Modellazione e simulazione nella meccatronica

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La crescente complessità dei sistemi integrati fa sì che gli ingegneri, durante la fase di progettazione, debbano gestire a livello virtuale vari problemi che si verificano quando si collegano fisicamente i singoli sistemi.

Il termine “meccatronica” si riferiva in origine ai sistemi che univano elementi meccanici, elettronici, di controllo e software. Oggi viene utilizzato per descrivere una gamma molto più ampia di sistemi. Il prefisso “mecca” viene applicato in modo più esteso, fino a includere domini diversi dalla meccanica; analogamente, il suffisso “tronica” include i software, i sistemi di controllo e molto più della sola elettronica. La sfida dell’integrare tecnologie diverse per creare un dispositivo utile, affidabile ed entusiasmante è irresistibile. Non si tratta però di un compito semplice, specialmente se si considera che la complessità dei sistemi integrati sta crescendo vertiginosamente. Sempre più spesso, per rilevare ed eliminare i problemi di integrazione si fa ricorso alla simulazione, che da tempo viene usata su singoli componenti e sottosistemi, ma che rivela il suo vero valore quando consente di integrare virtualmente tali singoli sistemi. Gli enormi risparmi derivanti dall’individuare i problemi prima di passare all’hardware sono ben noti. Ciò che è ancora più importante è il fatto di poter ottimizzare le prestazioni del sistema. È un risultato che si può ottenere solo nella simulazione, quando si combina la fisica del sistema con i sistemi di controllo in un ambiente di simulazione unitario. Pensate a un veicolo elettrico ibrido; alcune architetture contengono una batteria, un generatore, un motore elettrico, un motore termico e una trasmissione, e questi elementi lavorano insieme. Anche se è possibile simulare ciascun componente singolarmente, per ottimizzare i consumi di carburante è necessario valutare le prestazioni dell’intero veicolo.

Il metodo migliore nel settore
Per iniziare a utilizzare le simulazioni, le organizzazioni di engineering di maggior successo non aspettano che i componenti vengano selezionati. Secondo l’Aberdeen Group, per convalidare il comportamento a livello di sistema le organizzazioni leader del settore usano la simulazione 5,3 volte più spesso rispetto alle altre. Il loro processo di progettazione inizia dalla modellazione e dalla simulazione, e i test virtuali vengono usati per dare forma ai requisiti del sistema. Dal punto di vista dei costi, aumentare o diminuire le dimensioni dei motori elettrici, dei generatori, dei motori termici e degli altri componenti nella simulazione è più efficiente rispetto all’utilizzo di prototipi hardware, e può portare il team a percorrere nuovi sentieri. Molti fornitori automobilistici hanno sviluppato librerie interne per facilitare la modellazione, la simulazione e l’ottimizzazione multi-dominio. In questi casi, un team di ingegneri sviluppa le librerie dei modelli che riguardano i sistemi elettrici, meccanici e termici, per poi condividerle con gli altri team. Questi team prendono i componenti necessari, li combinano ai modelli dei sistemi che stanno progettando e simulano l’intero sistema. Variando i parametri o usando algoritmi di ottimizzazione, possono verificare se il sistema raggiunge gli obiettivi di progetto. I risultati di queste simulazioni vengono inseriti nel processo di definizione dei requisiti, in modo che i componenti possano essere dimensionati in modo ottimale.

