MECATRONICA

Este combinația sinergeticǎ ṣi sistematicǎ a mecanicii, electronicii și a informaticii în timp real. Termenul de mecatronicǎ a fost introdus de un inginer de la compania japonezǎ «Yaskawa» în 1969 și a apărut, în mod official, în Franța în Larousse 2005.

Revoluția informatică, a doua revoluție industrială mondială a marcat saltul de la societatea industrializatǎ la societatea informațională, generând un val de înnoiri în tehnologie și educație. Japonezii au definit sensul acestor mișcări de înnoire, brevetând termenul de mecatronicǎ, la începutul deceniului al VIII-lea al secolului trecut. Termenul a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologică: mecanica-electronica-informatica. Mecatronica este rezultatul evoluției firești în dezvoltarea tehnologică, a stimulat această evoluție iar dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanică. Prin integrarea microprocesoarelor în structurile electromecanice, acestea devin inteligente și, astfel s-a ajuns la mecatronicǎ. Tehnologia mecatronică pune în evidență problema informației care, este componenta esențială în raport cu materialul si energia.

Între abordările de ordin științific, educațional, economic etc. ale mecatronicii pe plan mondial următoarele referiri le consider esențiale:
,, mecatronica este un obiectiv major pentru cercetarea europeană și pentru programele educaționale” ( citat din Directiva Comitetului Consultativ pentru Cercetare și Dezvoltare Industrială al Uniunii Europene);
,,Prima revoluție globală; o strategie pentru revoluționarea lumii”, o lucrare editată de către A. King și B. Schneider, în Raportul Clubului de la Roma, unde se enumeră și se argumentează tehnico-economic, aporturile microelectronicii, automatizării și roboticii aduse sistemelor integrate de fabricație, mecatronicii, telecomunicațiilor, biologiei molecular și ingineriei genetice.

MODELARE ŞI CONTROL

Modelarea reprezintă acţiunea ce constă în realizarea de modele teoretice sau fizice ale sistemelor tehnice sau ale proceselor ce se petrec în aceste sisteme şi care alcătuiesc ansambluri complexe. Pentru ca proprietăţile şi transformările acestor sisteme să poată fi evaluate este necesar studiul asupra comportării modelelor, care sunt analogii ale sistemelor sau proceselor reale supuse cercetării. Modelarea poate cuprinde următoarele etape importante: modelarea teoretică, fizică şi matematică, modelarea practică şi modelarea asistată de calculator. Modelarea fizică identifică particularităţile sistemului sau procesului cercetat şi pe baza acestor ipoteze atribuie diferite ponderi de importanţă acestor particularităţi, respectiv fenomene, care însoţesc sau descriu comportarea sistemului.

În cadrul acestor ipoteze, procesele sunt cuprinse în ecuaţii a căror complexitate depinde de natura fenomenelor modelate şi de gradul de detaliu în care acestea sunt analizate. Modelarea matematică reprezintă etapa ulterioară modelării fizice. În această etapă ecuaţiile stabilite capătă, eventual în urma analizei numerice, o altă formă decât cea iniţială, astfel încât scheme de rezolvare cu convergenţă rapidă sau proceduri de calcul cu număr redus de iteraţii să poată fi aplicate cu scopul obţinerii de rezultate utile, cât mai puţin afectate de erori. Rezultatele obţinute prin modelare sunt comparate aproape de fiecare dată cu valori obţinute prin măsurători efectuate asupra sistemelor fizice sau modelelor fizice supuse unor situaţii de funcţionare controlabile. Se realizează în acest fel un acord prin comparaţie între model şi sistemul sau procesul modelat. Bucla modelării se închide prin stabilirea unor valori iniţiale pentru unii parametri de control ai modelului, astfel încât acesta să poată furniza rezultate cât mai apropiate de comportarea reală a sistemului modelat, pentru funcţionarea acestuia în alte regimuri decât cel de comparaţie. Modelarea sistemelor funcţionale din motoarele cu ardere internă reprezintă o activitate complexă, care presupune formularea şi utilizarea unor combinaţii cât mai potrivite de ipoteze şi ecuaţii, pe baza cărora procesele respective să poată fi surprinse cât mai în detaliu.

