Mekatroniğe Giriş Dersi 3. Hafta Temel Kavramlar Sistem Mekatronik Sistem Modelleme ve Simülasyon Simülasyon Yazılımları Basit Sistem Elemanları Bu Haftanın Konu Başlıkları SAÜ - Sakarya MYO 1 Mekatroniğe Giriş Dersi 1
Günümüz teknolojik ürünleri, farklı fonksiyonları olan alt birimlerin bir araya gelmesinden oluşmuştur. Karmaşık yapıya sahip teknolojik ürünlerin incelenmesi ve üzerinde çalışılmasında zorluklar vardır. Bu bakımdan, mekatronik ürünler üzerinde uygun kabuller ve basitleştirmeler yapılarak fiziksel modele, fiziksel modeller üzerinde ise temel fizik kuralları kullanılarak her bir elemanın davranışını tanımlayan matematiksel modele geçilir. Matematiksel modeli hazır olan sistemlere giriş yapılarak sistemin sanal olarak çalıştırılması ve sonuçların izlenmesi mümkündür. Bu işleme simülasyon denir. Dinamik sistemlerin modellenmesi ve simülasyonu için hazırlanmış görsel paket programlar vardır. Bunlardan en yaygın olanlardan biri de Matlab tabanlı çalışan Simulink tir. Böylece gerçek sistemi ya da prototipini üretmeden model üzerinde sistemi inceleme ve test etme imkanı sağlanır. Bu da ürün maliyetini oldukça düşürmektedir. Giriş SAÜ - Sakarya MYO 2 Mekatroniğe Giriş Dersi Sistem; belirli bir amacı sağlayan, bir bütün oluşturacak biçimde fonksiyonel bağlantıları bulunan, etkileşimli ya da ilişkili elemanlar kümesidir. Başka bir ifadeyle giriş değerleri üzerinde fonksiyonu icra ederek farklı çıkışlar ortaya koyan, yani bir görev yapan her şey genelde bir sistem olarak tanımlanabilir. Başlı başına mekatronik bir ürün mekatronik sistem olarak isimlendirileceği gibi; mekatronik sistemi oluşturan ve farklı görevler yapan alt birimler ölçme sistemi, kontrol sistemi, güç aktarma sistemi gibi isimler almaktadır. Sistem genellikle bir dikdörtgenle, girişler bu dikdörtgen yöneltilmiş oklarla, çıkışlarda bu dikdörtgenden çıkan oklarla gösterilir. Sistem SAÜ - Sakarya MYO 3 Mekatroniğe Giriş Dersi 2
Elektrik motorunun sistem yaklaşımıyla incelenmesi Termometrenin sistem yaklaşımıyla ifadesi Merkezi ısıtma sistemi Bir sistemin genel olarak davranışını ve çıkışlarını istenen değerlere yöneltmek için gerekli kontrol işlemlerini gerçekleştirmek üzere o sistem etrafında kurulan ek sisteme Kontrol sistemi denir. SAÜ - Sakarya MYO 4 Mekatroniğe Giriş Dersi Basit Sistem Girdiyi işleyip çıkışa aktarır. Çıkışa aktardığı sinyalin doğru etkiyi yapıp yapmadığını bilemez. Açık çevrim sistem olarak adlandırılır. Sağlıklı bir çözüm sunmaz. Geri Beslemeli Sistem Çıkışındaki sinyali sürekli denetler. Çıkış sinyalini en doğru etkiyi yapacak şekilde aktarmaya çalışır. Kapalı çevrim sistem olarak adlandırılır. PI, PD, PID vb. Kontrolcüler ile sistemi en iyi şekilde çalıştırabilir. Genel olarak bir mekatronik sistem aşağıdaki gibi temsil edilebilir. Kontrol ettiği çevrenin bilgilerini sensörler yardımıyla alır. Geri besleme sinyali ile karşılaştırır ve denetleyicinin girişine uygular. Denetleyici gelen sinyali işler ve çıkışa düzgün bir şekilde aktarır. Çıkıştaki mekanik elemanlar sayesinde çevreyi etkileyerek istediği etkiyi oluşturur. SAÜ - Sakarya MYO 5 Mekatroniğe Giriş Dersi 3
Girişler SİSTEM Çıkışlar Yakıt Debisi Tork Hava Debisi Devir SAÜ - Sakarya MYO 6 Mekatroniğe Giriş Dersi Girişler SİSTEM Çıkışlar Güneş Işını Dış Ortam Sıcaklığı Ortam Sıcaklığı Akışkan Debisi SAÜ - Sakarya MYO 7 Mekatroniğe Giriş Dersi 4
Girişler SİSTEM Çıkışlar Devir İlerleme hızı Yüzey Kalitesi Derinlik Isı Soğutma SAÜ - Sakarya MYO 8 Mekatroniğe Giriş Dersi B Girişler SİSTEM Çıkışlar Yol şartları Konfor Sürücü girişleri İvmelenme SAÜ - Sakarya MYO 9 Mekatroniğe Giriş Dersi 5
Modeller, gerçek mekatronik sistemlerin sadeleştirilmiş şeklidir. Gerçek sistem üzerinde çalışmanın pratik olarak mümkün olmadığı durumlarda fiziksel modeller kullanılır. Uygun kabullerle, sistem elemanları basitleştirilerek ve idealize edilerek fiziksel modeller hazırlanır. Modellemenin sonraki aşamasında fiziksel yasalardan yararlanılarak her bir elemanın davranışını tanımlayan denklemler elde edilir ve böylece Matematiksel Model e geçilmiş olur. Matematiksel modeller, gerçek sistemleri, fiziksel modellere göre daha soyut bir şekilde temsil eder. Model hazırlandıktan sonra bilgisayar yardımıyla sistemin analiz edilmesi ve aranan çözümün elde edilmesi çok kolaydır. Fiziksel Model R v i 2 v 1 v 2 v 1 F M Matematiksel Model (D.D.) dv2 F M dt Modelleme SAÜ - Sakarya MYO 10 Mekatroniğe Giriş Dersi Modelleme - Simülasyon SAÜ - Sakarya MYO 11 Mekatroniğe Giriş Dersi 6
