C - Roboti si masini păsitoare, cuprinzând roboti mecatronici, sistemetrobotice mobile, masini păsitoare; - Sectiunea D - Proiectarea sistemelor mecatronice - a avut ca centre de greutate: modelarea si identificarea; instrumente software; simularea în timp real si hardware-in-theloop; - Sectiunea E - Controlul automat al sistemelor mecatronice, s-a concentrat asupra metodelor de control, a controlului miscării si vibratiilor si a sistemelor mecatronice pentru detectarea si diagnosticarea erorilor. Clasificare (JSPMI) societatea japoneza pentru promovarea industriei constructoare de masini O alta clasificare a sistemelor mecatronice conform societatii japoneze pentru promovarea industriei constructoare de masini (JSPMI) Fosta societate japoneza pentru promovarea industriei constructoare de masini (JSPMI) clasifica produsele mecatronice in: Clasa 1 - produse mecanice cu electronica incorporata pentru a mari capacitatile functionale. Exemple tipice: masini unelte cu comanda numerica si actionarile cu viteza variabila pentru masinile de productie de masa. Clasa 2 - sisteme mecanice traditionale cu o componenta electronica semnificativ modernizata dar cu interfata utilizator neschimbata. Ex: masini de tesut/cusut si sisteme de productie automate. Clasa 3 - sisteme care mentin functionalitatea sistemelor mecanice traditionale dar mecanismele interne sunt inlocuite printr-un sistem electronic adecvat. Ex: ceasul electronic Clasa 4 - produse proiectate cu tehnologie mecanica si electronica printr-o integrare sinergica. Ex: xerox, masini de spalat si masini de gatit automate. Concluzii - produsele clasei 1 sunt definite prin servo-tehnologie, electronica de putere si teoria controlului, - produsele din clasa 2 sunt remarcabile prin utilizarea componentelor de calcul si memorie si circuite cu capabilitati speciale, - produsele clasei 3 sunt caracterizate prin inlocuiri ale sistemelor mecanice de catre circuite integrate si microprocesor, - produsele clasei 4 sunt practic produsele mecatronice prin integrarea sinergica a tehnologiilor. 41

7.6 Consideratii privind proiectarea sistemelor mecatronice Este un fapt evident, că produsele mecatronice prezentate în tabelele 7.5.1÷7.5.3 sunt prea complexe, pentru a fi proiectate de o singură persoană, sau de un număr mare de persoane, de diferite specializări, în măsura în care acestea nu lucrează în echipă. Varianta de proiectare clasică, anterioară filozofiei mecatronice, presupunea proiectarea unui produs, având o functie mecanică (de executie de miscări sau transmitere de forte) si înzestrat cu componente electrice si electronice si un sistem de control, în mai multe etape succesive (fig.39): - într-o primă etapă, ingineri mecanici proiectau structura mecanică de bază; - în a doua fază a proiectării, inginerii de profil electric si electronic complectau această structură cu senzorii si actuatorii necesari; - ultima etapă era realizată de ingineri automatisti, al căror rol consta în implementarea unei structuri de control si a unui algoritm adecvat functionării întregului ansamblu. Această filozofie, utilizată în proiectarea unor produse complexe, a condus nu numai la solutii scumpe si ineficiente, dar a generat si multe efecte dezastroase.

Fig.39 Modelul proiectării clasice (secventiale) Prin contrast, mecatronica are la bază principiile ingineriei concurente, impunând, încă din momentul demarării proiectării unui produs, munca într-o echipă, care include atât ingineri de diferite specializări, cât si reprezentanti ai compartimentelor de fabricatie, marketing, din domeniul financiar etc. Colaborarea permanentă pe parcursul proiectării este esentială, întrucât sistemul mecanic influentează sistemul electronic, si invers, sistemul electronic are un rol important în proiectarea unei structuri mecanice adecvate. Obtinerea efectelor sinergetice poate fi realizată numai prin inginerie simultană (fig.40).

Fig. 40 Modelul proiectării simultane (concurente) Vor fi prezentate si comentate două puncte de vedere privind etape si principii de proiectare a sistemelor mecatronice, apartinând unor personalităti de prestigiu din Europa, cu rezultate remarcabile în proiectarea, realizarea si testarea de produse mecatronice. Conform cu [ISE99] etapele proiectării unui sistem mecatronic sunt sintetizate în figura 41 Etapele specifice sistemelor mecatronice sunt listate cu litere cursive. Câteva aspecte importante, care trebuie avute în vedere de proiectantii de sisteme mecatronice, sunt sintetizate în [ISE96]. Succesiunea etapelor de proiectare din figura 41 este comentată si argumentată în [ISE99]: 7.6.1. Functii ale sistemului mecatronic - Proiectarea sistemului mecanic de bază: simplificare; - Împărtirea functiilor între mecanică si electronică; - Performante în functionare: precizie, domenii mari de lucru, functionarea în apropierea limitelor extreme; - Functii noi: controlul mărimilor care nu pot fi măsurate, generarea unor comportamente dinamice speciale, sisteme adaptive, detectarea timpurie a erorilor în functionare si diagnosticarea erorilor; - Vehicule „drive-by-wire”, avioane „fly-by-wire”: tolerante la erori, componente redundante, propietăti influentate de software; - Noi senzori (micro-mecatronică), senzori inteligenti; - Noi actuatori: electro-mecanici, piezo-electici, electro-reologici. 7.6.2. Forme de integrare - Integarea componentelor (integrarea hardware, integrarea senzorilor, actuatorilor si a microelectronicii în structura mecanic a sistemului); - Integrarea prin procesarea informtiei (integrarea software, bazată pe cunoasterea modelului si a procesului, metode algortmice). 7.6.3. Componente electronice - Lant de prelucrare a informatiei: senzori → microcalculatoare → actuatori; - Microelectronică „dedicată” (embedded); - Microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri, ASIC; - Magistrale si protocoale de comunicatie: CAN-, PROFI-, SERCO-Bus;

Fig.41 Etapele proiectării unui sistem mecatronic [ISE99] - Structuri redundante: arhitecturi duble si triple pentru functiile critice pentru siguranta sistemului. 7.6.4. Operare: noi interfete om-masină - Pedale electronice sau manete cu reactie haptică; - Tele-manipulare; - Noi tipuri de sisteme de afisare. 7.6.5. Metode de proiectare - Instrumente software pentru modelare si simulare; 44

Instrumente software pentru proiectarea si constructia sistemelor mecanice si electronice; - Simulare în timp real (simulare „hardware-in-the-loop”, prototipare a controlului). 7.6.6. Efecte sinergetice - Noi efecte prin integrarea hardware si software; - Reducerea componentelor mecanice, prin îmbinarea componentelor mecanice si electronice. Una dintre cele mai provocatoare probleme în proiectarea sistemelor mecatronice este aceea a elaborării arhitecturii sistemului, respectiv a alegerii componentelor hardware (actuatori, senzori, electronică de putere, circuite integrate (ICs - Integrated Circuits), microcontrollere, DSP-uri) si a modulelor software (algoritmii pentru realizarea perceptiei si controlului, fluxul de informatie si achizitia datelor, simularea, vizualizarea si prototiparea virtuală). Principalele diferente de abordare a proiectării sistemelor conventionale si a celor mecatronice sunt sintetizate în tabelul 7.6.6.1. Tabel 7.6.6.1. Diferente principiale între proiectarea conventională si cea mecatronică

Extrem de utile pot fi pentru specialisti si principiile privind proiectarea conceptuală, prezentate în [RZE03]. Articolul se referă, în principal, la sisteme mecatronice inteligente si retele de sisteme mecatronice inteligente, dar contine câteva principii foarte interesante privind proiectarea conceptuală, care pot fi de un real folos pentru proiectanti. Conform [RZE03], programarea conceptuală este o fază initială a proiectării, în care proiectantii selectează conceptele care vor fi utilizate în rezolvarea unei anumite probleme si decid cum să interconecteze aceste concepte într-o arhitectură adecvată a sistemului. Iată sinteza principalelor reguli aferente programării conceptuale: - Unul dintre cele mai importante secrete ale unei proiectări reusite constă în păstrarea deschisă, cât mai mult timp posibil, a optiunilor de proiectare. La începutul fiecărui proces de proiectare există a varietate mare de candidati la solutionarea problemei respective si multă incertitudine privind cea mai potrivită solutie. Această situatie este mai acută în cazul sistemelor pentru care specificatiile utilizatorului sunt foarte vagi, sau care au o dinamică înaltă. Regula de bază constă în reducerea incertitudinii în mod gradual, pas cu pas, evitându-se ancorarea de o solutie de proiectare particulară, atât timp cât nu este strict necesar. O modalitate de a păstra deschise optiunile, legate de solutiile problemei, este oferită de amânarea selectării componentelor fizice până după selectarea conceptelor privind rezolvarea proiectului, interconectarea acestora într-un sistem de concepte adecvat si validarea proiectării conceptuale. Un rezultat important al acestei etape este reprezentat 45

de o diagramă, denumită arhitectura sistemului, care sintetizează legăturile dintre blocurile conceptuale. - Pe parcursul proiectării conceptuale a sistemelor mecatronice principala alegere privind arhitectura trebuie făcută între un sistem ierarhic si cel de tipul unei retele. Conform legii lui Metcalf, valoarea unei retele este egală cu pătratul numărului de noduri, crescând polinomial, în timp ce valoarea unui sistem ierarhic creste liniar, odată cu mărirea numărului de noduri. Un alt argument, care recomandă o retea fată de un sistem ierarhic, este acela că un sistem în care decizia este distribuită în noduri, este mai aproape de senzori si actuatori si poate reactiona mult mai rapid decât un sistem centralizat, cu un drum si interval mai lung între raportarea unui eveniment si receptionarea deciziei. Concluzia este valabilă si pentru retele constituite din oameni. - Altă regulă de bază a fost este cea a utilizării ingineriei concurente, în detrimentul proiectării clasice, succesive, si a mai fost tratată în acest paragraf. Autorul articolului prezintă câteva exemple de proiectare conceptuală, bazate pe experienta personală (o masină-unealtă inteligentă, un compresor inteligent cu geometrie variabilă), dar si un studiu de caz, foarte interesant, privind esecul proiectării unui sistem mecatronic foarte complex, reprezentat de o navă de război, comandată cu sisteme numerice sofisticate. Proiectarea s-a realizat separat pentru cele trei sisteme mecatronice componente: nava, cu sistemele ei de propulsie, sistemul de comunicatie si sistemul de rachete, dar nava nu a putut să realizeze misiunea ei de bază, constând în lansarea cu maximă precizie a rachetelor, fără o sincronizare adecvată cu miscările navei si sistemul de comunicatie si au fost necesari mai multi ani pentru remedierea deficientelor. Principalele erori de proiectare au constat în: - Proiectarea separată a celor trei componente mecatronice si a sistemului lor de control; - Ignorarea conditiilor extrem de imprevizibile si volatile de operare a navei pe mare, în conditii de război, care ar fi impus o solutie cu control inteligent, distribuit, în locul unei comenzi centralizate. Metodele si principiile de proiectare, prezentate mai sus, sunt foarte importante, dar abilitătile si competentele de proiectare si realizare a sistemelor mecatronice se câstigă prin lucrul în echipă pentru rezolvarea de proiecte concrete. Japonezii nu sunt numai promotorii conceptului de mecatronică, dar si maestrii ai proiectării concurente si ai integrării, fapt dovedit de înalta calitate si competitivitate a produselor lor. În companiile japoneze mari, ca Toshiba, Hitachi, Canon, Fujitsu etc., care au un portofoliu de produse foarte larg si îsi motivează specialistii pentru a rămâne în cadrul firmei, fiecare inginer proiectant este repartizat, succesiv, la un anumit număr de proiecte, care pot fi din domenii dintre cele mai deosebite. De exemplu, un inginer poate lucra, în ordine cronologică, în echipe care proiectează un reactor chimic, componente ale unui automobil sau noi tipuri de memorii optice pentru calculatoare. El va dobândi competente deosebite în domeniul mecatronicii, fiind apt, la rândul lui, să coordoneze echipe de proiectanti. 7.7 Dezvoltarea mecatronicii in domeniul scolar Primul program de educatie mecatronică în inginerie a fost elaborat în 1978 la Universitatea Toyohashi din Japonia, de către profesorul K. Yamazaky. Mai bine de un deceniu japonezii au scris despre mecatronică numai în limba maternă. Prima lucrare în engleză, legată de tehnologia si educatia mecatronică a fost sustinută în 1984, de profesorul Yamazaky, la o conferinta internatională pe probleme de educatie tehnologică în inginerie, desfăsurată în Germania. Intensificarea vizitelor universitarilor europeni în Japonia, după 1980, au creat premizele introducerii de cursuri de mecatronică si a 46

înfiintării de specializări de mecatronică la universităti de prestigiu din Germania, Marea Britanie, Belgia, Finlanda, ElveŃia, Olanda etc. În martie 1986 Comitetul Consultativ pentru Cercetare si Dezvoltare al Comunitătii Europene afirmă că: „mecatronica este o nevoie majoră pentru cercetarea europeană si pentru programele educationale”. Câteva repere cronologice semnificative ale dezvoltării educatiei mecatronice în Europa, sunt sintetizate în [MĂT03], având la bază o amplă documentare. Iată unele dintre ele: - Belgia: În 1980 a fost înfiintat, prin eforturile profesorului Hendrik Van Brussel, Institutul de Mecatronică la Universitatea Catolică din Leuven, considerat drept poarta de intrare a mecatronicii în Comunitatea Europeană. - Marea Britanie: În 1984 a fost înfiintat Consiliul pentru Educatie Tehnologică si Afaceri (BTEC), care a elaborat un Program National de Educatie Mecatronică. În 1990 a fost recunoscut oficial „U.K. Mechatronics Forum”, care organizează conferinte internationale bienale de mecatronică, în colaborare cu parteneri externi. Tot în 1990, sub egida Consiliului pentru Stiintă si Cercetare în Inginerie (SERC), a fost înfiintat Centrul de Cercetare si Proiectare în Mecatronică la Universitatea din Lancaster. - Elvetia: În 1988 s-a înfiintat Centrul de Cercetare în Mecatronică la Institutul Federal de Tehnologie din Zürich. În 2003 Elvetia a găzduit Olimpiada Internatională de Mecatronică. - Finlanda: În 1985 s-au înfiintat specializările de mecatronică la universitătile din Tampere, Helsinki si Oulu. În anul 1987 a fost lansat Programul National de Educatie Mecatronică, care include obiective clare pentru învătământ, cercetare si productie si este unul dintre cele mai pragmatice programe de acest tip din Europa. - Olanda: În 1989 guvernul olandez a înfiintat Centrul de Cercetare în Mecatronică la Universitatea din Twente. - Franta: După 1990 au fost înfiintate mai multe Institute de Mecatronică. S-au impus, prin rezultatele obtinute pe plan international cele din Besançon si Clermont-Ferrand. Institutul de Mecatronică din Besançon a initiat congresele Franta-Japonia de mecatronică. 8. TENDINŢE PRIVIND DEZVOLTAREA SISTEMELOR MECATRONICE INTELIGENTE 8.1. Natura acestor sisteme pe scara umană 8.1.1. Performanţă maximă Sistemele mecanice considerate aici sunt fundamental neliniare (opusul sistemelor care lucrează la viteză constantă precum turbinele, pompele, elicele, etc.). Această neliniaritate este baza pentru utilizarea lor (prese, roboţi, eleroanele avioanelor, sistemele de asamblare, vanele de apă ale vapoarelor, etc.). Din nefericire, neliniaritatea conduce la modele complexe incredibile scopului lor (cuprinzând 100 sau mai multe criterii care pot fi în conflict). Nu avem corpul analiticii imediate folosite la tratarea acestor neliniarităţi în sisteme care necesită răspuns foarte energic (în mai puţin de o mili-secundă) de a schimba necesităţile la ieşire (turbulenţa la avioane, efectele temperaturii, tulburările proceselor, etc.). Răspunsurile stabilite (prin metodele bazate pe liniarizare) rezultă într-o operaţie de conservare extremă (a riscului minim) care nu este uşor influenţat de operatorul uman (ultimul client). Aceasta conduce la subiectul controlului bazat pe criterii. Care criteriu determină operaţia bună (sau proiectul) faţă de cea rea? Care este formularea analitică a lor? Sunt ele cele mai întemeiate pentru experimentare şi stocare ca un plan de criterii? Care este înţelesul fizic al lor încât proiectantul poate decide foarte clar cât este de prioritar; când aceste criterii sunt extrem de volatile, cum sunt rezolvate conflictele dintre ele? 47

Această formulare bazată pe criterii conduce la trei cerinţe de bază care trebuie să fie satisfăcute pentru aceste sisteme mecanice neliniare în scopul de a asigura funcţionarea lor economică şi îmbunătăţirea continuă a proiectului peste timp. În primul rând trebuie să ne străduim întotdeauna pentru un set de performanţe maxime (tocmai cum facem acum pentru motoarele avioanelor de vânătoare). Acest obiectiv de performanţă în timp real vrea să spună că proiectantul poate fi mult mai agresiv (câştigând la limita performanţei vor apărea riscuri - supraîncălzire, vibraţii, saturaţie, etc. – dar operaţii bazate pe criterii identifică aceste ameninţări şi administrează sistemul ca atare). După cum abordăm ambalajul, rezerva de performanţă este epuizată mult mai repede. Aceasta este partea deciziei operatorului de a cunoaşte în plus necesitatea imediată a costului real recunoscut 8.1.2. Mentenanţa bazată pe condiţie (MBC) A doua cerinţă este strâns asociată cu conceptul rezervei de performanţă. Aceasta cuprinde o analiză istorică completă a cerinţelor pe sistem, zona performanţei actuale a lui (zona a fost redusă ca indicaţii, prin datele de la senzori, ale parametrilor operaţionali cheie). Cum afectează această reducere a zonei de performanţă a subsistemului operaţia globală a sistemului, care este acţiunea recomandată la operator, va fi înlocuit subsistemul şi unde, etc.? MBC este clar dependentă de aceleaşi criterii de performanţă utilizate la definirea zonei de performanţă, cu nevoia suplimentară de a prevedea arhivarea şi înlocuirea sau recomandarea deciziei de actualizare la operator. 8.1.3. Toleranţa greşelii A treia cerinţă pentru sistemele inteligente este că ele trebuie să fie tolerante la greşeli. Aceaasta începe cu Direcţionarea şi Identificarea Greşelii (DIG) care este bazată pe un model parametric de înaltă calitate al sistemului (testare şi metrologie extinse). 8.1.4. Arhitectura deschisă Îndată ce acest nivel de performanţă est obţinut, există o nevoie pentru arhitectura deschisă în aceste sisteme mecanice complexe de a reduce costul, de a difuza mult mai rapid tehnologia prin upgradări şi de a face reparaţii rapide chiar fezabile, precum este acum făcut pentru computerele personale ieftine. 8.1.5. Ajutorul şi supravegherea umane Pentru această clasă de sistem a obţine impactul lor maxim, el trebuie să satisfacă necesităţile umane şi să fie folosite în mod specific pentru a mări capacitatea fizică umană (orthotice, exochelete pentru ridicarea greoaie, micro-chirurgie, demontarea facilităţilor nucleare, sarcinile de construcţie a clădirilor etc.) unde există incertitudini în sarcini. 8.2. Sistemele mecanice de interes Ceea ce urmează este o primă listare a sistemelor mecanice la scară umană. Fiecare sistem mecanic este prezentat cu o scurtă explicaţie despre cum va influenţa efortul de dezvoltare propus asupra tehnologiei implicate, fig 42.