Modelarea fizică şi matematică a proceselor în motoarele cu ardere internă presupune un efort multidisciplinar, deoarece implică noţiuni complexe de termodinamică chimică, transfer de căldură, mecanică a fluidelor, matematici superioare şi metode numerice. Modelarea are ca scop simplificarea cunoaşterii fenomenelor care stau la baza funcţionării motoarelor cu ardere internă, pentru ca pe această bază economicitatea, performanţa de putere şi emisiile poluante să fie permanent îmbunătăţite.

Există, în acest sens, mai multe domenii de lucru ce beneficiază de rezultatele modelării, o înţelegere mai complexă a fenomenelor studiate, datorită abstractizării şi rigurozităţii modelelor, o identificare a variabilelor cheie, de control, care să furnizeze elementele necesare reducerii cheltuielilor pentru investigaţie experimentală, o posibilitate de previziune asupra comportării motorului pentru cazul în care unul dintre parametri constructivi şi funcţionali iau valori într-un domeniu larg, o capacitate de determinare a eventualelor tendinţe în evoluţia formelor constructive şi a soluţiilor energetice, o asigurare a unei baze raţionale pentru promovarea noului în concepţia, proiectarea şi realizarea motoarelor.

Toate modelele folosite pentru simularea comportării motoarelor au în componenţa lor modele de ardere şi de răcire. Acestea reprezintă baza oricărei activităţi de investigaţie teoretică globală a funcţionării motoarelor. Există, din punct de vedere al modelelor de ardere şi implicit al modelelor de răcire două direcţii importante privind utilizarea lor şi anume aplicaţii pentru înţelegere (aprofundare) şi aplicaţii pentru proiectare. La rândul lor, fiecare dintre acestea reprezintă subdirecţii ce constituie domenii distincte de activitate, de înaltă specializare, care, în final se reunesc, pentru a contribui la progresul tehnic permanent al motoarelor cu ardere internă. Din punct de vedere al ponderii celor două clase de aplicaţii ale modelelor de ardere şi de răcire, modelele folosite pentru înţelegere sunt mult mai numeroase decât cele pentru proiectare, aceasta deoarece predicţia, prin exploatare în urma analizei fenomenelor (ca bază a proiectării), conţine un grad apreciabil de risc.

Modelele, în general simple, cum ar fi diagramele de temperatură, folosite extensiv la diagnoză, prelucrează date experimentale brute şi le transformă în mărimi cu caracter fundamental (legi de degajare a căldurii) sau precizează prin calcul mărimi ale căror valori instantanee nu sunt uşor de măsurat.

Predicţia este folosită nu numai pentru a identifica valorile optime ale factorilor funcţionali şi ale geometriilor posibile ale motorului, dar şi pentru a evita apariţia unor fenomene deosebite pentru diverse procese. Sinteza depăşeşte în mare parte sfera aplicaţiilor pentru proiectare, deoarece conduce la descoperirea tendinţelor directoare. Aceasta se realizează atunci când un număr suficient de modele verificate răspund, aproape în acelaşi fel, la modificarea unor parametri de intrare. În ceea ce priveşte aplicaţiile modelelor de ardere şi de răcire pentru proiectare, care vizează determinarea tensiunilor mecanice şi termice ale structurii motorului, încărcările lagărelor şi nivelul zgomotului pretind determinarea, în prealabil, a valorilor presiunii maxime şi ale derivatei maxime a presiunii, a legilor de degajare a căldurii.

De asemenea, procesul de ardere este cel care condiţionează încărcarea termică a motorului şi distribuţia acesteia. Neomogenitatea termică a încărcăturii din interiorul cilindrilor şi direcţionarea fluxurilor termice prin piesele motorului către sistemul de răcire sunt dependente evident de procesul de ardere.