Model gerçeğe ne kadar yakın ise elde edilen sonuçlarda gerçek sonuçlara o derece yakındır. Sonuçlar kabul edilemeyecek kadar gerçek sonuçlardan uzaklaşmış ise kabuller ve basitleştirmeler yeniden gözden geçirilerek modelin iyileştirilmesine gidilir. Simülasyon ise hazırlanan modelin bilgisayarda çözüm işlemidir. Modelleme ve simülasyon işleminin birlikte gerçekleştirilebileceği görsel programlar geliştirilmiştir. Bunların genel olarak kullanılanlarından bazıları aşağıdadır. LabView (National Instruments), MatrixX/System Build (Integrated System), Easy 5 (Boeing), VisSim (Visual Solutions) devamı... Modelleme - Simülasyon SAÜ - Sakarya MYO 12 Mekatroniğe Giriş Dersi MATLAB-Simulink: Mühendislik için vazgeçilmez bir programdır. Matris tabanlı çalışır. Teknik hesaplamalar ve matematiksel problemlerin çözümü ve analizi için tasarlanmış bir yazılım geliştirme aracıdır. Mühendislik problemlerinde her türlü hesabı ve görsellemeyi yapabilecek düzeydedir. Mühendislerin öğrenmesi gereken programların başında gelir. SOLIDWORKS: Teknik resim programıdır. Ancak bunun yanında gelişmiş simülasyon seçenekleri de mevcuttur. Çizilen bir malzemeye hareket verilebilir, madde özelliklerini tanımlanıp kuvvet-basınç testleri yapılabilir. Proteus: Elektronik devre çizim ve simülasyon programıdır. Elektronik elemanların çalışması gözlemlenebilir. Desteklenen mikrodenetleyicilere kod yazılıp programın simülasyonu dahi yapılabilir. Multisim: Proteus benzeri bir programdır. Çok geniş komponent kütüphaneleri vardır. Proteus tan en önemli farkı filtre gibi bazı temel devreleri otomatik oluşturabilmesidir. Scilab: Çok gelişmiş araçlara sahip her türlü hesaplamayı ve simülasyonu yapabileceğimiz bir yazılımdır. Ücretsiz ve Open-Source olması en önemli özelliğidir. ANSYS: Isı ve akış problemlerini çözümleyebilen ve simule edebilen önemli bir programdır. Modelleme - Simülasyon SAÜ - Sakarya MYO 13 Mekatroniğe Giriş Dersi 7
Bütün görsel simülasyon ortamları iki temel fonksiyonu yerine getirir: 1. Grafiksel olarak, modelin oluşturulması, düzenlenmesi ve simülasyon verilerinin sunulması, 2. Modelin sayısal sonuçlarını elde etmek üzere simülasyonun gerçekleştirilmesi. Simülasyon işlemi sırasıyla; hazırlık, iterasyon ve sonlandırma olmak üzere üç adımda gerçekleşir. Hazırlık safhasında, sistem modeline göre modeldeki her bir bloğun denklemleri çıkarılır. İterasyon adımında; sayısal yöntemler kullanılarak denklemler çözülür. Sonlandırma adımında ise sonuçlar verilir(kayıt, grafik, animasyon vb). Görsel simülasyon ortamında bütün modeller genelde blok diyagramlarıyla ifade edilirler. Aşağıda bir mekatronik sistemin simülasyonu gösterilmiştir. Modelleme - Simülasyon SAÜ - Sakarya MYO 14 Mekatroniğe Giriş Dersi Bütün fiziksel sistemlerin dinamik karakteristikleri enerji akışı, enerji dönüşümü ve enerji depolanmasına bağlıdır. Aslında; mekanik, elektrik, hidrolik, termik sistemlere ait basit elemanların değişkenleri arasındaki fiziksel bağıntılar benzerdir. Dolayısıyla bu elemanlara ait matematiksel modellerde aynıdır. Bu sistemlerde bir enerji akışının olabilmesi için uçlarında bir potansiyel fark oluşması gerekir. Yani enerji akışı yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğrudur. Genel olarak potansiyel fark uçlarda oluştuğundan uç değişken; akış ise iç değişken ismini alır. Uç değişkeni, uçlardan devreyi açmadan ölçülebilir. İç değişkeni ise, ancak devreyi bir yerden açarak ölçülebilir. Sistemlere ait uç ve iç değişkenleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Basit Sistem Elemanları SAÜ - Sakarya MYO 15 Mekatroniğe Giriş Dersi 8
Karmaşık mekatronik sistemlerin modellerinin hazırlanmasında çeşitli fiziksel sistemlere ait eleman gruplarının bir çoğu bir arada kullanılabilir. Bunun için aşağıdaki tabloda değişik sistemlere ait basit elemanların sembolleri ve onlara ait fiziksel bağıntılar toplu bir şekilde verilmiştir. Basit Sistem Elemanları SAÜ - Sakarya MYO 16 Mekatroniğe Giriş Dersi Adapazarı MYO Mekatroniğe Giriş Ders Notları, Doç.Dr. D. Karayel, Sürüm:1, Sakarya Üniversitesi. 2005- Sakarya. Mekatronik Sistem Tasarımı Ders Notları, Dr. Özgür Akın. 2014- Konya. Kaynaklar SAÜ - Sakarya MYO - Mekatroniğe Giriş Dersi 9