Fig. 42. Aplicaţii pentru sisteme mecanice inteligente 8.2.1. Automobile / vehicule Nivelul de inteligenţă dintr-un automobil a explodat în ultima decadă (frâne, sistem de 49

alimentare cu combustibil, transmisie, sistem de climatizare etc.). Semnele sunt că suntem în mişcare către toleranţa greşeală (frâne), mentenanţa bazată condiţionat (baterie) şi performanţa maximă (sistemul de alimentare cu combustibil). Aceasta este o ilustrare puternică a nevoii viitoare în acest domeniu. 8.2.2. Aeronave / Nave spaţiale Atât de bune sunt aeronavele noastre, că suprafeţele lor de control sunt realizate prin sisteme care nu sunt suficient de tolerante la greşeli. Un actuator defect determină falimentul unor linii aeriene. Mentenanţa bazată pe condiţie nu este un model de bază, conducând în mare măsură la prea multe alarme false. Sistemele hidraulice trebuie să fie înlocuite prin sub sisteme (electro-mecanice) mai uşoare şi mai inteligente. Arhivarea nu este totuşi la nivelul utilizat pentru aeronavele militare. Este evidentă nevoia de a îmbunătăţi siguranţa aeronavelor, reducând ameninţarea vieţilor umane. 8.2.3. Aeronave elegante O aeronavă de transport este prevăzută a fi în serviciu pentru 50 ani, funcţionarea ei necesită costul de 50 bilioane USD din care 60% se datorează costului cu personalul, acesta fiind unul cuprins în tipul de arhitectură. Modurile tehnice sunt extrem de dificile, supravieţuirea sub atac este departe de a fi sigură şi costurile de instruire sunt importante. Se propune de a deschide în sus arhitectura aeronavei (comunicaţii, distribuţia puterii, actuatori,mânuirea armelor etc.) pentru a se reduce personalul de bord cu 50%, reducerea dramatică a urmei logistice, realizarea modului tehnic prin priză şi acţiune şi reducerea costului proprietăţii în total cu 40%. Acesta este un exemplu perfect pentru desfăşurarea tehnologiei recomandate în această lucrare. 8.2.4. Celulele de fabricaţie Costul cel mai mare asociat cu echipamentul de fabricaţie (mai ales roboţi) este integrarea acestuia în sistemul de producţie al fabricii. Este fezabil acum să se asambleze pe necesitatea sistemelor automate mici şi simple deasupra celulelor de fabricaţie complexă (cu peste 40 DOF) complet integrat prin folosirea unui set minim de module standardizate. O reducere cu 50% a costului de integrare al roboţilor pentru un fabricant auto important va salva 400 milioane USD pe an. Integrarea este vindecarea călcâiului lui Achile din fabricaţie. Acesta este principalul beneficiu care ar fi obţinut de la conceptul celulelor de fabricaţie. În plus, celulele de fabricaţie sunt înalt paralele, făcând reconfigurarea lor şi o alegere de-a lungul fluxului a secvenţelor de proces pentru a fi făcută de operator. Virtual toate tehnologiile recomandate în această lucrare pot fi folosite pentru a satisface această nevoie. 8.2.5. Echipamentul de construcţie Problema majoră este siguranţa lucrătorului asociată cu toate sarcinile complexe şi inerent periculoase asociate cu construcţia (mediu nesigur şi schimbător fizic). Aici noi preferăm să prevedem exoschlete de ajutor, sisteme automate pentru sarcini repetitive, sisteme de teleoperare pentru sarcini cu rază mare de acţiune etc. Costul efectiv devine o problemă care face reparaţia pe loc şi mentenanţa prin personalul instruit nominal. Aceste cerinţe sunt ideale pentru nivelul de inteligenţă şi intervenţie propus aici. 8.2.6. Sisteme cu echipament medical Toate tipurile de sisteme sunt utilizate acum fie pentru fiecare din pacienţii examinaţi (prin echipamente articulate) fie pentru a realiza mostre de analize complicate pentru a determina condiţia de sănătate sau existenţa bolii. Această tehnologie a atins un nivel ridicat de specializare, totuşi ea rămâne o arhitectură închisă a cărei performanţă poate fi 50

limitată şi a cărei mentenanţă rămâne să fie realizată de specialiştii bine instruiţi. În unele moduri, acest echipament este prea mic, este o sarcină uşoară pentru celulele de fabricaţie. Toţi aceşti factori tehnologici pot fi aplicaţi direct în domeniul medical cu schimbări minore de accentuat. În această aplicaţie, unde va fi mai mult de accentuat pe datele exacte arhivate şi interpretate pentru personalul medical. 8.2.7. Mini-medii înconjurătoare Unele sarcini nu necesită în fapt (sau absolut) implicare umană. Acestea includ mânuirea materialelor periculoase (plutoniu, eliminarea armelor nucleare, riscuri biologice extreme, medii super-curăţate pentru industriile farmaceutice şi microelectronice etc.). Mai înainte, oamenii au săvârşit aceste sarcini în cutii cu mânuşi. Sunt propuneri viguroase pentru îndepărtarea completă a omului de la aceste sarcini. Mica automatizare construită peste tot din câteva module standard permite înlocuirea rapidă a oamenilor (sau roboţi îndemânatici) pentru a crea o soluţie efectivă de cost la această aplicaţie necesară. 8.2.8. Echipament distractiv Acest domeniu al interesului uman s-a dezvoltat mai sigur ca un conducător economic (a socoti parcurile noastre de distracţie, echipamentul educaţional, păpuşile robot etc.). Acestea au fost o explozie a interesului pentru oamenii tineri în sistemele de roboţi. Această dezvoltare propusă lucrează să facă această clasă de echipament re-configurabil, asamblat după cerinţă (precum păpuşile Lego) şi inferior la preţ. Vederea sistemelor mecanice reale împreună cu capturile grafice superioare imaginaţiei noastre şi investiţia actuală a noastră în combustibili în dezvoltarea umană. 8.2.9. Mărirea umană Unul din cele mai dificile domenii pentru această împingere în dezvoltare este mărirea umană (de a crea forţe mai mari, mai multă precizie, timpi de reacţie mai buni, erori eliminate sau filtrate, creşterea anduranţei şi osteneală redusă etc.). Sarcinile repetitive în industrie pot fi presupuse ca o combinaţie echilibrată a omului şi maşinii (precum un exoschelet, un cântar lift cu 3 DOF, un extensor pentru a atingerea lungimii de a evita căldura, chimicalele sau alte riscuri etc.). Cazul este foarte bine ilustrat prin folosirea teleoperării pentru chirurgie. Sarcinile complicate sau erori de înclinare necesită câteva ore; de exemplu reconstrucţia sânului necesită normal 12 ore în sala de operaţie. Fiecare tehnologie trebuie să fie făcută disponibilă de chirurg pentru a reduce durata operaţiei chirurgicale, erori reduse şi extinderea vieţii productive a lui / ei: Acest lucru acum apare că este fezabil. 8.2.10. Locuirea / traiul pe Marte Se prea poate ca ocupaţia umană pe Marte să fie una din aplicaţiile pe termen foarte lung, dar noi putem să facem prevederi în acest domeniu de dezvoltare. Atunci putem să avem o misiune de precursor în a explora locul, de a seta o infrastructură nominală şi de a stabili un prim nivel de structuri pentru ocupaţia umană. Avanpostul ar putea reprezenta toată lumea umană, întemeiat neapărat pe un avanpost similar pe Pământ (producţia de hrană, recuperarea resurselor, fabricarea materialului de carne vie, utilităţile şi drumurile, facilităţile pe termen lung pentru ocupaţia umană şi starea acestei infrastructuri etc.). Ţinta este de a face maşinile necesare dintr-un un set mic de module, de a alcătui o varietate largă la cerere, de a prevedea un set minimal de piese, de a automatiza reparaţia printr-un proces de înlocuire a modulelor, de a arhiva toate operaţiile pentru creatorul deciziei etc. Trebuie să ne străduim de a reduce greutatea misiunii de 20 ori şi costul misiunii de 10 ori peste sistemele monolitice actuale, de a împiedica insuccesele dezastruoase şi de a 51

permite managerului de configuraţie suficient timp de a aranja pentru stocul de pe Pământ de aprovizionare din timp cu echipamente. 8.2.11. Fabricarea semiconductorilor Un set extensiv şi unic de echipament a fost dezvoltat pentru etape multiple asociate cu fabricarea semiconductorilor, majoritatea dedicate sarcinilor extrem de repetitive cu intervenţia operatorului nominal şi achiziţia de date ale procesului local limitat pentru analiză sau arhivare. Ca o consecinţă, variaţiile / insuccesele procesului pot merge neobservate până la sfârşitul unei secvenţe de etape când s-a acumulat produse necorespunzătoare considerabile. De aici înainte metrologia celor mai bune maşini, achiziţia de date, monitorizarea îndeplinită şi mentenanţa bazată pe condiţie sunt esenţiale pentru a reduce falimentul proceselor costisitoare şi utilizarea sistemelor de manipulare foarte flexibile (robotica) printre aceste maşini de proces dedicate pot creşte dramatic flexibilitatea proceselor globale, să facă posibilă schimbarea arhitecturii microfabricilor (şi reducerea costului lor), mutarea fundamentală a cererii pentru oricare mâini umane de contact (pentru curăţirea intensificată) şi a face planificarea proceselor mult mai predictibile. 8.3. Activităţi de cercetare esenţiale Cercetarea recomandată se va concentra pe utilizarea tehnologiei computerizate avansate la accelerarea puternică a dezvoltării unei ştiinţe a sistemelor mecanice inteligente. Resursele computaţionale masive acum disponibile fac posibilă tratarea descrierii parametrice totale a tot mai multe clase generale de sisteme mecanice inteligente astfel că cercetătorul poate gândi cu mai multă libertate asupra proiectării ierarhizate generic şi a strategiei de control care trebuie să conducă la un nivel maxim de productivitate a noilor idei şi tehnologii evaluate prin simulări complete. Această capacitate computaţională sporită va mijloci ca următoarele domenii să fie discutate:

Fig. 43. Roboţi cu arhitectura deschisă 52

8.3.1. Arhitectura deschidă Sistemele mecanice viitoare vor fi din module structurate uşor sortimentale (actuatori toleranţi la greşeli standardizaţi, structuri de control cu scală mixtă, sisteme funcţionând la o anvelopă de îndeplinire-performanţă maximă etc.) furnizând pachete finite ale tehnologiilor verificate (certificate) de a fi asamblate rapid în maşini inteligente generic, fig 43. 8.3.2. Structuri redundante Structurile seriale şi paralele cu dexteritate de nivel înalt şi evitarea obstacolelor necesită un nivel înalt de corespondenţă a inteligenţei pentru a lua decizii de a funcţiona într-un timp real (pentru precizie sporită, capacitate de încărcare, viteză etc.) 8.3.3. Proiectare optimală Succesele iniţiale în folosirea tehnicilor de optimizare la problema multi - parametrică / multi – criterială asociată cu maşinile inteligente a condus la o mai bună repartizare a parametrilor de performanţă a actuatorilor. Acest efort intens computaţional a trebuit să fie extins pentru a include în întregime domeniul parametrilor de proiectare (dimensiunile elementelor, distribuţia maselor şi parametrii deformaţiei). 8.3.4. Simulare grafică Structurile re-configurabile complexe necesită caracteristici operaţionale pentru a fi expuse (prezentate) cu mare fidelitate atât de proiectantul cât şi de operatorul de sistem. Funcţiile de instruire (antrenament), cum s-a demonstrat de antrenorul legat de aviaţie, vor fi necesarmente în creştere pentru îndemânarea operatorilor de a lua decizii interactive complexe asociate cu operarea la o reţea de sisteme. 8.3.5. Software operaţional Pentru a descrie complet starea dinamică a unui sistem şi de a forma baza pentru un limbaj operaţional generic, capabil de programare off-line şi respingere a tulburărilor (perturbaţiilor), poate fi aplicat acum un program orientat pe obiecte simbolice. Formulările verificate pot fi încrustate în procesoarele dedicate de a furniza calcule la viteză foarte mare. Acest software poate fi scris într-o arhitectură care permite extensibilitatea deplină. 8.3.6. Fuziunea senzorilor Subsistemul senzor trebuie să furnizeze date despre funcţionarea maşinii inteligente şi interacţiunea acesteia cu mediul. Senzorii de sistem cuprind forţa, poziţia, viteza, acceleraţia, curentul şi tensiunea de acţionare etc. Senzorii de proces includ găsirea domeniului (până la obstacole şi ţinte), sunt senzori tactili, de proximitate, de forţă etc. Fuzionarea senzorilor se ocupă cu reducerea completă a acestui conflict şi a informaţiei suplimentare din comenzile stării predictive pentru funcţionarea sistemului. 8.3.7. Micro-senzori O serie de senzori miniaturizaţi cu procesarea semnalizată la bord şi reducerea datelor vor fi necesare la fuziunea senzorilor suport. O istorie largă există deja pentru aplicaţii comerciale (în special pentru produsele de largă fabricaţie precum automobilul). Această tehnologie trebuie acum să fie generalizată, susţinută cu interfeţe standardizate la fiecare atelier într-o reţea re-configurabilă, ceea ce intensifică obţinerea de performanţe înalte la costuri inferioare etc. Doi senzori foarte căutaţi sunt pentru poziţionarea unghiulară precisă şi pentru măsurarea forţelor / momentelor, care rămân şi azi prea mari şi scumpi.

8.3.8. Arhitectura computerelor Concepţia top-down, făcută fezabilă prin computerele personale gigaflop, o fac posibilă pentru a dezvolta hardware şi module de software pentru computere specializate unice (aritmetica, procesoare etc.) corespunzătoare maşinilor inteligente. În plus o nouă generaţie de controlere hardware generic, modular, stratificat trebuie să fie produse care să se potrivească modulării aşteptate şi arhitecturii mecanice stratificate. Dezvoltări recente arată că PC-urile distribuite într-o reţea de comunicaţii proiectată atent va reduce dramatic costurile, crescând flexibilitatea şi performanţa. 8.3.9. Managementul resurselor Acesta reprezintă adaptarea în timp real a parametrilor de intrare la sporirea în mare măsură a controlabilităţii naturii neliniare depline a maşinilor inteligente. Modelul dinamic trebuie să includă reprezentări geometrice de ordinul unu, doi, (uneori trei) a sistemului pentru a ţine cont de cuplarea transversală a masei, deformaţiei şi ale caracteristicilor sistemului de acţionare. 8.3.10. Elaborarea deciziilor După cum sistemul devine generalizat cu mai multă redundanţă (extra DOF), cu mai multe straturi de control (pentru reducerea tulburărilor) şi cu modularizare sporită (actuatori, unelte etc), acesta va deveni puternic nedeterminat. De aici înainte integrarea intensivă a teoriei deciziei va fi necesară pentru a echilibra sutele de criterii (posibil conflictuale) în timp real de a face mai eficient ă utilizarea resurselor sistemului, rezultând cea mai bună performanţă globală. 8.3.11. Mentenanţa bazată pe condiţii Este acum posibil să se dezvolte un model pe deplin parametrizat pentru un actuator inteligent şi a descrie analitic performanţa lui (anvelopa) sub un domeniu larg de condiţii. Dacă performanţa începe să se degradeze, indicii de performanţă globali vor fi folosiţi să atenţioneze operatorul fie de a reduce cererile pe subsistemul particular (în funcţionarea sistemului mai mare) fie să-l înlocuiască (pune şi joacă) cu un nou modul la proxima oportunitate. Această capacitate face posibilă chiar o nominalizare de tehnician instruit pentru a menţine sistemele destul de complexe precum celulele de fabricaţie cu 40 sau mai multe grade de mobilitate. 8.3.12. Sisteme multi-agent Aceste maşini paralele cuprind roboţi cu braţe duble, mâini cu multiple degete, maşini păşitoare, transportoare, sisteme depozit etc. care necesită frecvent de 3 sau 4 ori numărul comenzilor principale de mişcare pentru a realiza ieşirea dorită. Această mişcare la sistemele multi-agent devine problema cea mai pretenţioasă pentru a lua decizia internă şi a dezvolta software - ul înfruntând comunitatea de cercetare a maşinilor inteligente. 8.3.13. Înlăturarea tulburărilor (perturbaţiilor) Tulburările externe de frecvenţă înaltă sunt foarte distructive în operaţiile de precizie (ţintind laserul aeropurtat, aparatura de iluminare cu maşini îndemânatice etc.). De exemplu, inima unei fabrici viitoare trebuie să fie sistemele generice ieftine care să realizeze operaţii cu aparate de iluminat de precizie prin controlul direct în scopul de a avea un beneficiu maxim la valoarea adăugată la consumatorul individual. Aceasta cere un model complet parametrizat implementat cu compensaţie „feedforward” în timp real de a face sistemul „rigid electronic” (precis sub perturbaţii).

8.3.14. Subsisteme de semnătură slabă Unele aplicaţii cer ca subsistemele aproape că nu emită semnale (zgomote, vibraţii, câmpuri magnetice, flux de căldură etc.). Acestea în mod clasic cuprind testarea şi analize vaste. Aici este de dorit de a şterge fiecare din aceste semnale sau a sintetiza soluţii faţă de primele principii de a reduce emisiile ne-dorite. 8.3.15. Interfaţa om-maşină Deoarece tehnologia devine mai complexă, o necesitate foarte mare (nu mai puţin) va dezvolta pentru un control echilibrat (sau intervenţie) de către om şi maşină. Aceasta va cere un mai mare nivel de inteligenţă al maşinii (de a trata subsistemele subordonate multiple, schimbările de scară, filtrarea erorilor, re-orientarea, rămânerile în urmă ale timpului etc.) de a obţine beneficiul deplin al tehnologiei pentru oameni. 8.3.16. Controlere electronice Controlerele de nivel ale sistemului devin disponibile în mare măsură la scara gigaflop ca o marfă de 5.000 $. Controlerele electronice rămân la nivelul subsistemului foarte modeste bazate pe un concept de control anacronic. Petru a suporta senzorii multipli de mediu, mentenanţa bazată pe condiţii şi re-configurare pentru a evita greşelile necesită o revoluţie în controlerele sub-sistemului electronic; ei trebuie să aibă interfeţe standardizate (pentru a permite plug-and-play), de a fi foarte compacţi, (de a fi încrustaţi în subsistem) şi de a fi tolerant la temperatură. 8.3.17. Uneltele end-efectorilor Uneltele end-efectorilor activi sunt esenţiale pentru a deplasa sarcinile fizice ale multor sisteme mecanice (procese de fabricaţie, micro-chirurgie, operaţii pe Marte, reparare sistemelor spaţiale, mânuirea armelor etc.). O ştiinţă a uneltelor trebuie să fie dezvoltată pentru a proiecta aceste unelte, setul corespunzător încrustat al senzorilor necesari, furnizează interfeţe de schimb rapid etc., de a reprezenta parametrizat atributele lor (capacitatea de forţă şi putere, masă şi complianţă, precum şi anvelopa îndeplinirii procesului). Îndată ce este disponibilă descrierea pe deplin parametrică, trebuie să fie automat descărcat la controlerul de sistem după cum sistemul de intrare a uneltei şi software-ul de sistem trebuie să antreneze sursele sistemului (viteză, precizie, rigiditate etc.) de a potrivi anvelopa de îndeplinire a uneltei de a obţine funcţionarea cea mai bună în general.