Estendere il raggio d’azione della meccatronica
I confini di ciò che viene considerato un sistema meccatronico si stanno rapidamente estendendo, man mano che vengono sviluppate nuove tecnologie. Eseguendo le simulazioni in una fase iniziale del processo di progettazione, gli ingegneri possono mettere alla prova nuove tecnologie e vedere se sono in grado di migliorare il progetto. Ad esempio, combinando i dispositivi piezoelettrici usati nei sistemi Mems e gli attuatori lineari è possibile produrre attuatori a grande corsa che offrono anche controllo di precisione (+/- 0,1 mm). Ciò può essere difficile per le tecnologie più nuove, poiché sono pochi i prodotti disponibili che offrono modelli pronti all’uso che includono gli effetti rilevanti al giusto livello di fedeltà. Per poter sfruttate i vantaggi della simulazione in questo tipo di situazione, gli ingegneri devono creare i propri modelli. Un altro esempio è la tecnologia per le batterie. Si tratta di una delicata area di sviluppo, dove vengono ideati nuovi materiali, nuove sostanze chimiche e nuove geometrie delle celle. In alcuni casi non esistono modelli in uso per le nuove chimiche. Per creare questi modelli sono disponibili molte tecniche, ma solo le migliori permettono di creare componenti riutilizzabili collegati tra loro da interfacce che rappresentano le connessioni fisiche. L’efficienza del team che progetta il sistema cresce grazie all’opportunità di definire le complesse relazioni tra tensione e corrente di un singolo componente e poi di usare quel nuovo componente in un qualsiasi punto del circuito indipendentemente da ciò a cui è collegato. Un metodo utilizzato per studiare gli accumulatori consiste nel collegare un circuito di scarico equivalente a un accumulatore. Questo circuito avrà componenti con proprietà che dipendono dalla temperatura, dallo stato di carica, dalla profondità di carica e da altri valori. Usando un linguaggio di modellazione fisica per definire tali relazioni implicite fra i componenti e poi lasciando che lo strumento di simulazione crei le equazioni per l’intera rete, gli ingegneri hanno la flessibilità necessaria per incorporare rapidamente le nuove chimiche delle batterie nel loro processo di progettazione.

Simulazione di controlli di precisione
I sistemi meccatronici si affidano a molteplici controller che spesso interagiscono fra di loro. Per ottenere la precisione richiesta da tali sistemi, è necessario il controllo a circuito chiuso. Gli attuatori ibridi, che coinvolgono due differenti tecnologie e due differenti controller, possono costituire una sfida complessa. Gli attuatori pneumatici con una serie di motori piezoelettrici, ad esempio, forniscono sia una grande corsa che un controllo preciso. Tuttavia, per arrivare al preciso posizionamento richiesto dal progetto, è necessario che i sistemi di controllo di ciascun sistema lavorino bene insieme. Anche in questo caso, la simulazione è fondamentale per garantire che la struttura e i parametri di controllo siano ottimizzati per lo specifico progetto. I sistemi di stampa sono un altro ottimo esempio di sistema meccatronico in cui la precisione è indispensabile. In tali macchine, i registri di taglio posizionano il materiale stampato al di sotto delle lame a rullo prima del taglio in pagine singole. Nelle riviste di alta qualità, i tagli devono essere estremamente precisi, con una tolleranza massima di 0,3 mm. Poiché il materiale stampato viaggia a velocità che raggiungono i 15 metri al secondo, l’algoritmo di controllo ha solo 10 millisecondi per posizionare il registro di taglio. Il sistema meccatronico che posiziona la carta non deve soltanto essere estremamente preciso, ma anche rapido. Manroland è un esempio di azienda che usa modellazione e simulazione per sviluppare sistemi di stampa ad alta precisione. Lavorando nell’ambiente Simulink, gli ingegneri hanno costruito un modello di impianto della pressa che incorpora i dati delle prestazioni raccolte da una pressa funzionante. Hanno poi sviluppato un modello del sistema di controllo, basato su un controller PID. L’uso di modellazione e simulazione per sviluppare il sistema è stato molto efficace: al momento del test sul sistema reale, il controller ha immediatamente funzionato come da progetto e ha soddisfatto le specifiche del cliente in fatto di tasso di errore, precisione e tempo di risposta. La possibilità di eseguire iterazioni veloci ha permesso a Manroland di ottimizzare la qualità e la funzionalità dei prodotti, al tempo stesso accorciando i tempi delle iterazioni di progettazione da settimane a minuti e dimezzando il tempo di sviluppo.

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