MODELAREA MATEMATICĂ

Modelarea unor procese, fenomene sau sisteme presupune stabilirea unui set de relaţii între mărimile fizice ale componentelor pasive sau active ale sistemului de modelat prezentate sub formă de ecuaţii şi sisteme de ecuaţii matematice. Prin modelarea matematică a unui proces se urmăreşte obţinerea caracterizării acestuia cât mai apropiată de realitate, iar un model eficient este obligat să satisfacă următoarele cerinţe:
– universabilitatea (posibilitatea aplicării modelului tuturor obiectelor care fac parte din aceeaşi clasă);
– număr limitat de parametri;
– posibilitatea identificării parametrilor.

Ţinând cont de multitudinea parametrilor funcţionali ai unui motor cu ardere internă, pentru un studiu complex se impune utilizarea metodelor de analiză asistată de
calculator. Determinarea modelelor matematice pentru procese se poate face pe cale analitică sau experimentală.

Identificarea analitică
Un model matematic obţinut prin identificare analitică se construieşte pe baza legilor fizice ce guvernează dinamica procesului şi trebuie să parcurgă o serie de etape:
– stabilirea mulţimilor de intrare şi a celor de ieşire;
– stabilirea unor ipoteze care să simplifice procesul;
– în cadrul sistemului de modelat se vor stabili elementele acumulatoare sau disipatoare de energie;
– stabilirea ecuaţiilor ce caracterizează sistemul;
– simplificarea sistemului de ecuaţii prin liniarizarea unor ecuaţii neliniare cu derivate parţiale în vecinătatea unor puncte statice de funcţionare, aproximarea prin ecuaţii diferenţiale ordinare a ecuaţiilor cu derivate parţiale sau reducerea ordinului ecuaţiilor diferenţiale ordinare.

Identificarea experimentală
Utilizarea informaţiilor reieşite din măsurătorile executate în cadrul cercetărilor pe bancul de probă, asupra variabilelor ce caracterizează motoarele cu ardere internă, au demonstrat veridicitatea modelului matematic.
Ecuaţiile generale folosite pentru modelarea arderii
A) din motoarele cu aprindere prin scânteie
Modelarea procesului de ardere, pentru motorul cu aprindere prin scânteie, presupune a se considera interiorul cilindrului drept un volum de control al unui sistem termodinamic deschis. Compoziţia şi starea încărcăturii dintr-un asemenea sistem sunt variabile nu numai cu timpul dar şi cu coordonatele spaţiale datorită transferului de căldură, lucrului mecanic, schimbului de masă prin contur etc. În funcţie de ecuaţiile care precizează structura predominantă a modelului, ecuaţia de conservare a energiei, sau ecuaţiile generale ale curgerii fluidului există două categorii de modele, termodinamice şi dimensionale.
La rândul lor modelele termodinamice sunt clasificate în:
– zero dimensionale care au ca şi caracteristică absenţa oricărei modelări a curgerii şi a evoluţiei geometrice a flăcării, fără nici un fel de mişcare a fluidului. În categoria modelelor zero dimensionale se includ modele cu viteză de ardere definită, modele de flacără turbulentă cu front încreţit şi modele cu zonă de ardere fragmentată (sau cu antrenare). Diferenţa dintre cele trei subgrupe este determinată de modul în care este evaluată viteza de ardere;
– fenomenologice, care sunt caracterizate prin introducerea de detalii în ecuaţia de conservare a energiei pentru diferite fenomene particulare;
– cvasidimensionale, unde elementele geometrice specifice sunt adăugate fundamentelor termodinamice;
– uni sau multizonale, după cum conţinutul camerei de ardere este considerat împărţit în una sau mai multe regiuni cu proprietăţi cvasiuniforme.

Modelele dimensionale au ca element comun dependenţa de timp şi de coordonatele spaţiale a caracteristicilor procesului de ardere. Modelele dimensionale sunt împărţite în:
– unidimensionale, care reprezintă prima clasă de modele de ardere mai detaliate considerând două variabile independente, timpul şi o dimensiune;
– multidimensionale, care au capacitatea de a furniza informaţii detaliate asupra distribuţiilor spaţiale şi temporale ale câmpului de viteze, temperaturilor şi concentraţiilor speciilor chimice din interiorul camerei de ardere.

Col.(r) dr. ing. EDUARD DORIN ENE