Fig. 44. Actuatori inteligenţi standardizaţi 55

8.3.18. Actuatori inteligenţi Este timpul de a ne concentra pe dezvoltarea unei arhitecturi depline pentru actuatori bazaţi pe un mediu de 10 senzori (poziţie, cuplu, temperatură, tensiune, curent etc.), trenurile cu angrenaje pentru intrare multiplă pentru controlul stratificat, bobine cu circuite re-configurabile, frâne cu toleranţă la greşeli, ambreiaje etc. pentru a obţine un bloc constructiv agresiv pentru maşini inteligente (după cum chipul de computer este în industria electronică), fig 44. 8.3.19. Testarea actuatorilor În scopul de a încrusta analitic fiecare actuator în sistemul mai mare, este necesar de a realiza testarea adâncimii actuatorilor în patru teste de mediu: anduranţă (de a evalua atributele normale precum fiabilitatea, saturaţia, efectele temperaturii, degresare etc.); mentenanţa pe bază de condiţii ( de a evalua căderile parţiale şi identificarea surselor acestora într-un arbore de greşeli structurate); ne-liniarităţi (de a evalua răspunsul actuatorului la o încărcare dinamică în domeniul larg al ne-liniarităţii, în scopul de a obţine anvelope de îndepliniri sporite); şi metrologice (pentru a obţine toţi parametrii geometrici şi de complianţă necesari pentru fiecare actuator). 8.3.20. Metrologia Metrologia este un mijloc semi-automat de identificare a tuturor parametrilor semnificativi într-un system existent. Din nefericire, identificarea a sute de parametri (146 sau mai mulţi pentru un manipulator robot cu 6 grade de mobilitate) este o sarcină tehnică extrem de pretenţioasă. Cunoaşterea parametrică limitată a sistemului reduce potenţialul pentru funcţionarea pe baza computerului. Când modulul este pus în sistem, metrologia trebuie să ia loc la nivel modular unde parametrii măsuraţi sunt imbeded şi încărcaţi automat în controlerul sistemului. 8.3.21. Prototiparea Din cauza accesului larg la informaţia tehnică şi nevoia asociată de comunicare rapidă pe distanţe mari (echipele de proiectare sunt distribuite geografic), acum este util de a dezvolta proiecte pe deplin „prototipate” geografic, de a administra interactiv proiectul în timp real (un fel de management configurativ) şi de a reprezenta aceste proiecte (componente, produse, molds etc.) ca modele la locaţii îndepărtate prin prototipare rapidă. Aceasta lărgeşte dramatic procesul de trecere în revistă în timp ce acţionează astfel la reducerea timpilor de linie, făcând posibilă schimbul rapid de produse şi reducerea produselor pe cale de dispariţie. 9. STADIUL ACTUAL Domeniul mecatronicii se ocupa cu integrarea mecanicii cu electronica, automatica, tehnologia informatiei. Intr-un produs mecatronic, mecanica joaca un rol vital, ce poate include support structural, mobilitate, transmiterea miscarii, manipulare. Sistemul mecanic trebuie sa fie proiectat (integrat cu partea electronica si de control) pentru a satisface carecterisitici dorite precum greutate mica, rezistenta mare, viteza mare, vibratii si zgomot redus, durata de utilizare mare, putine parti in miscare, fiabilitate ridicata, pret de cost scazut, intretinere rara si cu costuri reduse. In mod clar, aceste cerinte pot fi in conflict unele cu altele si este nevoie de o optimizare a proiectarii. Chiar si intr-un sistem electromecanic integrat, exista motive bune de a face distinctie intre componentele mecanice si cele electronice sau componenetele tip calculator (hardware sau software). Un motiv este legat de conversia energiei (sau puterii). Tipurile de energie care sunt implicate vor diferi in aceste tipuri variate de componente. Nivelul de energie (sau putere) poate diferi in mare masura la fel. De exemplu, circuitele electronice 56

digitale si hardware-ul de calculator in mod tipic utilizeaza nivele scazute de putere si tensiune. Dispozitivele analogice precum amplificatoarele operationale sau sursele de putere pot functiona la tensiuni inalte si puteri mari. Motoarele si celelalte actuatoare (de exmplu, motoarele de c.a. si actuatoarele hidraulice in particular) pot primi nivele inalte de putere electrica si genera similar nivele inalte de putere mecanica. Conversia analogdigitala si conversia digital-analogica implica nivele relativ scazute de putere. Dar, amplificatoarele de putere ale motoarelor electrice, pompele si compresoarele sistemelor hidraulice si pneumatice in mod tipic lucreaza cu nivele mult mai inalte de putere. Rezulta ca nivelul de putere necesar pentru o sarcina si natura conversiei de energie care este implicata pot separa componentele mecanice de celelalte intr-un sistem mecatronic. Un alt motiv care separa o componenta mecanica de componentele electronice si de control/calcul (hardware/software) este largimea de banda (viteza, constante de timp, etc.). In mod tipic, componentele mecanice au constante de timp mai mici decat componentele electronice. Prin urmare, vitezele lor de operare vor diferi si, mai mult, si largimea de banda (continut de frecventa util) a semnalelor asociate va diferi. De exemplu, procesele de productie pot avea constante de timp de ordinul minutelor iar robotii si masinile unelte au constante de timp de ordinul ms. Constantele de timp ale circuitelor electrice analogice pot fi chiar mai mici (de ordinul Îźs). Calculatoarele sau dispozitivele de control programabile pot in mod corespunzator sa genereze comenzi digitale in domeniul kHz (pe scara de timp, de ordinul ms). Daca e nevoie de viteze mai mari, trebuie utilizate procesoare mai rapide, algoritmi de calcul eficienti, si calculatoare cu cicluri de operare mai scurte. Pentru a realiza un control digital si alte actiuni digitale la viteze mult mai mari (frecvente de ordinul MHz, durata ciclului de ordinul Îźs) trebuie utilizate solutii harware (nu software) cu electronica digitala si analogica dedicata. Este clar din prezentarea anterioara ca, chiar si pentru un sistem mecatronic proiectat utilizand abordarea integrata in raport cu componentele si functiunile sale, va fi necesar a se face o distinctie intre componentele sale mecanice si componentele nemecanice.

10. Clasificarea componentelor mecanice ale unui sistem mecatronic Componentele mecanice obisnuite ale unui sistem mecatronic pot fi clasificate in cateva grupuri dupa utilitatile lor, precum: - componente structurale (proprietati de rezistenta si de material/suprafata). - componente de fixare (rezistenta). - componente de separare dinamica (transmisibilitate). - componente de transmisie (conversia miscarii). - actuatoare mecanice (cuplu/forta generata). - controlere mecanice (distribuirea energiei controlat). Pentru fiecare categorie este indicat in paranteze atributul sau proprietatea principala care este caracteristica functiei acelei categorii. Componentele structurale au ca functie principala sa furnizeze suport structural. In acest context, rezistenta mecanica si proprietatile de suprafata/material (de exemplu, duritate, uzura, frecare) ale componentei sunt cruciale. Componenta poate fi rigida sau flexibila si stationara sau in miscare. Exemple de componente structurale: rulmenti, arcuri/resorturi, axe, osii, arbori, stalpi, bare, grinzi, traverse, flanse etc. Componentele de fixare sunt in legatura directa cu componentele structurale. Scopul acestora este de a imbina/fixa doua componente mecanice. Si aici, principala proprietate ca importanta este rezistenta mecanica. Exemple sunt: bridele, clemele, bolturile, buloanele, suruburile, pivotii, piulitele, mansoane, mufe, bucsi, inchizatoare, elemente de 57

blocare/fixare, sigurante, chei, zavoare, pana de fixare, splint, nituri, opritoare. Sudarea si lipirea sunt procese de fixare si intra in aceeasi categorie. Componentele de separare dinamica realizeaza ca sarcina principala izolarea/separarea sistemului de un alt sistem (sau mediu) cu privire la miscare si forte. Acestea implica “filtrarea” miscarilor si fortelor/cuplurilor. Prin urmare transmisibilitatea miscarii si transmisibilitatea fortelor sunt caracterisiticile cheie in aceste componente. Arcurile, amortizoarele, elementele inertiale pot forma elementul izolator. Elementele anti-soc si vibratii pentru masini, blocurile inertiale, si sistemele de suspensie ale autovehiculelor sunt exemple de componente de separare dinamica. Componentele de transmisie pot fi asociate cu componentele de separare, in principiu, dar functiile lor sunt complet diferite. Scopul principal al componentei de transmisie este conversia miscarii (in amplitudine si forma). In proces forta/cuplul de intrare este de asemenea convertit in amplitudine si forma. De fapt in unele aplicatii modificarea fortei/cuplului poate fi cerinta primara a componentei de transmisie. Exemple de componente de transmisie sunt: angrenajele, rotile dintate, cuplajele armonice, sistemul surub-piulita, cremaliere si pinioane, came si elemente conduse, lanturi si roti, curele si roti de transmisie, tamburi, scripeti, troliu, diferentiale, legaturi cinematice, cuplaje elastice, transmisii fluidice. Actuatoarele mecanice sunt utilizate pentru a genera forte (si cupluri) pentru aplicatii diverse. Actuatoarele obisnuite sunt electromagnetice (ca tip, de exemplu motoarele electrice) si nu pur si simplu mecanice. Deoarece fortele magnetice sunt forte “mecanice” care genereaza cupluri mecanice, motoarele electrice pot fi considerate ca dispozitive electromecanice. Alte tipuri de actuatoare care utilizeaza fluide pentru generarea efortului cerut pot fi considerate ca fiind in categoria actuatoarelor mecanice. Exemple sunt: pistoanele si cilindrii hidraulici, motoarele hidraulice, echivalentul lor pneumatic, si unitatile de putere termica (motoarele primare) precum turbinele cu abur. De un interes particular in sistemele mecatronice sunt actuatoarele electromecanice si actuatoarele hidraulice si pneumatice Controlerele mecanice au ca sarcina modificarea raspunsului dinamic al sistemului mecatronic (miscare si forta/cuplu) intr-o maniera dorita. Pur si simplu controlerele mecanice realizeaza aceasta sarcina prin distribuirea controlata a energiei. Acestea nu sunt atat de comune precum controlerele electronice/electrice si controlerele hidraulice/pneumatice. De fapt servovalvele hidraulice/pneumatice pot fi tratate in aceasta categorie de controlere pur mecanice. Mai mult, controlerele mecanice sunt in legatura apropiata cu componentele de transmisie si actuatoarele mecanice. Exemple de controlere mecanice sunt ambreiajele si franele In selectarea unei componente mecanice pentru o aplicatie mecatronica, trebuie avute in vedere multe aspecte ingineresti. De prima insemnatate sunt capacitatea si performantele componentei in raport cu cerintele proiectarii (sau specificatiile) sistemului. De exemplu, miscarea si specificatiile de cuplu, flexibilitatea si limitele de abatere, caractersiticile de rezistenta incluzand comportarea la solicitari mecanice, limite si moduri de defectiune/avarii si durata de viata, proprietatile de suprafata si de material (de exemplu frecarea, tip material: nemagnetic, necoroziv), domeniu de operare, si durata de proiectare vor fi importante. Alti factori precum dimensiunea, forma, costul, si diponibilitatea comerciala pot fi destul de cruciale. Clasificarile mentionate ale componentelor mecanice sunt: Componentele structurale – rulmenti, arcuri/resorturi, axe, osii, arbori, stalpi, bare, grinzi, traverse, flanse.

Componentele de fixare – bridele, clemele, bolturile, buloanele, suruburile, pivotii, piulitele, mansoane, mufe, bucsi, inchizatoare, elemente de blocare/fixare, sigurante, chei, zavoare, pana de fixare, splint, nituri, opritoare. Componentele de separare – arcurile, amortizoarele, elementele inertiale, elementele anti-soc si vibratii pentru masini, blocurile inertiale, si sistemele de suspensie. Componentele de transmisie - angrenajele, rotile dintate, cuplajele armonice, sistemul surubpiulita, cremaliere si pinioane, came si elemente conduse, lanturi si roti, curele si roti de transmisie, tamburi, scripeti, troliu, diferentiale, legaturi cinematice, cuplaje elastice, transmisii fluidice. Actuatoare mecanice – pistoanele si cilindrii hidraulici, motoarele hidraulice, echivalentul lor pneumatic. Controlere mecanice – ambreiajele, franele, servovalvele hidraulice/pneumatice. 11.SENZORI ŞI ACTUATORI FOLOSIŢI ÎN CONSTRUCŢIA AUTOVEHICULELOR 11.1. INTRODUCERE Dezvoltarea societăţii informatizate nu putea să nu se regăsească în construcţia unora dintre cele mai dinamice şi utilizate produse ale economiei mondiale - autovehiculul. Industria constructoare de autovehicule este un promotor al introducerii în procesul de fabricaţie şi utilizare a noutăţilor bazate pe ultimele descoperiri tehnico-ştiinţifice oferind tipuri de vehicule « inteligente ». Autovehiculele pot fi considerate ca sisteme deschise, organizate şi materializate printr-o serie de procese complexe de concepţie, proiectare şi fabricaţie alcătuite din subsisteme (subansambluri) şi elemente componente independente. O caracteristică a sistemului autovehiculului o constituie particularităţile specifice sistemelor organizate dar şi cele ale sistemelor difuze. De aceea comportarea autovehiculului este caracterizată printr-o serie de factori cum ar fi : - numărul foarte mare al subsistemelor, elementelor componente şi al funcţiilor îndeplinite de acestea ; - complexitatea procesării informaţiei ca urmare a numărului mare de elemente care se interconectează; - distribuţia aleatorie a factorilor exteriori care acţionează asupra sistemului. Din complexul acestor factori de influenţă asupra sistemului autovehicul rezultă două grupe mari de acţiuni : - acţiunea factorilor externi ai sistemului ; - acţiunea factorilor interni ai sistemului. Complexul factorilor externi se regăsesc în acţiunea factorilor climatici şi ai factorilor de cale iar acţiunea factorilor interni ţin de acţiunile interioare ale sistemului. Din rândul factorilor climatici fac parte: - temperatura aerului; - umiditatea aerului; - presiunea atmosferică; - poluarea atmosferei cu particule mecanice şi agenţi chimici; - factorii biologici; - radiaţiile; - acţiunea climatică a mişcărilor de aer (vânt, furtuni, uragane); - precipitaţiile atmosferice. Din rândul factorilor de cale pot fi enumeraţi: - gradul de uzură al suprafeţei căii; - complexitatea profilului căii de rulare; - lăţimea părţii carosabile ; - complexitatea obstacolelor căii ; - delimitările căii de rulare ; 59

- gradul de iluminare al drumului ; - starea solului la limitele părţii carosabile ; - mediul de acoperire al căii de rulare (umezeală, zăpadă, polei, soluţii etc) ; - proprietăţile de aderenţă şi rezistenţă la rulare în plan longitudinal şi transversal. Dintre factorii interni pot fi precizaţi : - sarcinile de contact însoţite de alte condiţii interne; - frecarea cu efectele ei interne ; - compresiunea, torsiunea şi alte solicitări mecanice care obosesc materialul pieselor componente; - agresiunea corozivă la nivelul pieselor componente; - deformaţiile datorate diferitelor tipuri de solicitări statice şi dinamice. tinând cont de aceste aspecte, apare justificată necesitatea introducerii unor subsisteme care să controleze şi să automatizeze comanda unor serii întregi de funcţii care la autovehiculul clasic erau îndeplinite de conducătorul acestuia cu limitele lui biologice. Autovehiculul adus la nivelul societăţii informatizate conţine un număr important de elemente de mecanică fină şi mecatronică care este materializat prin peste 40-50 de senzori şi actuatori . Senzorii şi actuatorii reprezintă elementele de legătură dintre vehiculul cu acţionarea sa complexă, frânarea, echipamentul de susţinere – rulare şi totalitatea componentelor de acţionare (incluzând conducerea şi navigarea-pilotarea) şi unitatea de control UC (de regulă digital electronică) folosită pentru prelucrare (fig.45).

Fig.45. În general, pentru a converti semnalele senzorilor în formă tipizată (standard-etalon) cerută de unitatea de control este folosit un circuit adaptor. Acest circuit adaptor poate fi un sistem de măsurare sau un sistem de înregistrare a datelor măsurate. În plus, pentru alte elemente de proces, informaţia senzorului poate de asemenea să influenţeze procesul la fel cum o poate face conducătorul cu ajutorul elementelor de comandă (comenzilor manuale). Elementele indicatoare (display-urile) furnizează conducătorului informaţii despre situaţia statică şi dinamică a vehiculului precum şi a proceselor sinergetice. Senzorii sunt elemente care convertesc o mărime fizică, de obicei neelectrică, într-o 60

mărime electrică putând fi folosită şi una sau mai multe treapte intermediare neelectrice. După tipul mărimii fizice evaluate cele mai frecvente sunt: temperatura lichidului de răcire, temperature aerului admis, presiunea din galeria de admisie, presiunea atmosferică, poziţia unghiulară a arborelui, turaţia motorului, poziţia clapetei obturatoare, debitul de aer, debitul de combustibil, concentraţia de oxygen în gazele arse precum şi presiunea de ulei, presiunea în pneuri, temperatura în habitaclu, viteza de deplasare, poziţia faţă de vehiculul din faţă etc. Numărul senzorilor folosiţi la automobile a crescut rapid în ultimul deceniu. Vehiculele actuale sunt echipate în mod curent cu 40-50 de senzori. Senzorilor le sunt impuse o serie de cerinţe prioritare care stabilesc rolul şi scopul utilizării lor precum şi direcţiile viitoare de dezvoltare. Gradul de solicitare după care senzorul este încărcat este determinat de condiţiile de exploatare sau de operare care pot fi influenţe mecanice, climatice,chimice, electromagnetice şi care sunt prezente la instalaţia de bază. Punând de acord adaptarea la cerinţele autovehiculelor, senzorii pot fi încadraţi într-una din cele trei clase (niveluri) de siguranţă: - clasa (nivelul) I : care se referă la conducere, frânare, protecţia pasagerului; - clasa (nivelul) II : care se referă la motor, sistemul de direcţie, sistemul de susţinere, pneuri; - clasa (nivelul) III : care se referă la comfort, informare şi diagnosticare, antifurt. Cercetătorii caută permanent noi variante de multisenzori integraţi care sunt cuplaţi în module miniaturizate din ce în ce mai sofisticate. Metodele raţionale de producţie şi producţia de masă sunt amândouă în egală măsură necesare pentru obţinerea unor costuri reduse. O serie de metode şi proceduri fac posibilă obţinerea unor elemente cu dimensiuni reduse, compacte. Dintre acestea se remarcă: - tehnologia hibridă şi a straturilor (depunerilor) pentru senzori de presiune, temperatură; - tehnologia semiconductorilor pentru senzori folosiţi la controlul vitezei unghiulare, de exemplu comutatoare Hall; - micromecanica (tehnologia mecanicii fine) pentru senzori de presiune şi acceleraţie; - mecatronica (tehnologia microsistemelor) prin combinarea micromecanicii, microelectronicii care poate include şi microoptica, optoelectronica. Sistemele de reglare, de la senzorii hibrizi şi integraţi monolit şi cu semnal electronic, la senzorii de localizare completă a căii de rulare şi a direcţiei, până la circuitele digitale complexe, cum ar fi convertoarele A/D şi microcomputerele (mecatronice) care exploatează precizia intrinsecă a senzorilor, oferă următoarele posibilităţi: - reducerea solicitării (încărcării) în unitatea de control; - elemente de comunicare compatibile, uniforme, flexibile; - aplicaţii (utilizări) diverse şi multiple ale senzorilor; - modele (proiecte) multi-senzori; - prelucrarea (procesarea) semnalelor de mică intensitate şi frecvenţă înaltă (amplificare, demodulare); - înmagazinarea factorilor individuali de corecţie într-un PROM (Program Read-Only Memory) în ordinea uşurinţei de corectare a abaterilor senzorului la senzorul de bază şi să asigure reglarea integrală a echilibrului şi compensarea pentru senzor şi circuit. Actuatorii sunt elemente de reglare finală a legăturii dintre procesorul de semnal electronic care prelucrează datelor şi procesele efective, mecanice. Ei convertesc semnalele de putere joasă transmiţând informaţia de poziţionare în semnale de lucru sau de exploatare la un nivel de energie adecvat pentru reglarea procesului. Convertoarele de semnal sunt combinate cu elemente de amplificare pentru a utiliza principiile de transformare fizică reglând relaţiile dintre diverse forme ale energiei (electrică-mecanică-hidraulică-termică) (fig.46). 61

Elementele de reglare finală sunt acţionate sau comandate fie direct fie cu componente în sistem de comandă în buclă de reglare închisă. Criteriul calitativ pentru evaluarea transformării semnalului este randamentul sau eficienţa, liniaritatea şi răspunsul dinamic (întârzierea minimă).

Fig. 46. Structura de bază a actuatorilor. 1-informaţie; 2-actuator tranzistor; 3-bobină de control; 4-electrovalvă; 5-pierderi; 6-energie electrică exterioară; 7-energie hidraulică exterioară. Materialele magnetostrictive fac posibilă proiectarea actuatorilor pentru aplicarea în domeniul de micropoziţionare. De asemenea aparţin acestui categorii şi actuatorii piezoelectrici. Actuatorii termici depind exclusiv de exploatarea caracteristicilor specifice ale materialelor. Actuatorii pentru autovehicule sunt, în general, actuatori de acţionare electromagnetici din care sunt derivaţi actuatorii motori electrici şi actuatorii magnetici de translaţie şi rotaţie. O excepţie este sistemul pirotehnic de umplere a airbag-ului. Actuatorii magnetici pot fi pe deasupra elemente de reglare finală sau pot servi ca elemente de reglare pentru un mecanism de amplificare a forţei, de exemplu, mecanichidraulic (fig.47).

Fig.47. Schema cu actuatori electromecanici Actuatorii electromecanici sunt elemente de reglare cu acţiune directă. Ei transformă energia semnalului electric de reglare într-un factor de poziţionare mecanic raportat la funcţionare fără mijlocirea unui mecanism de conversie sau transformare. Utilizările tipice includ elemente de reglare (poziţionare) a clapetelor, cursoarelor, glisierelor şi supapelor. Majoritatea actuatorilor prezentaţi sunt elemente de reglare finală fără mecanisme de readucere interioară şi astfel fără punct stabil de funcţionare. Ei sunt 62

capabili numai să îndeplinească operaţii de poziţionare pentru o poziţie stabilă iniţială sau punct de funcţionare când este aplicată o contraforţă sau reacţiune asemenea unui element elastic de revenire sau a unui element electric de reglare. Un miez mobil al bobinei (plunjerul bobinei) asigură un punct de stabilitate static polarizat sau înclinat atunci când curba forţei sale de lucru este sincronizată cu caracteristica de răspuns a unui arc de returnare sau revenire. Variaţiile în curent curg prin înfăşurarea de defazare pentru punctul de funcţionare. Poziţionarea de bază este realizată prin reglarea curentului de trecere. Punctele care reclamă o atenţie specială sunt răspunsul nonliniar de curent/debit şi sensibilitatea sistemului actuator la factori de interferenţă (frecare mecanică, forţe pneumatice şi hidraulice). Sensibilitatea termică a rezistenţei bobinei se manifestă în erori de poziţionare făcând necesară reglarea de corecţie a curentului. Un sistem de poziţionare de înaltă precizie cu un bun răspuns dinamic trebuie să conţină un senzor de poziţionare şi un controler (regulator sau aparat de comandă). În cele mai multe aplicaţii, actuatorii pentru conducere mecanici cu fluid îşi asumă rolul de transformatori ai formei energiei hidrostatice. Această operaţie este făcută în acord cu principiul de deplasare prin convertirea energiei presiunii unui mediu fluid în lucru mecanic şi vice versa. Amplificatoarele mecanice de fluid reglează sau comandă trecerea energiei între fluid şi structurile mecanice. Energia pretinsă pentru reglarea sau comanda mecanismului de reglare este constituită numai de o mică parte din energia de curgere destinată pentru reglarea finală, de bază. Supapele de comutare (distribuţie) deschid şi închid orificiile de curgere dirijând curgerea fluidului la şi de la un convertor de energie mecanică a fluidului.

11.2 Senzori si aplicatii 11.2.1 Controlul puterii motorului - variatia pozitiei pedalei de acceleratie cunoscuta prin variatia momentului la axul motorului sau prin variatia presiunii gazelor - presiunea gazului poate fi masurata prin intermediul unui traductor cu membrana de silicon si elemente piezorezistive. Elementele piezorezistive produc, in urma variatiei de presiune, un potential electric, sunt sensibile la modul de aliniere. Utilizarea a patru asemenea elemente intr-un singur traductor face posibila formarea unei punti Wheatstone – tensiunea de iesire direct proportionala cu variatia presiunii. 11.2.2 Controlul aprinderii - controlul in bucla inchisa a aprinderii in scopul reglarii momentului aprinderii cand s-a obtinut amestecul corect de oxigen si vapori de combustibil (se realizeaza o ardere completa – economie de combustibil, reducerea noxelor). - element de referinta – pozitia arborelui cotit. - se folosesc senzorii pe baza efectului Hall. - o solutie mai eficace dar mai scumpa, agreata in Uniunea Europeana, este utilizarea convertoarelor catalitice pentru reducerea poluarii. - pentru sesizarea pozitiei arborelui cotit se utilizeaza senzori cu reluctanta variabila, amplasati deasupra unei roti dintate, la o distanta de 0,6 mm. La trecerea dintilor prin dreptul senzorilor se produce modificarea fluxului magnetic – o tensiune electromotoare la iesire, in functie de care se calculeaza viteza rotii. - utilizarea senzorilor Hall: acuratete mai mare, distanta mai mare intre roata si senzor, detectarea vitezelor foarte mici.

11.2.3 Controlul debitului de aer - masurarea debitului de aer prin galeria de aspiratie este importanta in controlul arderii combustibilului, - se realizeaza cu ajutorul unui contor cu paleta, - deplasarea masei de aer prin conducte are ca efect oscilatia unei palete legata de cursorul unui potentiometru, tensiunea obtinuta la bornele potentiometrului este proportionala cu deplasarea paletei, -se mai utilizeaza anemometre cu fir cald, la care un fir de platina este incalzit si expus curentului de aer din conducte. 11.2.4 Accelerometre - masoara fortele verticale si orizontale rezultate in urma acceleratiei. - aplicatii: controlul suspensiilor, franelor, sistemului de directie si airbag, - se utilizeaza senzori pe baza de cristale piezoelectrice si/sau accelerometre servo, - deplasarea unei mase “m” cu miscare accelerata, este sesizata de un sistem optic, pentru a anula aceasta deplasare se aplica o forta de reactiune, - curentul electric necesar pentru producerea acestei forte este proportional cu acceleratia 11.2.5 Senzori pentru deplasari unghiulare - automobilele pot avea si depasari unghiulare, - deoarece giroscoapele clasice, utilizate in industria aerospatiala, sunt prea scumpe si greu de implementat la automobile, se apeleaza la alternative: - sisteme de detectie cu laser, - dispozitive piezoelectrice, - senzori bazati pe efectul Coriolis.

11.3 Particularitati ale actuatorilor utilizati in mecatronica Actuator: un subansamblu care produce un lucru mecanic ca raspuns la un semnal; structura lui nu mai poate fi descompusa in sub-structuri decat cu riscul de a pierde capacitatea de generare a miscarii. Particularitati ale actuatorilor utilizati in mecatronica Sunt elemente componente ale sistemelor de actionare mecatronice realizate in structura modularizata care asigura atat fluxul de semnale de comenzi cat si fluxul de semnale control Sistemele de actionare mecatronice sunt realizate ca si sisteme automate (echipate cu traductoare, senzori si elemente de inteligenta artificiala) La sistemele de actionare mecatronice propagarea energiei si a informatiilor se realizeaza nu numai clasic (elemente existente fizic) ci si cu ajutorul altor elemente (raze luminoase, campuri electrice sau magnetice) 11.3.1. ROLUL ELEMENTELOR DIN STRUCTURA ACTUATORILOR Rol structural (de a prelua incarcarile si sarcinile transmise) Rol senzorial (ofera suplimentar posibilitatea incorporarii in structura lor a senzorilor si traductorilor pt control in bucla inchisa) Rol de actionare FIDELITATEA (Criteriu calitativ hotarator – precizia de transmitere a fluxului de semnale purtatoare de informatii) Utilizarea semnalelor asemanatoare sau identice pentru transmiterea comenzilor (semnale de control), a semnalelor senzoriale si a celor pentru transmiterea energiei reducerea complexitatii (implicit costuri, greutate) Miniaturizare – impusa de tendinta de miniaturizare a sistemelor mecatronice (deformatii, masa, inertie si preturi reduse) 64

Utilizarea unor materiale cu proprietati deosebite (mat. piezoelectrice,fluide electroreologice, aliaje cu memoria formei, materiale compozite etc. ) Impunerea unor tehnologii de prelucrare deseori neconventionale (eroziune electrica, eroziune chimica, eroziune ultrasonica, prelucrare cu laser, depunerea in starturi subtiri etc.)

Tehnologii de prelucrare Miniaturizare Impunerea unor metode de masurare si control neconventionale (metoda difractiei, metoda holografica, metoda scanarii) Caracteristici generale ale actuatorilor din sistemele mecatronice: Efectul dimensiunilor (gabaritul) asupra fortelor Micsorarea dimensiunilor elementelor de executie influenteaza marimea fortei (cuplului dezvoltat) Ex: actuatori electrostatici – lucrul mecanic raportat la volum (Fl/l3) este invers proportional cu patratul lungimilor, rezultand ca lucrul mecanic dezvoltat de forta electrostatica creste odata cu scaderea dimensiunilor. Ex: la unii actuatori, scaderea dimensiunilor sub o anumita limita determina forte (cupluri) mai mici decat fortele rezistente(frecare, gravitatie) Cresterea rezistentei materialelor utilizate Materiale cu proprietati mecanice deosebite: monocristale, materiale amorfe de tip „whiskers” (fibre foarte scurte) au caracteristici de rezistenta de pana la 1000 ori mai mari decat materialele policristaline cu aceeasi compozitie chimica. Acest fapt se explica prin inexistenta limitelor intre cristale, rezultand uzuri mici si deci surse de erori mici λ=l1/l2 iar cσ= σ1/σ2=1/λ, ceea ce inseamna ca piesele cu dimensiuni de λ ori mai mici trebuie sa se execute din materiale de λ ori mai rezistente Efectul semnificativ al suprafetelor La nivelul micronilor L2 > L3 ceea ce inseamna ca efectele legate de suprafata predomina in raport cu cele legate de volum. Ex: devine important fenomenul de coroziune chimica ce insoteste unele fenomene electrice Ex: fenomene legate de microtribologie – la suprafete plane si lagare de alunecare are loc o crestere a semnificativa a coeficientului de fercare μ odata cu scaderea dimensiunilor. Fenomene precum: adeziunea, frecarea, capilaritatea, tensiunea de suprafata s.a. predomina in raport cu efectele de masa (inertia) In asemenea situatii se impune: minimizarea suprafetelor de contact din cuple si efectuarea de acoperiri speciale a cestor suprafete inlocuirea frecarii de alunecare cu cea de rostogolire sprijinirea elastica a elementelor mobile utilizarea de lubrifianti cu vascozitate redusa utilizarea unor metode de lubrifiere precum gazo(hidro) statica sau dinamica sau a levitatiei magnetice sau electrostatice. Scaderea preciziei de prelucrare Micsorarea tolerantelor nu se face in aceeasi proportie cu micsorarea dimensiunilor

Fig. 48 Mecanismul actuatorului

Daca λ=l1/l2 (raportul dimensiunii nominale), la aceeasi precizie de prelucrare, raportul tolerantelor T1/T2= Rezulta ca odata cu micsorarea dimensiunilor nominale trebuie crescuta precizia de prelucrare Dependenta viteza-dimensiuni Dependenta vitezei v [mm/s] de dimensiunea L [mm] difera in limite largi comparativ cu cazul elementelor de executie conventionale. Se aseamana, in functie de caz cu dependenta in cazul vietuitoarelor care se deplaseza pe suprafata (v = 10L), in apa (v = L) sau in aer (v = 1000L1/2). Conform teoriei similitudinilor, reducerea dimensiunilor cu raportul λ=l1/l2 implica o reducere a maselor cu cG = λ3 , a acceleratiilor cu ca = λ-1 (o piesa redusa de λ ori poate fi accelerata de λ ori mai mult), a momentului cu cM = λ3 . Elementele de executie compatibile cu tehnologia mecatronica sunt superioare fata de cele conventionale prin: raport putere/greutate; grad de poluare; durata de functionare; posibilitate de reglare a parametrilor miscarii; siguranta in functionare; compactitate; simplitate constructiva (numar redus de elemente in miscare); precizie de pozitionare (submicroni). Domenii de aplicabilitate: variate : Roboti si microroboti Actionarea masinilor unelte Structura unor echipamente Industria auto Industria aerospatiala Industria militara Idustria de bunuri de larg consum Ingineria medicala 11.3.2. STRUCTURA GENERALA A UNUI ACTUATOR Conversia energiei de intrare (electrice, termice, magnetice, optice, chimice) in energie utila de iesire si caldura disipata se realizeaza prin intermediul campurilor electrice, magnetice, ca urmare a unor fenomene fizice: fenomenul piezoelectric, magnetostrictiv, de memorie a formei, de dilatare a corpurilor cu cresterea temperaturii, a efectului electroreologic, electrohidrodinamic, de diamagnetism.

Fig. 49 Modul de actionare a actuatorului Mecanismul actuatorului transforma, amplifica si transmite miscarea, facand acordul cu parametrii specifici scopului tehnologic. SISTEMATIZAREA ACTUATORILOR UTILIZATI IN MECATRONICA Se gasesc intr-o varietate de tipuri Din punct de vedere al producerii actionarii: INTERACTIUNEA CAMPURILOR (a campurilor magnetice, a curentului electric cu campuri magnetice, interactiunea sarcinilor electrice - actuatori cu cursa nelimitata (micromotoare de curent continuu, micromotoare de curent alternativ asincrone si sincrone, micromotoare electrostatice) - actuatori cu cursa limitata (micromotoare liniare de curent continuu, microelectromagneti) INTERACTIUNEA MECANICA (asigurarea fluxului de energie prin intermediul unui agent fizic, de regula lichid sau gaz, a carui presiune sau debit determina deplasarea sau deformarea unor elemente active) - actuatori cu elemente deplasabile rotative (micromotoare cu palete cu rotatie partiala sau totala, microturbine) sau actuatori liniari (cilindri) - actuatori liniari cu elemente deformabile (cu tub flexibil, tub Bourdon) - actuatori de rotatie cu elemente deformabile (cu tub flexibil, tub rasucit, tub anizotropic, curbat) DEFORMATII LIMITATE (au in structura unul sau mai multe elemente din materiale â&#x20AC;&#x17E;inteligenteâ&#x20AC;?, care au capacitatea de a se deforma controlat) DUPA SEMNALUL DE INTRARE AL COMENZII ACTUATORILOR 1. Actuatori comandati termic: - pe baza de dilatare a gazelor si materialelor solide : - cu elemente active bimetalice - pe baza de transformare de faza - din aliaje cu memoria formei - cu ceara 2. Actuatori comandati electric: - electrostatici - piezoelectrici - electroreologici 3. Actuatori comandati magnetic: - electromagnetici - magnetostrictivi - pe baza de ferofluide 67

4. Actuatori comandati optic: - termo-, electro-, foto-strictivi - piro-, piezo-electrici 5. Actuatori comandati chimic: - pe baza de polimeri (geluri polimerice, polimeri conductivi, electrostrictivi) - pe baza de reactii chimice 6. Alte tipuri de actuatori, bazati pe alte fenomene fizice 11.3.3. INDICI DE PERFORMANTA In scopul studiului comparativ si pentru a evalua performantele functionale ale diferitor actuatori specifici mecatronicii se utilizeaza cu precadere urmatorii indici de performanta: 1. Repetabilitatea Descrie cat de repetabila este comportarea unui actuator in timp, pe parcursul mai multor cicluri de operare fig R – abaterea de la repetabilitate Rmax – abaterea maxima de la repetabilitate si , se –valori ale semnalului de intrare (iesire) i, k – ciclurile i si k

2. Liniaritatea Se refera la liniaritatea semnalului de iesire ca o functie de semnalul de intrare. L – abaterea de la liniaritate (exprimata in procente din valoarea semnalului de iesire, fata de o linie de referinta, ser ). Linia de referinta poate fi determinata de valorile minima si maxima ale s e (dreapta a) sau de cea mai buna aproximare a dependentei se(si).

3. Precizia 4. Sensibilitatea 5. Rezolutia 6. SIO (Smalles Inducible Output) 7. Pragul de start 8. Conformanta 9. Histerezis 10. Instabilitate si deviatie 11. Portanta si rigiditate 12. Viteza 13. Capacitatea de miniaturizare 12. Mecatronica in tehnologia auto Generalitati - aparut in a doua jumatate a secolului al 19-lea, automobilul a revolutionat transporturile si a concentrat cele mai semnificative eforturi stiintifice si ingineresti, pentru continua perfectionare a performantelor sale. Pana in jurul anilor 1970-1980 componentele mecanice, multe dintre ele adevarate „bijuterii” tehnice, reprezentau o pondere covarsitoare in ansamblul unui automobil, partea electrica si electronica rezumandu-se la un numar restrans de motoare (demaror, alternator, stergatoare de parbriz), senzori (pentru temperatura uleiului si antigelului, presiunea uleiului, nivelul carburantului), relee (pentru semnalizare, aprindere) si becuri. 68

Dezvoltarea microelectronicii, materializata in circuite integrate logice si analogice, circuite integrate de putere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri), realizarea unor sisteme de actionare, conventionale si neconventionale, performante, a unor tipuri noi de senzori etc. au deschis perspective largi pentru rezolvarea unor cerinte care se impuneau tot mai acut, legate de: - siguranta in trafic, - economicitate, - fiabilitate, - confort, - protectia mediului. In constructia automobilelor moderne si-au castigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activa etc.), pentru ca, in final, intreg automobilul sa se transforme intr-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate – de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigatie, X-by Wire, telematica etc.). Un automobil modern, dintr-o clasa medie, cuprinde circa 60-70 de motoare si un numar asemanator de senzori si sisteme senzoriale. Un exemplu elocvent il constituie diferentele majore dintre „broscuta” de mare succes a firmei Volkswagen, din anii 1960 care era echipata cu 136 W – putere maxima consumata, 150 m de cabluri electrice si circa 80 de contacte electrice si urmasul acesteia din 2001, masina „New Beetle”, cu un consum de 2050 W, 1500 m de cabluri si 1200 contacte electrice. Tendinta este ca automobilul sa contina cat mai multi senzori si actuatori conectati la un sistem electronic centralizat care intervine automat si efectueaza corecturile necesare pentru o functionare optima si sigura. Cresterea ponderii componentelor electrice si electronice in constructia automobilului a facilitat introducerea unor sisteme noi, permitand cresterea performantelor si simplificarea componentelor mecanice. Un alt exemplu este un ventil cu actionare electromagnetica (Electromagnetic Valve Train – EVT) – un rezonator resort/masa, care inlocuieste clasicul ax cu came destinat actionarii ventilelor in sincronism cu miscarea arborelui motor, si asigura sistemului de management al motorului posibilitatea comenzii libere a ventilelor, in functie de algoritmul de optimizare impus. Principalele efecte: imbunatatirea raportului moment motor/turatia motorului, reducerea cu pana la 20% a consumului de carburant, reducerea volumului gazelor de esapament. O alta tendinta importanta in constructia autovehiculelor consta in imbunatatirea permanenta a performantelor sistemelor existente. Alt exemplu un sistem de injectie cu actuator piezoelectric. Utilizeaza tehnologia HDI (High Diesel Injection), in care o pompa alimenteaza cu motorina o rampa comuna, numita „common rail”, la presiuni de pana la 1500 bari. Distributia carburantului din aceasta rampa se realizeaza cu actuatori piezoelectrici. Actuatorii piezoelectrici sunt utilizati in multe produse mecatronice, datorita unor caracteristici remarcabile, cum ar fi forte de actionare mari (de ordinul miilor de N), acceleratii de ordinul a 2000g, rezolutii in domeniul nanometrilor etc. Foarte multe eforturi ale proiectantilor si constructorilor de vehicule sunt dirijate in scopul cresterii sigurantei si confortului pasagerilor si implica subsisteme mecatronice sofisticate. 12.1. Echiparile automobilului modern Automobilul modern dispune, la ora actuala, de numeroase sisteme electronice pentru siguranta activa. Dar nu trebuie uitat ca cel care conduce masina este omul, nu un robot. Asa incat aceste sisteme sunt doar ajutatoare si nu exclud responsabilitatea si capacitatea de reactie a celui de la volan. Marca BMW a inteles foarte bine acest lucru inca de acum 25 de ani, cand a fost initiat programul „BMW Driver Training“, care presupune cursuri de instructaj pentru conducatorii automobilelor cu sigla alb-albastra. S-a pornit de la ideea ca regulile elementare de conducere invatate la scoala de soferi nu sunt suficiente pentru a actiona optim in situatiile 69

neprevazute din trafic. In plus, sistemele de siguranta activa nu pot depasi limitele fizicii, astfel ca cel mai bine pentru un conducator auto este sa inteleaga cum functioneaza acestea sub indrumarea specialistilor BMW. Bine ati (re)venit la scoala! Luati loc in banca, scoateti caietele si pixurile si sa incepem. Mai in gluma, mai in serios, cam la fel sunt intampinati cei peste 15.000 de cursanti care intra anual in programul „BMW Driver Training“. Cunostintele teoretice sunt foarte importante pentru a putea aplica in practica indicatiile instructorilor. Cu riscul de a-i plictisi pe cunoscatori, vom trece in revista principalele aspecte ale rularii autovehiculului. De la inceput trebuie remarcat ca legatura dintre automobil si calea de rulare se realizeaza prin asa numitele „pete de contact“ (suprafata de sprijin a pneurilor pe carosabil). In aceste suprafete iau nastere toate fortele dinamice si rezistentele la rulare care influenteaza comportamentul si tinuta de drum a masinii. Factorul decisiv in transmiterea puterii motorului la sol este coeficientul de frecare dintre pneu si calea de rulare. Daca marimea fortelor din pata de contact depaseste anumite limite sau, dimpotriva, aderenta drumului scade, rotile vor patina. Spre exemplu, coeficientul de aderenta pe gheata este de 10 ori mai mic decat cel pe asfalt uscat, prin urmare oprirea pe gheata va duce la distante de franare de circa 10 ori mai mari decat pe asfalt. Bineinteles, nu doar starea drumului conteaza, ci si tipul anvelopei utilizate (marime, desenul petei de contact, materiale). In practica, rularea rotii pe calea de rulare presupune un anumit grad de alunecare a pneului, cu limite destul de restranse. Astfel, la o accelerare brusca, rotile tind sa derapeze, in timp ce la franarea brusca ele tind sa se blocheze si sa patineze. Alunecarea pneului nu se produce doar in directie longitudinala, ci si transversala. In curbe, acceleratiile laterale si masa masinii conduc la aparitia fortei centrifugale. Atunci cand fortele laterale din petele de contact sunt depasite de forta centrifugala, automobilul nu-si mai pastreaza traiectoria, devenind subvirator sau supravirator. In cel de-al doilea caz, puntea spate este cea care pierde prima aderenta, iar masina tinde sa se roteasca in jurul axei verticale, fiind mult mai greu de controlat. Fizic, un automobil are sase grade de libertate, sau, mai simplu spus, poate efectua miscari de translatie si de rotatie pe cele trei axe. Fenomenele descrise mai sus sunt strans legate de aceste grade de libertate, iar sistemele electronice detecteaza si corecteaza abaterile de la miscarea impusa automobilului prin masurarea parametrilor specifici acestor grade de libertate. Pentru a putea controla miscarea automobilului pe traiectorie, este necesar ca acesta sa fie incetinit indeajuns de mult pentru ca sistemele electronice sa poata interveni si modifica parametrii. De fapt, tendinta normala a soferului, la aparitia unei situatii neprevazute sau a unui pericol, este de a frana. In 1979, BMW 745i devenea primul automobil dotat in serie cu echipament ABS (Antilock Brake System). De atunci, sistemul a fost imbunatatit enorm, dar principiul de functionare a ramas virtual acelasi. Spuneam mai devreme ca exista o anumita alunecare a pneului pe calea de rulare, care poate fi definita ca un raport intre viteza reala a vehiculului si viteza de rotire a rotii. Testele au aratat ca o alunecare de pana la 20% este ideala pentru dezvoltarea fortelor la demarare sau franare in conditii optime. In practica, senzorii ABS de la fiecare roata sesizeaza tendinta de blocare a rotii si comanda slabirea presiunii de franare pana cand roata ajunge sa aiba viteza optima de rotire. Avantajul nu este doar o distanta mai mica de oprire, ci si faptul ca soferul are controlul traiectoriei automobilului (rotile nu se mai blocheaza, prin urmare vor raspunde la comenzile de rotire a volanului). Actualmente, sistemul ABS a devenit un modul dintr-un sistem mai complex, EBM (Electronic Brake Management „managementul electronic al franarii”), care ajuta soferul sa franeze in conditii de maxima siguranta. In mod obisnuit, functionarea ABS-ului se resimte in pedala ca o pulsatie, soferii fara experienta avand tendinta de a slabi apasarea pedalei. In cazul franarii de urgenta, modulul DBC (Dynamic Brake Control „controlul dinamic al franarii”), sesizeaza ca soferul actioneaza cu viteza pedala de frana si comanda presiunea maxima in circuitul de franare, chiar daca forta exercitata de sofer asupra pedalei nu este 70

suficienta. In cazul franarii intr-o curba, CBC (Cornering Brake Control – “controlul franarii in viraj”), mareste presiunea de franare pe rotile din interiorul virajului, imbunatatind stabilitatea laterala a automobilului si impiedicand deraparea acestuia spre exteriorul virajului. ADB (Automatic Differential Brake – “franarea diferentiata automata”), de serie pe modelele cu tractiune integrala, este un sistem care aplica fortele de franare individual pe fiecare roata, in functie de conditiile de rulare. De exemplu, daca o roata este pe gheata, ea va tinde sa patineze, astfel ca ADB va comanda franarea acelei roti si repartizarea cuplului motor rotii (rotilor) cu aderenta mai buna. Conducatorul auto este asistat in conducere si de alte sisteme de control. Cel mai complex este DSC (Dynamic Stability Control „controlul dinamic al stabilitatii”), care intervine atat asupra franelor, cat si asupra motorului. Este format din mai multe module, printre care cel amintit mai devreme, EBM. ASC (Automatic Stability Control – „controlul automat al stabilitatii”), pastreaza viteza de rotatie a rotilor motoare in limite prestabilite, pentru a evita deraparea acestora. Astfel, indiferent de cat de mult apasa soferul pedala de acceleratie, sistemul intervine in managementul motorului si in sistemul de franare, asigurand o demarare eficienta a automobilului, fara ca rotile sa piarda aderenta. DTC (Dynamic Traction Control – „controlul dinamic al tractiunii), este o functie speciala a sistemului DSC, prin care rotile motoare beneficiaza de fluxul maxim de putere (tractiune crescuta), interventia DSC in managementul motorului si in sistemul de franare fiind temporar suspendata la plecarea de pe loc sau la viteze mici (se evita imobilizarea automobilului pe suprafetele cu aderenta foarte scazuta, deoarece sistemul DSC franeaza rotile motoare pentru a evita patinarea acestora). In speranta ca acest articol v-a facut sa intelegeti mai bine cum functioneaza noile dotari ale automobilului modern va astept cu completari si reactii in comentarii.

12.2. Sisteme pentru comanda multipunct a injectiei pe benzina 12.2.1. Sistemul de injectie KE Jetronic Majoritatea echipamentelor cu comanda electronica a injectiei benzinei au fost dezvoltate de firma Bosch seria Jetronic. Sistemul KE Jetronic foloseste reglajului pneumo hidraulic inlocuieste regulatoarele de presiune mecanice cu altele comandate electronic. Blocul electronic modeleaza semnalele de comanda in functie de temperatura lichidului de racire, pozitia obturatorului si dozajul amestecului. 12.2.2. Sistemul de aprindere si injectie D Jetronic Acesta este tipul de reglaj combinat, cu injectie intermitenta, folosit pe autoturismele Wolkswagen. La pornirea la rece combustibilul nu se mai incalzeste si de aceea la temperaturi scazute (-25 grade Celsius) se intampina dificultati la pornire. Pentru a evita aceasta in spatele obturatorului este plasat un injector care asigura pornirea motorului rece chiar la temperaturi ambiante de -30 grade Celsius. Injectoarele pot fi comandate individual sau pe grupe in baza unor semnale. 12.2.2. Sistemul de injectie Pijet Firma Piper FM a elaborat instalatia de alimentare prin injectie Pijet, asistata electronic, destinata productiei de masa a autoturismelor de litraj mic si mijlociu cu pret de cost convenabil. Este o instalatie la care reglajul se face in functie de randamentul umplerii, iar injectia individuala este intermitenta. 12.2.3. Sistemul de injectie de benzina L Jetronic 71

Reglarea cantitatii de benzina injectata pe ciclu se realizeaza ca si la KE Jetronic, in functie de cantitatea de aer aspirat de motor. In acest sens traductorul de presiune este inlocuit cu un debitmetru de aer. In varianta imbunatatita echipamentul este prevazut cu un traductor de oxigen care permite controlul riguros al formarii amestecului aer-combustibil in functie de procentul de oxigen din gazele de evacuare. 12.2.4. Sistemul de injectie de benzina LH Jetronic Sistemul LH Jetronic (Daewoo Cielo, Espero) seamana destul de mult cu precedenta varianta analizata (L Jetronic). Diferenta rezida in metoda de detectare a cantitatii de aer aspirata de motor care, la aceasta varianta, este realizata cu un debitmetru cu fir cald. Rezultatul acestor masurari este independent de masa volumica de aer, aspirat ce depinde insa de presiune si temperatura. Varianta LH Jetronic dispune de o centrala de comanda in care sunt inscrise valorile corespunzatoare unei cartografii “Dozaj/aer carburant” (spre deosebire de L Jetronic unde punctele de optim corespundeau unui reglaj “sarcina – regim”. Incepand cu acest sistem (cronologic) dispare injectorul suplimentar pentru imbogatire (existent la L Jetronic), reglajul carburatiei asistata electronic, fiind mult mai eficace. 12.2.5. Sistemul de injectie de benzina LU Jetronic Sistemul LU/LE Jetronic este identic cu sistemele anterioare din generatia L* Jetronic dar dispune de o functie suplimentara ce face posibila formarea amestecului utilizat de motoarele alimentate cu benzina fara plumb. Acest sistem are o larga utilizare in prezent echipand un segment important din motoarele actuale. BMW (320,318,528,530), Fiat (200, Strada, Bravo-Brava), Datsun. Echipamente pentru comanda multipunct a injectiei pe benzina La origine, injectia electronica a benzinei a fost utilizata in special pentru cresterea performantelor de putere litrica a motoarelor. Criteriile de optimizare s-au deplasat in directia reducerii consumului, pentru ca astazi atentia principala sa fie acordata respectului fata de normele ecologice. Sensul final al utilizarii injectiei de benzina comandate electronic este dat de posibilitatea optimizarii procesului de ardere. 12.3 Echipamente pentru comanda multipunct a injectiei pe benzina La origine, injectia electronica a benzinei a fost utilizata in special pentru cresterea performantelor de putere litrica a motoarelor. Criteriile de optimizare s-au deplasat in directia reducerii consumului, pentru ca astazi atentia principala sa fie acordata respectului fata de normele ecologice. Sensul final al utilizarii injectiei de benzina comandate electronic este dat de posibilitatea optimizarii procesului de ardere. Utilizarea echipamentelor de injectie multipunct a benzinei, comandate electronic, determina multiple avantaje: - pulverizarea foarte fina a benzinei la toate regimurile de functionare, in special la regimurile de sarcina si turatie redusa, - uniformitatea sporita a dozei de combustibil pe ciclu si pe cilindru, - cresterea gradului de umplere al cilindrilor cu 8-12%, - cresterea puterii efective cu 10-15 % datorata imbunatatirii arderii si a umplerii, cat si posibilitatii de a lucra cu rapoarte de comprimare mai mari, - scaderea consumului specific efectiv de combustibil cu 12-15 % prin mai buna formare a amestecului si arderii mai eficiente, - reducerea emisiilor poluante din gazele de evacuare ca urmare a posibilitatii stratificarii amestecului si arderii amestecurilor sarace.Specifica echipamentelor de injectie a benzinei este corelarea permanenta a debitului de benzina cu debitul de aer la toate regimurile de functionare. Costul mai ridicat al instalatiei de injectie asistata electronic, in comparatie cu 72

sistemul de alimentare cu carburator, este un dezavantaj de obicei rapid amortizat prin exploatarea autovehiculului. Sistemele de gestiune, comanda si reglaj electronic utilizate in structura echipamentelor de injectie a benzinei sunt compuse in general din cinci grupe de elemente distincte: - traductoare pentru culegerea si transformarea diferitelor marimi fizice in semnale electrice analogice, - unul sau mai multe microprocesoare care constituie structura de baza a microcalculatorului in care se realizeaza memorarea, compararea, coordonarea informatiilor de stare si emiterea semnalelor de comanda, - unul sau mai multe elemente de executie â&#x20AC;&#x153;traductoareâ&#x20AC;? comandate in timp real de microcalculator, - convertoare analog-digitale si digital-analogice pentru convertirea semnalului electric necesar elementului de procesare (microcalculator) cu natura semnalului de comanda pentru elementele de executie sau transmise de traductoare, - dispozitive de legatura si conexiune care permit circulatia semnalelor. Principial echipamentele de injectie cu comanda electronica s-au dezvoltat din sistemele de injectie cu comanda mecanica, la care s-au inlocuit (uneori) injectoarele mecanice cu cele electromagnetice si s-au introdus dispozitive de sesizare si unitati electronice de comanda a deschiderii injectoarelor si reglare a duratei deschiderii acestora. 12.4. CAN BUS â&#x20AC;&#x201C; magistrala seriala in constructia de automobile Dezvoltarea CAN a inceput odata cu implementarea unui numar tot mai mare de dispozitive electronice in autovehiculele moderne. Exemple de astfel de dispozitive sunt sistemele de management ale motorului, suspensiile active, ABS, controlul cutiei de viteze, controlul farurilor, aerul conditionat, airbag-urile si inchiderea centralizata.Controller Area Network (CAN) este un protocol de comunicatie serial, care asigura controlul distribuit, in timp real, cu un mare grad de siguranta. A fost dezvoltat initial de firma Robert Bosch GmbH, care detine si licenta CAN, in ultima parte a anilor 1980. Este standardizat pe plan international de International Standardization Organization (ISO) si de Society of Automotive Engineers (SAE). -

CAN de viteza mare are la baza standardul ISO 11898 (rate de transmisie de pana la 1 Mbit). CAN de viteza mica (rate de transmisie de 125 Kbit) se bazeaza pe ISO 11519-2.

- extensii in specificatiile 2A and 2B (datorita cerintelor producatorilor de hardware) de diferite lungimi ale identificatorilor (2A cu identificatori de 11 biti, 2B cu identificatori de 29 biti). - un alt standard este CiA DS-102: standardizeza ratele de transmisie (baud-rates) si timpii impusi pentru transmiterea bitilor si stabileste conductorii, conectorii si liniile de putere.CAN in autovehicule: - SAE CAN clasa B (are la baza standardul ISO 11519-2), cu pana la 32 de noduri, este implementat in spatiul interior al vehiculului si leaga componente ale sasiului si electronica destinata confortului . 73

- SAE CAN clasa C (are la baza standardul ISO 11898), cu pana la 30 de noduri, este implementat pentru conectarea si controlul motorului, a transmisiei, a franarii, suspensiei. CAN este protocolul cel mai utilizat in autovehicule si automatizari. Cele mai importante aplicatii pentru CAN sunt automobilele, vehiculele utilitare si automatizarile industriale. Alte aplicatii ale CAN se regasesc la trenuri, echipamente medicale, automatizarea cladirilor, echipamente electrocasnice si automatizarea birourilor. Concepte de baza – structura liniilor CAN bus line si nivelele de tensiune care corespund celor doua stari ale magistralei – dominant and recesiv.

12.4.1. Propietati ale CAN – iata cateva dintre cele mai remarcabile propietati ale CAN: - prioritizarea mesajelor: Identificatorul (identifier) defineste o prioritate statica a mesajului in timpul accesului la magistrala. Atunci cand magistrala este libera, oricare unitate poate demara inceperea unei transmiteri a unui mesaj. Daca incep sa transmita simultan doua sau mai multe unitati, conflictul de acces pe magistrala este rezolvat prin arbitrarea bit cu bit, utilizand identificatorul. Mecanismul arbitrarii garanteaza ca nu se pierde nici timp, nici vreo informatie. Pe parcursul arbitrarii fiecare transmitator compara nivelul bitului transmis cu nivelul existent pe magistrala. Daca nivelele sunt egale, unitatea continua sa transmita. Daca ea transmite un nivel “recesiv” si magistrala monitorizeaza un nivel “dominant”, unitatea pierde arbitrarea si trebuie sa se retraga, fara a mai transmite un singur bit. Acest sistem de arbitrare, conceput special pentru autovehicule, permite rezolvarea unor evenimente de importanta mai mare in functionarea masinii, care necesita o decizie mai rapida, prioritar fata de evenimente pentru care deciziile mai pot intarzia. - multimaster: Magistrala nu presupune o ierarhizare a nodurilor, cand magistrala este libera, oricare unitate poate incepe transmiterea unui mesaj. Unitatea cu mesajul cel mai prioritar va castiga accesul la magistrala. - siguranta: pentru a realiza cea mai mare siguranta in transferul datelor, in fiecare nod al magistralei CAN sunt implementate mijloace puternice pentru detectarea erorilor, semnalizarea acestora si auto-verificare. - conexiuni: legatura seriala de comunicatie CAN este o magistrala la care pot fi conectate un anumit numar de unitati. Acest numar nu are o limita teoretica, limita practica fiind determinata de timpii de intarziere si/sau consumul de putere pe magistrala. Nodurile magistralei nu au adrese specifice, adresa informatiei fiind continuta in identificatorul mesajului transmis si in prioritatea acestuia. Numarul nodurilor poate fi modificat dinamic, fara ca acest lucru sa perturbe comunicatia dintre celelalte noduri. - rata de transmisie: viteza CAN poate fi diferita in diferite sisteme, dar pentru un anumit sistem rata de transmisie este fixata si constanta

13.

ASPECTE PRIVIND STUDIUL SISTEMELOR DE CONTROL AUTOMOBILULUI FOLOSIND PRINCIPIILE SISTEMELOR AUTOMATE

ALE

Pentru dezvoltarea de sisteme de control a parametrilor: viteză, turaţie, sarcină se consideră automobilul ca un sistem dinamic în ansamblul căruia se evidenţiază fenomene fizice care implică transformări şi transferări de masă şi energie. Descrierea cantitativă a 74

proceselor presupune evidenţierea unor mărimi caracteristice şi stabilirea legăturilor cauzale dintre ele care determină evoluţia lor în timp. Funcţionarea sistemelor automate este caracterizată de schimbul de energie sub influenţa unor parametri predefiniţi asupra cărora poate să intervină factorul uman. Controlul funcţionării sistemelor automate se realizează prin semnale ca mărimi fizice ce transmit informaţii. Caracteristica fizică ce se modifică în dependenţă de informaţie (în accepţiunea teoriei sistemelor) se numeşte parametru informaþional. Aşadar, legătura dintre subsistemele automobilului şi dintre acestea şi factorul uman se realizează prin modificarea caracteristicilor fizice sub influenţa semnalelor care poartă informaţia deci, sub acţiunea parametrilor informaţionali. În funcţionarea automobilului în ansamblu cât şi în funcţionarea subansamblurilor acestuia, care pot fi considerate , la rândul lor, ca sisteme ce fac transfer de energie între ele şi, între ele şi automobilul ca ansamblu; se disting două tipuri de regimuri: regimuri de echilibru staţionar şi regimuri dinamice sau tranzitorii. 13.1 REGIMURI DE ECHILIBRU STAŢIONAR În aceste regimuri sunt îndeplinite condiţiile de bilanţ energetic pe ansamblu, ce pot fi exprimate prin relaţia: (13.1.1) adică, energia intrată în sistem este egală cu energia eliberată de sistem. Această situaţie se întâlneşte în cazul deplasării automobilului în regim stabilizat când viteza este constantă în condiţiile în care rezistentele la înaintare sunt constante. 13.2 REGIMURI DINAMICE SAU TRANZITORII Sunt regimuri în care, datorită fenomenelor de acumulare şi consum interne, relaţia (13.1.1)nu mai este respectată, adică (13.1.2) Închiderea dinamică a bilanţului se realizează acum prin variaţia unui set de mărimi unic determinate care descriu fenomenele de acumulare sau consum ce au loc în funcţionare, acceptate ca denumire de mărimi de stare. Pentru o singură mărime de stare, relaţia (13.1.2) se scrie (13.1.3)

unde este derivata în raport cu timpul a mărimii x. În regimurile staţionare mărimile de stare sunt constante deci: (13.1.4) În regimurile tranzitorii mărimile de stare variază, deci: (13.1.5) Din relaţia (13.1.3) rezultă că fenomenele de acumulare (sau consum) au loc atâta timp cât Q i −Q e ≠0 pentru că:

(13.1.6)

Din relaţia (13.1.4) rezultă că dacă: ( 13.1.7) atunci procesul de acumulare sau de consum nu ar înceta niciodată, adică: (13.1.8) ecuaţie care caracterizează procesele fără echilibrare. Majoritatea proceselor au însă o proprietate de autoechilibrare, astfel încât ecuaţia (13.1.3) se scrie sub forma (13.1.9) Soluţia ecuaţiei (13.1.9) este formată din două componente (13.1.10) unde x l (t) este componenta liberă, ce caracterizează regimul tranzitoriu, x f (t) este componenta forţată, ce caracterizează regimul forţat. Componenta liberă x (t) l este soluţia ecuaţiei omogene (13.1.11) şi este de forma (13.1.12) unde C este constantă de integrare. Componenta forţată x f (t) se determină prin metoda variaţiei constantei. Se consideră (13.1.13) unde β (t) este o funcţie ce urmează să fie determinată astfel ca x (t) f să satisfacă ecuaţia (13.1.9). (Înlocuind (13.1.13) în (13.1.9) după efectuarea calculelor rezultă (13.1.14)

unde termenul constant − (ΔQ/ a) descrie regimul staţionar (permanent), iar termenul variabil (ΔQ/ a)eat corespunde unei componente tranzitorii care se amortizează asimptotic (a<0). Înlocuind (13.1.12) şi (13.1.14) în (13.1.10) se obţine 76

(13.1.15)

Din condiţia iniţială se determină constanta C (13.1.16) Dacă ΔQ=const., soluţia (13.1.15) a ecuaţiei (13.1.9) poate fi scrisă (13.1.17)

(13.1.18

unde: x (t) x (t) s p = este componenta permanentă a răspunsului forţat, de aceeaşi formă cu mărimea de intrare (în acest caz regimul permanent este un regim staţionar); x (t) t este componenta tranzitorie formată din termenul x ⋅ eat 0 corespunzător condiţiilor iniţiale nenule şi din termenul variabil (ΔQ/ a)⋅ eat al răspunsului forţat determinat de mărimea de intrare u(t) = ΔQ . Evoluţiile descrise de relaţiile (13.1.8) şi (13.1.9) sunt reprezentate în fig. 50. Din ecuaţia (13.1.9) se obţine pentru regimul staţionar (13.1.19)

care are o semnificaţie remarcabilă, arătând că regimul staţionar corespunde unor transferuri energetice diferite (13.1.20) Se constată că, cu cât mărimea acumulării x este mai scăzută consumul este mai redus. Conducerea fenomenelor şi proceselor are ca obiectiv principal menţinerea unor

Figura 50 Reprezentarea grafică a comportării sistemelor fără şi cu autoechilibrare 77

valori prescrise sau nominale ale variabilelor de stare, valori ce descriu funcţionarea procesului la parametri nominali (13.1.21)

Înlocuind relaţia (13.1.21) în relaţia (13.1.20) se obţine: (13.1.22) relaţie ce explicitează funcţionarea procesului în regim staţionar la parametri nominali. Din ecuaţia (13.1.9) a regimului tranzitoriu se pune în evidenţă caracterul perturbator al variaţiilor mărimilor de ieşire e Q asupra constanţei regimurilor staţionare. Variaţiile mărimilor e Q trebuie compensate printr-o modificare adecvată a mărimilor de intrare i Q astfel încât restabilirea regimurilor staţionare (13.1.21).

să corespundă condiţiei de calitate

Modificarea mărimii i Q se realizează prin intermediul semnalului de comandă (u) care modifică un parametru al acesteia (debit, presiune, curent etc.). Deci: (13.1.23) unde u este mărimea de comandă , b este un factor de proporţionalitate. Afectarea mărimii de ieşire e Q de către factorul perturbator se evidenţiază prin relaţia (13.1.24) unde v este mărimea perturbatoare, considerată de semn opus mărimii e Q tocmai pentru a evidenţia efectul perturbator al acestuia; e este un factor de proporţionalitate. Calitatea proceselor de reglare se apreciază printr-un set de mărimi notate cu z şi numite mărimi de calitate, care sunt dependente de mărimile de stare sau se identifică cu acestea. Astfel se poate scrie: (13.1.25)

în care d este factor de proporţionalitate. Pentru funcţionarea la parametri nominali (13.1.26) unde zn este valoarea nominală a mărimii de calitate. Aprecierea calităţii se face, de obicei, prin efectuarea de măsurări asupra proceselor. Mărimea măsurată (v) este dependentă de starea x prin relaţia (13.1.27)

În relaţiile (13.1.21) şi (13.1.22), în (13.1.7)) şi adăugând relaţiile (13.1.25) şi (13.1.27)se obţine (13.1.28) Aceste relaţii exprimă interpretarea sistemică elementară a procesului considerat. Relaţiilor (13.1.28) li se poate asocia reprezentarea schematică din fig. 51 în care se evidenţiază mărimile introduse. Prin săgeţi se indică sensul lanţului cauzal, deci sensul transmiterii informaţiilor. Mărimile u şi P determină variaţiile mărimilor măsurate (de ieşire) v .

Figura 51 Simbolizarea interpretării relaţiilor (2.28): u mărime de comandă; v - mărime de ieşire; P - mărime perturbatoare De obicei mărimile de comandă (u) nu intervin direct asupra procesului, ci prin intermediul unor dispozitive numite elemente de execuţie ale căror mărimi de ieşire se numesc mărimi de execuţie notate cu m . Valorile mărimilor măsurate se obţin prin intermediul traductoarelor şi aparatelor de măsurare. În cazul conducerii automobilului, elaborarea mărimii de comandă (u) presupune prelucrarea după un anumit algoritm a unei mărimi (semnal) de eroare (ε), corespunzător diferenţei dintre valoarea dorită (impusă) a vitezei (v*) şi valoarea obţinută (v) a acestei mărimi, fig. 52. În cazul conducerii manuale funcţiile de comparare între valorile dorite v* şi valorile reale v , şi de prelucrare a semnalului de eroare (de decizie) sunt îndeplinite de operatorul uman care urmăreşte evoluţia proceselor.

Figura 52. Structura sistemului de conducere a automobilului cu scopul realizării unor viteze de deplasare impuse: v* - viteza impusă; ε - semnalul de eroare; u - mărimea de comandă; m - mărimea de execuţie; v - viteza realizată; EC echipament de comparare; PSE - Echipament de prelucrare a semnalului de eroare; M motorul; T - transmisia. Problema conducerii unui proces constă deci, în elaborarea şi aplicarea mărimilor de comandă u, pe baza cunoaşterii obiectivului conducerii (a mărimilor de calitate zn ) şi a mărimilor măsurate v. Datorită acţiunii mărimilor perturbatoare, conducerea unui proces nu poate înceta decât odată cu oprirea acestuia. Acţiunea de conducere a procesului are un caracter permanent. Subsistemele automobilului, ca şi automobilul în ansamblu ca sistem (noţiunea de 79

sistem este relativă, o parte a unui sistem numit subsistem poate fi la rândul lui un sistem; aceeaşi realitate fizică poate conţine unul sau mai multe sisteme distincte), sunt sisteme dinamice neliniare, cu parametri concentraţi sau distribuiţi, dinamice invariabile sau variabile în timp. 13.3 PROPRIETĂŢILE SISTEMELOR AUTOMATE DINAMICE. Sistemele automobilului au proprietăţile fundamentale ale sistemelor automate dinamice: - observabilitatea adică, pe baza cunoaşterii intrării ω(t) Ω şi a ieşirii γ (t) = Γ se poate determina starea x(t) X ; - controlabilitatea adică, există comenzi care realizează tranziţia stării x(t) din orice stare iniţială x(t1) în orice stare finală x(t2) în intervalul de timp [t1,t2] . În sens fizic, existenţa unei cauze (variaţie a mărimii de intrare) determină o reacţie a sistemului (variaţie a mărimii de ieşire); - stabilitatea reprezintă proprietatea unui sistem, care fiind perturbat dintr-o stare de echilibru staţionar, revine după dispariţia cauzei în aceeaşi stare de echilibru, în mod natural; - adaptabilitatea adică, dacă se poate evidenţia în interiorul sistemului o variabilă α care admite pentru t T o variaţie conform unei legi impuse η1; - identificabilitatea adică, dacă se poate evidenţia în interiorul sistemului o variabilă β, măsurabilă pentru t T, numită variabilă de identificare care conform unui criteriu η2, să ofere o imagine asupra proprietăţilor sale interne, respectiv structurii şi parametrilor săi; - structurabilitatea care constituie o condiţie a existenţei sistemelor. Pentru a evidenţia o structură, un sistem dinamic este discretizat într-un ansamblu de părţi numite elemente sau subsisteme legate funcţional astfel încât să respecte tranziţia cauzală intrareieşire: ω→γ . În baza proprietăţii de structurabilitate, sistemele se pot descompune şi compune în şi din subsisteme. După structură se întâlnesc la automobile două grupe de sisteme dinamice: a) sisteme cu structură deschisă; b) sisteme cu structură închisă . 13.4 SISTEMELE DINAMICE CU STRUCTURĂ DESCHISĂ. Aceste sisteme sunt constituite prin reunirea de elemente de bază cuplate funcţional astfel ca mărimea de intrare a oricărui element să nu fie influenţată de mărimea sa de ieşire, direct sau indirect. Din această categorie fac parte: - sisteme cu comandă automată; - sisteme cu compensare automată. 13.4.1 Sistemele cu comandă automată Aceste sisteme sunt cele care reacţionează numai la modificările mărimii de intrare. Ca exemplu poate fi considerat autovehiculul în ansamblu, asupra căruia se intervine printr-o mărime de comandă x1 , (deschiderea clapetei) pentru a se impune o valoare dorită vitezei de deplasare v, (fig.53). Acest sistem are o structură deschisă pentru că mărimea de ieşire nu influenţează în nici un fel mărimea de intrare în oricare din elementele sistemului.

Figura 53. Sistem cu comandă automată în structură deschisă: x1 - mărime de comandă; v - mărime obiectiv (impusă); P - mărime perturbatoare. Automobilul dispune de mai multe subsisteme înseriate (fig.54):

Figura 54. Subsistemele principale ale automobilului cuplate într-un sistem cu structură deschisă: S1 - subsistem condus, puntea motoare, S2 - subsistem de comandă a motorului; S3 - subsistemul motor; S4 - subsistemul de adaptare a caracteristicilor, transmisia. - subsistemul condus, transmisia principală şi roţile motoare S 1 ; - subsistemul de comandă, mecanismul de control a puterii dezvoltată de motor S 2 ; - subsistemul motor care generează energia de deplasare S3 ; - subsistemul schimbător de viteze S4, care realizează adaptarea caracteristicii motorului la caracteristica dinamică de deplasare a autovehiculului. De obicei subsistemul S1 este definit şi se doreşte realizarea unei tranziţii x1→v care să satisfacă anumite performanţe dinamice. Pentru realizarea acestor tranziţii se adaugă subsistemele S2 şi S3 care comandă subsistemul S1 astfel ca ansamblul să aibă comportarea dorită. Asupra subsistemelor S1 şi S2 acţionează şi alte mărimi exterioare (P) care au de obicei un caracter perturbator. 13.4.2 Sisteme cu compensare automată. Acestea funcţionează pe principiul compensării efectului nedorit al mărimilor perturbatoare. Pentru eliminarea sau diminuarea efectului perturbaţiilor asupra mărimii de ieşire se introduce un subsistem astfel încât mărimea de execuţie (fig.2.5) să depindă şi de perturbaţia P. De exemplu, dacă la modelul descris anterior perturbaţia P este variaţia rezistenţelor la înaintare se introduce subsistemul S5 (regulator) care, prin mărimea de ieşire, modifică parametri de funcţionare ai motorului astfel încât mărimea de execuţie să depindă şi de perturbaţia P. Sistemul obţinut este tot cu structură deschisă deoarece nu există nici un element la care mărimea de intrare să depindă de mărimea de ieşire direct sau indirect. 13.5 SISTEME DINAMICE CU STRUCTURĂ ÎNCHISĂ. Sistemele dinamice cu structură închisă conţin cel puţin un subsistem la care mărimea sa de intrare este influenţată de mărimea de ieşire direct sau indirect. Structura cea mai simplă a acestor sisteme, fig. 55, cuprinde următoarele subsisteme: subsistemul 81

Figura 55. Sistem dinamic cu structură închisă: S1 - subsistem condus; S2 subsistem de reacţie; S3 - subsistem de decizie. principal (condus) S1 care asigură o anumită dependenţă a mărimii de ieşire y de mărimea de execuţie m; subsistemul secundar (de reacţie) S2 asigură reacţia inversă (feed-back), prin care se transmit informaţii despre evoluţia mărimii de ieşire la subsistemul S3 ; subsistemul decizional S3 asigură o decizie asupra tipului şi modului de variaţie a mărimii de execuţie m, pentru a se realiza tranziţia intrare-ieşire dorită. Acest subsistem utilizează un algoritm în care mărimea de intrare u şi de reacţie yr au un rol important. Din această grupă fac parte sistemele cu schema bloc din fig. 230 în care subsistemele S3 realizează o comparare liniar-aditivă între o variabilă v*1, dependentă de v*, şi vr dependentă de mărimea de ieşire v, de forma v*1 + vr apoi, pe baza unui algoritm, se obţine mărimea de execuţie m . Dacă ε = v*1 − vr , sistemul este cu reacţie inversă negativă sau sistem cu reglare automată. Mărimea ε este numită abatere sau eroare. Dacă: (13.5.1)

reprezintă efectiv abaterea dintre valoarea impusă (de referinţă) şi valoarea reală a mărimii reglate

Figura 56. Principiul sistemelor automate cu compensare liniar-adaptivă între variabile, utilizat la modelarea controlului vitezei automobilului Pentru dezvoltarea sistemelor, cu care să se efectueze de controlul parametrilor automobilului, se pot structura subansambluri bazate pe principiul sistemelor dinamice cu compensare liniar-adaptivă între variabile. În figura 56 se prezintă schema unui astfel de sistem în care mărimea de intrare v* (variabila prescrisă) viteza obiectiv, care reprezintă viteza de deplasare a automobilului impusă de tipul deplasării, este aplicată la intrare urmând ca restul proceselor de funcţionare: controlul deschiderii clapetei, selectarea 82

treptei, frânarea, acţionarea ambreiajului să se desfăşoare în regim automat. Sistemul va conţine mai multe bucle de acest tip, cu comparare liniar-adaptivă, în module care constituie subansambluri ale automobilului. 14. STRATEGII DE CONTROL AL MOTORULUI Controlul electronic al procesului de schimbare al rapoartelor de transmitere în cazul unui autoturism echipat cu cutie de viteze mecanică în trepte pretinde pe de o parte controlul dispozitivelor de acţionare a cutie de viteze, a ambreiajului şi a motorului (la nivelul pedalei de acceleraţie cel puţin), iar pe de altă parte, controlul strategiei de trecere de la un raport de transmitere la altul. În cazul folosirii pe autoturism a unui m.a.s. modern având funcţii controlate electronic (injecţie de benzină cu comandă electronică, distribuţie adaptivă comandată electronic, etc.), cei mai mulţi fabricanţi îşi pun problema controlului electronic "integrat" al grupului motor-transmisie (grupul propulsor), şi a elaborării strategiei optimizării funcţionale a controlului electronic, pe baza unor criterii. O strategie care să răspundă unor criterii de economicitate, depoluare, dinamicitate, stilul şi cerinţele şoferului, dar cu mijloacele tehnice la îndemână, într-o aplicaţie de schimbare automată a treptelor cutiei de viteze cu 4+1 trepte care echipează un autoturism clasic este dezvoltată în cele ce urmează. Motorul cu aprindere prin scânteie de 1,3 litri, patru cilindri în linie alimentat prin carburator dispune de un dispozitiv de control al poziţiei obturatorului care acţionează pe durata trecerii între treptele cutiei de viteze şi controlează turaţia de mers în gol pe durata încălzirii motorului. Ambreiajul este de tip monodisc cu frecare uscată şi arc diafragmă. Sistemele moderne de control ale motorului au la bază o arhitectură de control a momentului motor şi pot fi echipate cu un bloc electronic de control propriu sau instalate direct pe motor. Sistemele moderne de control ale transmisiei se bazează pe identificarea cerinţelor şoferului şi adaptarea modului de schimbare a treptelor de viteze, fiind realizate fie cu bloc de control propriu, fie instalate direct pe cutia de viteze. Comunicaţia între sistemul de control al motorului şi cel al transmisiei are drept scop reducerea emisiilor poluante (în faza de încălzire a reactorului catalitic) şi de a proteja cutia de viteze împotriva unor suprasolicitări. Scopul sistemelor de control integrat al grupului propulsor este depistarea unui optim global al grupului care să înlocuiască optimizarea în parte a motorului şi separat a transmisiei. Această abordare a condus la o structură ierarhică ce include un meta-controler şi secţiuni subordonate pentru motor şi transmisie, ca în cazul sistemelor integrate promovate de firma Siemens. Avantajele meta-controlerului constau în faptul că el dispune de o mare flexibilitate în adaptarea unor optimizări dinamice între antipozii ce se manifestă în cazul autoturismelor echipate cu motoare de putere redusă, maniabilitate redusă datorită rezervei reduse de putere pe de o parte şi necesitatea de a funcţiona cu consum cât mai redus de combustibil, pe de altă parte. Aceste avantaje sunt posibile datorită concepţiei metacontrolerului care nu foloseşte control strict dedicat unei funcţii a motorului (exemplu, bazat nu numai pe controlul poziţiei obturatorului şi pe cel al presiunii de supraalimentare ci şi pe alte funcţii care pot fi specifice chiar unui m.a.c.). Pedala de acceleraţie rămâne în orice împrejurare simbolul cerinţelor şoferului, şi împreună cu alţi parametri măsurabili ai motorului (turaţia, temperatura) poate de măsura valorii momentului efectiv al motorului, pentru a rămâne la idea controlului motorului prin valoarea momentului motor. În practică sunt folosite diferite criterii de interpretare a poziţiei şi a cursei pedalei de acceleraţie, în corelaţie şi cu condiţiile de deplasare a automobilului, iar constrângerile date de realizarea fizică a unor interfaţări dedicate unui tip de dispozitiv de comandă conduc tot la folosirea în final a unui semnal de ieşire tot de tip "moment motor". Soluţia 83

propusă este ca valorificarea semnalelor de intrare ce ar determina semnalul de ieşire tip "moment motor" să se facă printr-un procedeu multi-criterial, o bună metodă de realizare fiind utilizarea logicii Fuzzy. Specialiştii atrag atenţia în privinţa unor constrângeri în interpretarea valorii momentului la roata motoare, care constau în faptul că momentul motorului are limite absolute şi în necesitatea folosirii unui traductor al cursei pedalei de acceleraţie cu sensibilitate egală pe întreaga cursă şi fără zone moarte. Un alt factor limitativ în aprecierea momentului la roată îl poate constitui însăşi tipul de transmisie; de exemplu, în cazul folosirii unei cutii de viteze în trepte cu schimbare automată, pe durata schimbării treptelor au loc întreruperi de moment, iar o creştere a momentului de intrare după efectuarea schimbării ar cauza o deteriorare a confortului procesului de schimbare. De aici rezultă necesitatea folosirii valorii momentului motor şi a poziţiei pedalei de acceleraţie care în anumite împrejurări suferă unele corecţii. Se prezintă în continuare abordarea secţiunilor de control pentru motor şi pentru transmisie.

14.1 CONTROLUL MOTORULUI Metodica controlului funcţionării motorului prin momentul său pretinde analiza tuturor factorilor cu influenţă asupra momentului motor. O schemă logică a secţiunii de control a unui m.a.s. este prezentată în figura 57. Din această schemă se desprind condiţiile de proiectare a interfeţei cu metacontrolerul asupra: - acţionării obturatorului şi vitezei lui de acţionare; - modularizării cilindreei; - întreruperii alimentării cilindrilor în timpul deceleraţiilor. Interfaţa este astfel proiectată încât să poată fi comod calibrată (etalonare simplă şi coordonarea momentului motor să se efectueze cu evitarea posibilităţilor de interferenţă a diferitelor porţi şi căi de intrare). Deosebit de importantă este asigurarea priorităţilor semnalelor de intrare. Momentul motor necesar autopropulsării va fi rezultatul ponderării flexibile a tuturor factorilor de intrare (proporţia încărcăturii proaspete, unghiul de avans la aprindere, dozajul) în concordanţă şi cu restricţiile specifice ale motorului. Momentul instantaneu calculat este furnizat ca semnal de reacţie în buclă închisă meta-controlerului. Pentru verificarea concordanţei valorilor calculate ale momentului instantaneu, cu cele reale, (calibrare), se poate folosit un traductor de cuplu instalat pe autoturism. Instalaţia de măsurare a momentului motor se bazează pe măsurarea reacţiunilor în punctele de suspendare a grupului propulsor pe autoturism

Figura 57. Schema bloc a sistemului de control al motorului

14.2 STRUCTURI CLASICE DE CONTROL O analiză eficientă a performanţelor motoarelor trebuie să aibă în vedere modul în care este structurat sistemul de control al alimentării cu combustibil şi al aprinderii. Dacă până de curând controlul era practic asigurat de sisteme de reglaj mecanice (cu toate limitările lor specifice), în ultima perioadă se remarcă o dezvoltare spectaculoasă a sistemelor electronice. Pentru a studia modalităţile de perfecţionare în continuare a sistemelor electronice de control al injecţiei de benzină şi al aprinderii sunt necesare o sistematizare şi o analiză comparativă a soluţiilor existente. O primă structură - bloc de motor cu aprindere prin scânteie este prezentată în fig.58.

Figura 58. Schema bloc a unei structuri clasice de control al motorului Acest tip caracterizează motoarele cu carburator, sistemele de injecţie . mecanică şi injecţia electronică de benzină fără control în buclă închisă λ şi de control al detonaţiei. Mărimile specifice ce apar sunt următoarele: s - sarcină; n - turaţie; a - avans la aprindere; d - dozaj carburant; p - factori poluanţi (gaze de evacuare); v - vibraţii (specifice detonaţiei); i1…im - parametri interni; e1 ... en - parametri externi; ce - mărimi de corecţie a influenţei parametrilor externi; ci - mărimi de corecţie a influenţei parametrilor interni. Dacă ne referim la controlul electronic existent în prezent, conform încadrării enunţate iniţial, pentru fig. 32 în regim stabilizat şi condiţii standard de funcţionare avansul am= fa(s,n) şi dozajul dm=fd (s,n) pot fi considerate ca fiind memorate sub forma unor matrice, A respectiv D, având dimensiunile s1×n1 şi respectiv s2×n2 (14.2.1)

Mărimile sunt cuantificate, respectând condiţiile: aij şi dij N. Mărimile de control ce acţionează asupra motorului, notate ac şi dc, rezultă pe baza relaţiilor analitice: (14.2.2)

unde Ua şi Ud sunt mărimi unitare specifice blocului de control, astfel încât ac şi dc sunt din punct de vedere dimensional mărimi echivalente avansului la aprindere, respectiv dozei de benzină. Pentru un regim staţionar, dar pentru alte valori ale parametrilor determinaţi de factorii interni şi externi, apare necesitatea aplicării unor corecţii. Uzând de acelaşi formalism matematic, aceste corecţii pot fi exprimate (în cazul când acestea au un caracter aditiv) prin două matrice de corecţie Ca şi Cd:

(14.2.3)

Aceste matrice de corecţie vor fi utilizate pentru prelucrarea mărimilor memorate A, respectiv D. Generarea mărimilor de control folosite va fi realizată de relaţii similare cazului precedent, în care însă apar matricele; Af pentru avansul la aprindere, respectiv Df pentru doza de benzină. (14.2.4) deci

Valorile elementelor din matricele de corecţie apar ca funcţii de tipul: (14.2.5)

Dacă se doreşte o corecţie de bună calitate, parametrii ce descriu factorii interni şi cei externi se cuantifică într-un anumit număr de trepte, alese din considerente practice. Fie q acest număr. Apar, prin urmare, Nc combinaţii posibile ale parametrilor, unde (14.2.6) Aşadar, apare un necesar de memorie pentru corecţia avansului la aprindere de Na locaţii, iar pentru corecţia dozajului, de Nd locaţii, unde: (14.2.7) Având în vedere valorile practice ale capacităţilor de memorie (caracteristicile standard statice) - pentru avans n1⋅ s1, respectiv pentru dozaj n2,s2, - rezultă necesităţi de memorie extrem de mari. Valorile ce s-ar înscrie în aceste memorii ar impune un număr extrem de mare de rezultate experimentale, obţinute prin probe de stand, uneori în condiţii extrem de dificil de realizat (combinaţii posibil să apară practic, dar foarte dificil de menţinut pe durata unor experimente în mediu artificial). Prin urmare, pe baza acestor principii de control pentru toate regimurile staţionare posibile, mărimile finale utilizate pentru controlul motorului asf şi dsf au forma: (14.2.8)

în regim staţionar şi condiţii standard de funcţionare nu apar diferenţe notabile între performanţele realizate de aceste sisteme. Deosebirile sunt dictate practic numai de 87

dispersia tehnologică de realizare a motorului şi a blocului de control (în limitele de 3% la motoarele cu carburator şi 1% la motoarele cu injecţie). Analiza chimică a gazelor de evacuare nu evidenţiază deosebiri notabile, iar tendinţa de detonaţie pentru reglaje iniţiale corecte este eliminată. Analiza efectuată se poate aplica şi în cazul regulatoarelor mecanice (analogice), considerând un anumit pas de cuantificare a caracteristicilor, folosind un anumit criteriu, cum ar fi, de exemplu, unul ce ţine seama de erorile tehnologice de realizare. Schema din fig. 32 corespunde unui sistem în buclă deschisă; o reacţie negativă (de stabilizare a sistemului) poate fi considerată totuşi dacă se ţine seama de reglajele (manuale) periodice efectuate, însă, din afara sistemului, de operatorul uman (cum ar fi reglarea amestecului, a avansului iniţial la aprindere). Evident că reglajele periodice îmbunătăţesc performanţele, dar acestea sunt, strict vorbind, de conjunctură. Deriva performanţelor se va înscrie în limitele tehnologice de realizare a elementelor. În ceea ce priveşte analiza regimurilor staţionare la care însă apar abateri ale parametrilor de stare faţă de condiţiile standard se pot evidenţia anumite corecţii ce se pot realiza după factorii interni sau externi (cu ajutorul semnalelor ci şi ce din fig. 32). Evident, acurateţea corecţiilor va fi mult mai bună la sistemele electronice (de injecţie sau carburator electronic), graţie posibilităţilor mult mai mari de prelucrare a semnalelor electrice furnizate de traductoare. Prelucrarea semnalelor şi adaptarea sistemului vor fi asigurate pe baza unor algoritmi adecvaţi şi de o complexitate corespunzătoare situaţiei. Sistemele pur mecanice au posibilităţi mult mai reduse din cauza lipsei de flexibilitate a structurilor (se poate exemplifica cu şocul automat cu lamelă bimetalică ce asigură o îmbogăţire a amestecului la pornire, dar de o manieră aproximativă, prin exces). Criteriile pe baza cărora se determină caracteristicile statice implementate în memoria sistemelor sunt: a. pentru dozaj: - economicitatea; - economicitatea şi reducerea poluării; - reducerea poluării; - reducerea poluării şi economicitatea. b. pentru avansul la aprindere: - evitarea detonaţiei; - reducerea poluării; - putere maximă (pentru un dozaj dat). Menţinerea performanţelor iniţiale se face în aceste cazuri pe seama reglajelor periodice. Se poate deduce din aceste observaţii că principalul neajuns al structurii din fig. 32 este lipsa unor bucle de reacţie negativă cu efect stabilizator. Din acest motiv s-au elaborat alte structuri de control care să includă în buclele de reacţie negative informaţii despre dozaj (parametrul λ) şi avans la aprindere (prezenţa detonaţiei). 14.3 STRUCTURI DE CONTROL ÎN BUCLĂ ÎNCHISĂ Prezenţa buclelor de reacţie negativă permite menţinerea, în mod automat, a performanţelor motoarelor în limitele tehnologice asigurate de sistem pe toată durata de (bună) funcţionare. Problema buclelor de reacţie a fost formulată cu acuitate o dată cu schimbarea priorităţilor la formarea amestecului (dozaj) de la economicitate către reducerea poluării. Realizarea dozajului cu o eroare maximă de 1% faţă de amestecul stoichiometric constituie o condiţie obligatorie pentru funcţionarea eficientă a convertorului catalitic cu trei căi. Un sistem în buclă deschisă nu poate realiza practic (atât din considerente tehnice, cât şi economice) o astfel de performanţă. Din punctul de vedere al reglării avansului la aprindere criteriul de optimizare, respectiv de stabilizare a răspunsului îl constituie funcţionarea la limita de detonaţie, când randamentul motorului 88

atinge un maxim. Pentru creşterea performanţelor motoarelor s-a trecut la o structură de control de tipul celei prezentate în fig. 59.

Figura 59. Schema bloc a unui sistem de control al motorului în buclă închisă Evident că aceste structuri nu pot fi realizate decât cu sisteme electronice de control (cu injecţie sau carburator electronic). Faţă de structura din fig. 32 mai apar semnalele: λ semnal despre dozaj (furnizat de sonda Lambda); z - semnal de la senzorul de detonaţie. Superioritatea în regim staţionar a structurii din fig. 33 faţă de cea din fig. 32 se evidenţiază în primul rând când apar abateri ale parametrilor de stare faţă de valorile ce corespund condiţiilor standard de funcţionare. Ca urmare a schimbării parametrilor de stare se va modifica şi răspunsul sistemului (motorului), modificările fiind puse în evidenţă de senzorii λ şi de detonaţie. Semnalele de la aceşti senzori, fiind incluse în bucle de reacţie negativă, vor determina variaţii compensatoare, de semn contrar, care să asigure revenirea mărimilor a şi d la valori care să satisfacă criteriile de funcţionare (dozaj cu λ = 1 ± 1% şi avans corespunzător funcţionării la limita de detonaţie). Modificarea mărimilor de control din sistem se face discret, practic prin incrementări şi decrementări ale mărimilor a şi d, ceea ce are ca efect variaţii prin trepte de valoare Ua, respectiv Ud ale avansului la aprindere şi ale dozajului. Pentru a facilita sarcina menţinerii condiţiilor de bună funcţionare, corecţiile pot acţiona direct în memoria cartogramelor caracteristice, modificând valorile existente în sensul de a le apropia cât mai mult de valorile reale necesare. Se realizează practic o structură de sistem adaptiv, ce relaxează „efortul" buclelor de reacţie. În regim staţionar un sistem adaptiv de acest tip va converge către valorile reale necesare, evoluând în limitele erorilor de cuantificare (± 1/2 Ua, ± 1/2 Ud ). Există posibilitatea de a desprinde următoarele concluzii din analiza regimurilor staţionare: a. în regim staţionar de funcţionare a motorului şi condiţii standard de funcţionare nu se pot pune practic în evidenţă deosebiri esenţiale între structuri şi, în cadrul structurilor, între soluţiile tehnologice b. în regim staţionar de funcţionare a motorului şi în condiţii de funcţionare stabile, dar descrise de parametri cu valori ce se abat de la condiţiile standard, sistemele cu reacţie sunt superioare, datorită efectului stabilizator al reacţiei negative. La funcţionarea în regim dinamic (tranzitoriu), pentru mărimile reglate avans la aprindere, respectiv dozaj, apar dependenţe complexe, descrise de ecuaţii diferenţiale. Chiar dacă ţinem seama că variaţiile se manifestă în jurul unor valori bine 89

determinate şi în aceste condiţii liniarizăm ecuaţiile, apare ca evident faptul că simularea la stand şi memorarea tuturor valorilor pentru avans la aprindere şi dozaj corespunzătoare tuturor tipurilor de dependenţe ce pot apărea este (tehnic) practic imposibilă, iar economic extrem de costisitoare. Ca urmare, sistemele actuale se bazează pe anumite simplificări: reducerea ordinului de dependenţă, eliminarea unor variabile, care în final vor permite totuşi încadrarea erorilor dinamice între anumite limite şi la un nivel rezonabil de cost şi complexitate. Îmbunătăţirea răspunsului dinamic elimină din start soluţiile mecanice, bazate pe regulatoare lente (de exemplu, regulatorul centrifugal ce are caracteristică integratoare) şi cu precizie scăzută. O caracteristică specifică motoarelor cu injecţie intermitentă este aceea că timpul apare ca o mărime cuantificată (alimentarea prin acţionarea injectoarelor şi aprinderea se fac la anumite momente de timp, urmate de pauze). Această caracteristică poate fi exploatată în mod corespunzător prin utilizarea regulatoarelor electronice. Acestea asigură viteze de răspuns ridicate. Problema este ca, în timpul dintre două comenzi succesive, blocul de comandă să poată determina valorile mărimilor de comandă cu erori dinamice cât mai reduse; în aceste condiţii apar evidente trăsăturile unui reglaj dinamic ideal: - timpul de răspuns egal cu pauza dintre două comenzi succesive; - erorile dinamice de fixare a avansului şi dozajului în limitele erorii de cuantificare (± 1/2 Ua, ± 1/2 Ud). Compararea răspunsului dinamic al diferitelor variante de motoare evidenţiază clar superioritatea injecţiei de benzină multipunct, discontinuă şi cu bucle de reacţie negative. Buclele de reacţie asigură stabilizarea valorilor de regim staţionar şi prin aceasta reducerea erorilor dinamice (cel puţin în faza iniţială a regimului tranzitoriu). Afirmaţia are un grad înalt de valabilitate practică, întrucât motorul funcţionează în cea mai mare parte a timpului în regim cvasistaţionar. Totuşi, erorile dinamice nu vor putea fi menţinute mult timp în limitele erorilor de cuantificare, deoarece mecanismul reacţiei lucrează cu mărimi cuantificate, putând varia mărimile reglate cu cel mult o treaptă de cuantificare la o cuantă de timp. La modificări rapide apar erori de neurmărire. La sfârşitul procesului tranzitoriu motorul va trece într-un nou regim stabilizat, pentru care reacţia va asigura convergenţa mărimilor de control spre mărimile ideale. Asigurând minimizarea erorilor iniţiale de regim staţionar, sistemele adaptive vor avea şi un răspuns dinamic bun. Totuşi, vor apărea abateri de la condiţiile impuse unui răspuns dinamic ideal, având în vedere că funcţionarea sistemelor adaptive se bazează pe un algoritm validat în principal prin repetabilitatea unui anumit răspuns. Aceasta impune un anumit număr de cuante de timp, deci o anumită întârziere a răspunsului. Aşa după cum s-a precizat, reducerea nivelului de poluare a gazelor de evacuare fixează extrem de restrictiv dozajul la valoarea λ = 1 ± 1%. În regim staţionar controlul λ în buclă închisă realizează (relativ) uşor această condiţie. În aceste situaţii convertorul catalitic are eficienţă maximă şi nivelul poluării este minim. Prin urmare, utilizând convertor catalitic, reducerea în continuare a nivelului poluării se poate face numai prin îmbunătăţirea răspunsului dinamic. Problema este deci de maxim interes, cu atât mai mult cu cât motoarele funcţionează mai mult în regim dinamic în cazul circulaţiei în oraşe, unde se pune şi problema poluării. Apare chiar un concurs de împrejurări nefavorabil, poluarea crescând cu numărul de automobile, iar numărul mare de automobile impunând un regim dinamic de funcţionare mai pronunţat al motoarelor, datorită dificultăţilor din trafic. Deci, îmbunătăţirea răspunsului dinamic impune o altă concepţie de sistem, care în esenţă trebuie să permită anticiparea comportării la modificarea condiţiilor de funcţionare. Necesitatea în creştere de menţinere a parametrilor funcţionali în interiorul unor limite rezonabile a impus realizarea unui volum semnificativ de cercetări în domeniul sistemelor de control în timp real. 90

Majoritatea aplicaţiilor de timp real implică elemente şi sarcini specifice în ceea ce priveşte traductoarele, elementele de interfaţă şi arhitecturile, precum şi algoritmii şi programele. Controlul computerizat de timp real al proceselor implică următoarele cerinţe: - menţinerea sistemului între anumite limite prestabilite; - mijloace de control efectiv în condiţii critice sau în prezenţa erorilor. Din acest punct de vedere, controlul vehiculelor rutiere este o aplicaţie de timp real de o complexitate extrem de ridicată.

14.4 STRUCTURI EVOLUATE DE CONTROL Vehiculele cu motor aflate în funcţionare sunt puternic dependente de mediul înconjurător (condiţii meteo şi de trafic, conducător, sisteme de comunicaţii etc.) şi prin urmare controlul lor trebuie realizat, pe de o parte, pe baza câtorva parametri previzibili (sau estimaţi), iar, pe de altă parte, pe baza unor condiţii imprevizibile sau întâmplătoare privind traficul, vremea, erorile operatorului, hazardul. Decizia finală a controlerului trebuie să fie (în mod ideal) de tip uman; de exemplu: acţiunile controlerului trebuie să depindă de structura lui internă, de informaţiile externe, de experienţa dobândită anterior şi de antrenament. Un motor cu ardere internă, acţionând un vehicul, în mişcare, impune o unitate centrala de control, capabilă să furnizeze parametrii de operare pentru funcţionare optimală a motorului, în combinaţie cu o interacţiune rezonabilă cu mediul înconjurător. Un controler pe bază de reguli trebuie să permită sistemului: - să interacţioneze cu mediul înconjurător; - să schimbe anumiţi parametri interni ca urmare a interacţiunilor; - să răspundă în mod diferenţiat mediului înconjurător datorită acestor schimbări. Aceste aşa-numite „controlere cu învăţare" sunt capabile să se auto organizeze, de exemplu: au capacitatea să-şi schimbe parametrii interni încât să achiziţioneze noi cunoştinţe, cunoştinţa fiind privită ca un corp de date-obiect conectate, organizate într-o formă reprezentativă (de exemplu reguli) ce pot fi executate sau aplicate în anumite scopuri. Acţionând într-un cadru corespunzător de reguli, un astfel de controler poate lua cea mai bună decizie, cu cea mai mică întârziere posibilă.

Figura 60. Schema bloc a unui sistem pentru generarea bazei de date Etajul supervizat de antrenare a unui astfel de sistem impune prezenţa unui „profesor", care intervine în mod succesiv şi operează corecţii de structură. De asemenea, necesită mijloace de generare a informaţiilor pentru „profesor". 91

Achiziţia de cunoştinţe pentru instruirea controlerelor de timp real necesită explorarea sistemelor complexe, interacţionând în mod permanent. Schema-bloc a unui sistem experimental pentru generarea bazei de date la motoare cu injecţie de benzină este prezentată în fig. 60. De asemenea, modelarea teoretică pe calculator necesită în mod uzual încercări experimentale practice, recurgându-se la analiza experimentală a sistemului. Simularea condiţiilor de mediu convenţional pentru astfel de motoare impune un stand experimental controlat de calculator, permiţând controlul pentru: - sarcina motorului (frână electromagnetică, dispozitiv de control al poziţiei clapetei de acceleraţie, circuite de adaptare); - turaţia motorului; - injecţia de benzină (controlere pentru injecţie, circuite driver, injectoare pentru benzină); - aprindere (timer de control al aprindere, etaj de ieşire, traductor şi circuite pentru aprindere pe avans zero β0, traductor pentru avans maxim βmax, bobină de inducţie, distribuitor de înaltă tensiune). Achiziţia datelor primare a fost realizată cu ajutorul traductoarelor specifice, proiectate pentru a da informaţii asupra unor parametri cum ar fi: - turaţia motorului; - poziţia clapetei de acceleraţie; - unghiul de avans la aprindere (traductor βmax); - dozajul aer/benzină (senzor lambda); - punctul mort interior (traductor β0); - fazele de lucru ale motorului; - temperatură (aer, lichid de răcire, benzină, gaze de evacuare etc.); - presiune (în galeria de admisie, benzină etc.). Circulaţia informaţiilor şi procesarea locală sunt realizate de un microcalculator prevăzut cu interfeţe specifice. Un nivel mai înalt de achiziţie al informaţiilor, de la un sistem mobil (cum ar fi automobile în mers în mediu real), este de asemenea posibil, utilizând o interfaţă de comunicaţii radio de înaltă frecvenţă cu calculatorul, aceasta permiţând o corecţie de fineţe a datelor. Dezvoltarea acestor interfeţe specifice impune de asemenea dezvoltarea de software utilizator: - programe de achiziţie; - programe de comandă-control; - programe de supraveghere a parametrilor; - programe de extragere a regulilor la prelucrarea datelor experimentale. Utilizând acest sistem, se pot studia diferite tipuri de interacţiuni stimuli-răspuns, obţinând ca urmare o bază de date de prim nivel. Aceste date generează un potenţial de informaţii, utilizabil pentru a emite deducţii previzibile despre comportarea ulterioară a sistemului în zonele neexplorate ale lumii înconjurătoare reale în transformare. Această complexitate înaltă precum şi restricţiile în abordarea analitică a unor astfel de sisteme reale justifică dezvoltarea controlerelor cu învăţare de reguli. Structura-bloc a motorului cu control evoluat pe bază de reguli este prezentată în fig.61. Se observă, în principal, înlocuirea grupului - bloc de control memorie cartograme caracteristice din fig. 58 - cu un controler pe bază de reguli.

Figura 61. Schema bloc a sistemului de control al motorului pe bază de reguli Informaţia înmagazinată iniţial în memoria acestui controler se referă la o caracteristică tipică a motorului din gama respectivă. Informaţiile au fost obţinute în prealabil pe baza unor probe la un stand de încercări specializat. Controlerul poate „învăţa" în faza de probe de stand cu atât mai mult cu cât i se oferă mai multe situaţii de funcţionare distincte. Din acest punct de vedere apare ca necesară efectuarea de probe la standul climatic. Oricum, sistemul nu poate fi antrenat pentru toate situaţiile posibile în care va fi pus în cazul funcţionării reale. Având în vedere faptul că răspunsul sistemului este cu atât mai corect cu cât a „învăţat" mai mult, rezultă că o cantitate mare de informaţii obţinute în probe de stand reprezintă o sursă de performanţe potenţiale. Aceste cunoştinţe dobândite prin antrenare vor acoperi un anumit domeniu, în interiorul căruia răspunsul sistemului va fi, în sensul criteriilor folosite pentru control, corect. în afara acestui domeniu răspunsul sistemului va avea un grad de corectitudine cu atât mai ridicat, cu cât condiţiile de funcţionare sunt mai apropiate de domeniul explorat anterior. Odată trecut prin puncte exterioare domeniului explorat anterior, controlerul va dobândi noi informaţii, va extrage reguli specifice şi îşi va extinde graniţele domeniului, constituindu-şi astfel un potenţial de control mai ridicat. în acest mod se va reduce în mod constant diferenţa dintre motorul real şi modelul său, construit pe bază de reguli. Cu cât sistemul de procesare va fi mai puternic şi mai rapid, cu atât modelul va fi mai exact şi mai apropiat în timp de obiectul modelării. Având în vedere că motorul va avea o anumită evoluţie în timp a caracteristicilor sale dictată de uzură, calitatea carburantului, a lubrifianţilor, condiţii de mediu şi de exploatare, controlerul pe bază de reguli se va apropia de caracteristica reală a motorului de la un moment dat, urmărind modificările. O calitate suplimentare a unui astfel de sistem, pe baza capacităţii de anticipare, poate fi şi diagnoza motorului, evitându-se astfel defecte majore, cu efecte secundare neplăcute. Astfel, se vor putea înlocui anumite componente ce se vor deteriora într-un viitor previzibil, înainte ca acest fapt să se producă, dar şi la un moment justificat din punct de vedere economic (pe baza unui criteriu de eficienţă). Rezultă deci şi o posibilă optimizare pe criterii economice a exploatării motorului, fapt ce nu este deloc de neglijat. Problemele de optimizare ale controlerelor pentru motoare trebuie privite într-un context mai larg, de dezvoltare a echipamentelor electronice de control pentru automobile Aceste echipamente devin din ce în ce mai complexe, necesitând tehnologii avansate şi concepţii noi în materie de testare O altă cale de a îmbunătăţi performanţele motorului ţine seama că, de fapt, un motor cu aprindere prin scânteie este format dintr-un anumit număr de cilindri, a căror comportare nu poate fi identică în condiţii reale. Diferenţele care apar sunt datorate limitelor tehnologice de realizare a elementelor ce concură la construcţia fiecărui cilindru. 93

Abaterile tehnologice vor conduce la anumite deosebiri în ceea ce priveşte raportul de compresie, ungerea, etc. De asemenea, condiţiile de funcţionare, din punctul de vedere al factorilor interni sau externi, nu sunt identice. Această caracteristică poate fi foarte bine exemplificată prin condiţiile de răcire diferite ale cilindrilor. Astfel, pentru un motor cu patru cilindri în linie cilindrii de pe capete (/ şi 4) vor fi mai bine răciţi decât cilindrii din interior (2 şi 3). în acest fel, pentru cilindrii 1 şi 4 se poate folosi un avans la aprindere mai mare, fără apariţia detonaţiei. De asemenea, controlul unic, prin analiza gazelor din colectorul de evacuare, asigură un răspuns aproximativ. Datorită condiţiilor de funcţionare diferite şi a îmbătrânirii cilindrilor şi a componentelor de alimentare se poate ajunge în situaţia în care un cilindru să polueze cu CO (funcţionând cu amestec bogat), iar altul cu NOx (funcţionând cu amestec sărac), semnalul de la sonda unică λ, nereuşind să reechilibreze dozajul. În aceste condiţii, este evident că soluţia o reprezintă utilizarea câte unui circuit de control pe fiecare cilindru. Se poate vorbi şi de o comportare globală a motorului, fără ca aceasta să fie constituită din simpla însumare a efectelor produse de cilindrii săi. Din acest mod de abordare a problemei rezultă că se pot extrage anumite reguli de funcţionare a motorului, ca rezultat al funcţionării cilindrilor, fără a considera modul propriu de reglare a mărimilor de control la fiecare dintre aceştia. Se poate astfel imagina o structură de control pe două niveluri: - pe primul nivel; controlere pe baza de reguli pentru procesele ce au loc la nivelul fiecărui cilindru; - pe al doilea nivel (superior); un controler pe bază de reguli ce coordonează motorul, privit ca un ansamblu de cilindri. Structura-bloc a unui astfel de sistem de control este ilustrată în fig. 62.

Figura 62. Schema bloc a sistemului de control al motorului pentru fiecare cilindru O astfel de structură ar putea asigura o anumită ierahizare a informaţiilor (regulilor). Astfel, regulile cu grad înalt de generalizare se vor implementa pe nivelul al doilea, determinând individualizarea cilindrilor în ansamblul reprezentat de motor, în timp ce regulile cu grad înalt de specificitate se vor implementa pe primul nivel, asigurând optimizarea performanţelor fiecărui cilindru în parte. Se va putea asigura o sporire a vitezei de lucru globale, regulile generale fiind procesate simultan pentru toţi cilindrii, eliminând suprapunerile. Timpul astfel disponibilizat poate fi utilizat pentru executarea unor algoritmi specifici mai complecşi. Evident că diagnoza cu un astfel de sistem de control va fi mai precisă, individualizând defectele la nivelul cilindrului. Deşi este mai complex, deci mai scump, încă insuficient conturat din punct de vedere teoretic, un astfel de sistem va putea asigura, într-o perspectivă relativ apropiată, optimizarea atât a exploatării, cât şi a întreţinerii motoarelor, la un nivel de eficienţă şi subtiliate ce poate determina efecte tehnico-economice remarcabile. 94

15. CONCLUZII În timp, în raport cu nivelul atins de dezvoltarea tehnologică şi a posibilităţilor de utilizare la fabricarea automobilelor, se folosesc metode din ce în ce mai complexe de proiectare, analiză, sinteză şi simulare a fenomenelor, mecanismelor, subansamblurilor şi ansamblurilor automobilelor, parcurgându-se mai multe etape utilizând facilităţile oferite de tehnicile moderne, care au la bază calculatoarele numerice, pentru: - efectuarea calculelor; - analiza funcţiilor ce definesc comportarea şi evoluţia unor fenomene specifice domeniilor studiate; - măsurarea şi stocarea valorilor unor mărimi ce evoluează în timpul funcţionării; - simularea funcţionării unor mecanisme şi subansambluri din ce în ce mai complexe; - crearea unor modele virtuale ale unor echipamente fizice pe care se studiază diverşi parametri; - simularea în timp real a funcţionării unor subansambluri sau ansambluri etc. Funcţionarea automobilelor şi sistemelor acestora este controlată în cea mai mare parte de conducător prin intermediul elementelor de comandă având la dispoziţie câteva informaţii preluate de la aparatura de bord în ceea ce priveşte: - valorile unor parametri funcţionali ai motorului (viteza de deplasare, turaţia, temperatura, presiunea uleiului din sistemul de ungere); - depăşirea valorilor unor parametri critici; - starea de funcţionare a unor sisteme auxiliare, etc. Conducerea automobilului este un proces continuu deoarece presupune intervenţia permanentă a conducătorului asupra sistemelor acestuia pentru: - realizarea vitezelor şi acceleraţiilor de deplasare dorite; - pornirea, frânarea şi oprirea în condiţii variate; - asigurarea corelării caracteristicilor mecanice ale motorului cu caracteristica necesară de tracţiune (în cazul dotării automobilului cu cutie de viteze cu reglare în trepte a rapoartelor de transmitere, neautomată); - menţinerea automobilului pe calea de rulare în deplină siguranţă de circulaţie; - comanda funcţionării unor sisteme auxiliare de semnalizare, iluminare, climatizare, speciale etc. Desigur, în special la automobilele moderne, unele din sistemele acestora funcţionează în mod automat conducătorul având sarcina doar a stabilirii unor parametri globali ai unor regimuri de lucru. Desfăşurarea activităţii de conducere în ceea ce priveşte conlucrarea dintre conducător şi automobil, sub permanenta influenţă a mediului prin caracteristicile lui complexe şi de multe ori imprevizibile, este un proces deosebit de complex imposibil de modelat analitic sau simulat în totalitate. Abordarea, însă, a studierii parametrilor şi performanţelor unor subansambluri sau subsisteme, cu scopul creşterii indicilor de calitate şi economicitate, poate fi făcută dispunând de mijloace şi metode moderne de cercetare cum sunt calculatoarele numerice dotate cu programe din ce în ce mai performante. Modelarea sistemelor fizice în care se desfăşoară procese de transformări energetice, modificări ale valorilor mărimilor mecanice etc., presupune utilizarea unor algoritmi adecvaţi relativ simpli dar, în cazul în care procesele se desfăşoară sub controlul factorului uman, intervin elemente care nu pot fi simulate, într-o măsură mai mare sau mai mică, decât prin sisteme automate. În consecinţă, metoda de studiu a circuitelor de reglare ale automobilelor, privite prin prisma teoriei sistemelor automate, permite apropierea condiţiilor propuse prin proiectare de condiţiile reale de funcţionare. Folosirea tehnicilor moderne de cercetarea si proiectare, prin utilizarea sistemelor de calcul dotate cu programe concepute de firme specializate în elaborarea de software prezintă, faţă de modelarea clasică, mai multe avantaje ca: 95

- flexibilitate în modelarea proceselor datorită facilităţilor oferite de programarea la nivel obiect şi nu la nivel de linie de comandă; - numărul foarte mare şi diversificat de obiecte predefinite; - posibilitate definirii unor obiecte cu caracteristici speciale; - simplitate în definirea sau modificarea funcţiilor de transfer ale blocurilor obiect; - simplitate în corelarea programului cu baze de date în care se află valori determinate experimental sau calculate anterior; - simplitate în modificarea unor parametri care caracterizează procesele studiate; - degrevarea de realizarea algoritmilor matematici complicaţi în favoarea concentrării atenţiei asupra interpretării fenomenelor studiate; - redarea numerică şi grafică a valorilor mărimilor ce caracterizează evoluţia proceselor; - timp foarte mic pentru elaborarea programelor ceea ce dă posibilitate studierii unui număr mare de variante. Se remarcă marea varietate de senzori şi actuatori construiţi pe baza noilor concepte micromecanice şi mecatronice. O astfel de categorie o constituie cea a senzorilor şi actuatorilor care acoperă toate nivelele de siguranţă cerute de exploatarea autovehiculelor actuale şi le conferă un « grad ridicat de inteligenţă » . Pe baza noilor cercetări în domeniu s-au putut pune bazele constituirii unor Sisteme Inteligente de Transport (ITS) [12] la nivel european. Sistemele Inteligente de Transport (ITS) contribuie la creșterea nivelului de trai al cetățeanului european prin facilitarea comunicării indiferent de mijlocul de transport folosit (rutier, feroviar, aerian, maritim și pe ape teritoriale). Sistemele Inteligente de Transport aplică ultimile rezultate din domeniul electronic, al telecomunicațiilor și al tehnologiilor informației pentru a ne oferi un transport public comod, convenabil și rapid, iar agenților economici transportatori de mărfuri, un sistem eficient ce are în vedere protejarea mediului ambiant. România și-a dezvoltat propria “Arhitectură Națională a Sistemelor Inteligente de Transport” prin proiectul NARITS ce reprezintă platforma de cooperare cu alte inițiative europene în domeniu. Prin “Intelligent Transport Systems - the way to move” se urmărește:informarea la nivelul instituțiilor europene privind organizarea în România a domeniului “Sisteme Inteligente de Transport” (ITS) - aplicații ale tehnologiilor IT, electronică și telecomunicații în domeniul transporturilor;prezentarea proiectului NARITS – “Arhitectura Națională a Sistemelor Inteligente de Transport”;prezentarea competențelor de vârf în domeniu pentru structurarea unor parteneriate europene, ca rezultat al proiectului NARITS: instrumente software;platforma națională pentru a menține și dezvolta arhitectura națională;planul național de acțiune pentru ITS în contextul programelor și politicilor europene;studii privind arhitectura sistemelor și proiecte naționale de cercetare-dezvoltare ce pot obține dimensiune europeană prin identificarea de parteneriate adecvate; “Intelligent Car Initiative 2010” ( Inițiativa Mașina Inteligentă 2010) în România, inițiativă apărută ca urmare a Comunicatului Comisiei Europene din 15 februarie 2006 pentru promovarea noilor tehnologii pentru autovehicule mai sigure, curate și eficiente, cu scopul de a răspunde nevoilor sociale privind drumurile, accidentele și traficul aglomerat. Dezvoltarea tehnologica actuala a permis depasirea unui moment de referinta in proiectarea unui automobil capabil sa ruleze fara sofer [13], masinile testate fiind capabile sa circule nu doar pe autostrata, ci si in conditii de trafic urban, proiectul apartinand laboratorului Google X. Potrivit sefului de proiect, Chris Urmson, masinile testate pot face fata unor mii de situatii din traficul urban, la care nu s-ar fi adaptat acum un an sau doi. Initial, soferii ar trebui sa fie gata sa preia controlul asupra automobilului, in cazul unor erori ale computerului, dar promisiunea Google este ca in cele din urma nu va mai fi 96

nevoie de contributia unui sofer, astfel ca pasagerii unui astfel de automobil vor putea sa citeasca, sa viseze cu ochii deschisi, sa doarma sau sa munceasca, in timp ce masina se va conduce singura. Obiectivul companiei este in prezent sa perfectioneze tehnologia instalata pe o flota de peste 20 de SUV-uri Lexus RX450H. Senzori care includ sisteme radar si lasere creeaza in timp real harti 3D cu imprejurimile masinii, iar soft-ul Google sorteaza obiectele dupa patru categorii, respectiv vehicule in miscare, pietoni, biciclisti si obiecte fixe cum ar fi semnele de circulatie, curbele si masinile parcate. Masina fara sofer a Google stie cand sa se opreasca, dar nu si cand sa porneasca, partial pentru ca este proiectata sa circule preventiv. Intr-o intersectie cu patru intrari, masinile Google au stat pe loc, in timp ce restul vehiculelor o traversau in diferite directii. Pana in prezent, masinile fara sofer ale Google au rulat aproximativ 700.000 de mile, majoritatea pe autostrada.

BIBLIOGRAFIE [1] Berthold Grünwald, Teoria, calculul și construcția motoarelor pentru autovehicule rutiere, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1980 [2] Gheorghe Frățilă, Mariana Frățilă, S. Samoilă Automobile, Editura Didactică și Pedagogică, București, 2007 [3] Martini, William, Stirling Engine Design Manual, NASA-CR-135382. NASA, 1978 [4] Florian PETRESCU & Relly PETRESCU, Motoare termice color, Editura Create Space, USA 2012. [5] Walker, G. (1985). Free Piston Stirling Cycle Engines. Springer-Verlag. [6]Adler, A., Memento de technologie d’automobile, Robert Bosch Gmbh, 1988. [7]Cristea, D., Sisteme speciale ale automobilelor şi motoarelor, Ed. Universităţii din Piteşti, 1999. [8]Fenton, J., Handbook of vehicle design analysis-Mechanical Engineering Publications Ltd., London, 1996. [9]Gherghină, G., Elemente de mecanică fină şI mecatronică pentru autovehicule, Ed. Universitaria Craiova, 2002. [10]Manea A.T., Manea L.C., Mecatronica automobilului modern, Ed. Matrix-Rom, Bucureşti, 2000; [11]*** Colecţia revistei Automotive Engineering 1990-2001. [12] http://www.research.ro/ro/articol/2062/comunicare-centru-de-presasisteme-inteligente-de-transport-its [13] http://www.business24.ro/google/