Charakteristika mechatronických systémů
Mechatronika je interdisciplinární obor, jehož součástí jsou tyto technické oblasti (obr. 1):

• mechanické systémy (mechanické prvky, stroje, přesné mechanismy);
  
• elektronické systémy (mikroelektronika, výkonová elektronika, senzory a akční členy);
  
• informační technika (teorie systémů, řízení a automatizace, softwarové inženýrství, umělá inteligence).
  

Při návrhu mechatronických systémů hrají velmi důležitou roli vzájemné vztahy, protože mechanické prvky ovlivňují návrh elektronických systémů, a naopak. Proto zde nastupuje simultánní technické řešení (simultaneous engineering) s cílem navrhnout komplexně integrovaný systém („organický systém“) a vytvořit synergické účinky.
Dalším znakem mechatronických systémů je integrované zpracování digitálních informací. Vedle základních charakteristik je možné realizovat také důmyslnější řídicí funkce, mezi něž patří:

• řízení neměřitelných proměnných (skluz pneumatik, vnitřní pnutí nebo teploty, úhel smyku a povrchová rychlost vozidel, parametry tlumení);
  
• pokročilý dohled a diagnostika chyb;
  
• systémy odolné proti poruchám s hardwarovou a analytickou redundancí;
  
• servis na dálku pro účely monitorování, udržování, opravování.
  

Lze rozlišit mechatronické systémy  s adaptivním nebo i učicím se chováním, které se často označují jako inteligentní mechatronické systémy. Mechatronické systémy mohou být určeny pro použití v široké oblasti strojírenství. Podle konstrukce se mohou dělit na mechanické komponenty, stroje, vozidla, přesné mechanické přístroje a mikromechanické komponenty. Příkladem přesných mechatronických přístrojů jsou laserové a inkoustové tiskárny nebo mechaniky pevných disků. Mechatronickými produkty v oblasti mikroelektromechanických systémů (MEMS) jsou piezoelektrické senzory zrychlení, mikrominiaturní akční členy a mikročerpadla.
Mechatronické systémy dovolují realizovat mnoho zdokonalených a nových funkcí, mezi které patří:

• decentralizované elektrické pohony s mikropočítačovým řízením (víceosové systémy, automatické převody);
  
• lehké konstrukce: tlumení elektronickou zpětnou vazbou (systémy pohonu vozidel, pružné roboty, prostorové konstrukce);
  
• výsledné lineární chování nelineárních mechanismů aplikací vhodné zpětné vazby (hydraulické a pneumatické akční členy, písty);
  
• adaptace činnosti pomocí programovatelných charakteristik (pedál akcelerátoru, manipulátory).

Formy integrace

Obr. 1 Mechatronika jako interdisciplinární obor [1]

Se vzrůstající miniaturizací, robustností a výpočetním výkonem mikroelektronických komponent je možné klást větší váhu na řešení elektroniky a mechanickou část navrhovat od počátku se zřetelem na celkovou koncepci mechatronického systému. Tak lze navrhovat mnohem autonomnější systémy, např. zapouzdřené jednotky s bezdrátovým přenosem signálu nebo sběrnicovým spojením a robustní mikroelektronikou. Integrace do mechatronického probíhá dvěma způsoby – integrací komponent a integrací na bázi zpracování informací.
Integrace komponent (hardwarová integrace) je založena na návrhu mechatronického systému jako celku a začlenění senzorů, akčních členů a mikropočítačů do mechanického procesu. Tato prostorová integrace může být omezená na konkrétní proces a senzor nebo na proces a akční člen. Mikropočítače mohou být integrovány s akčním členem, s procesem nebo senzorem, nebo mohou být umístěny na více místech. Integrace senzorů a mikropočítačů vede k inteligentním (smart) senzorům a výsledkem integrace akčních členů a mikropočítačů jsou inteligentní (smart) akční členy. Ve velkých systémech nahrazuje sběrnicové propojení velké množství kabelů.
Integrace na bázi zpracování informací (softwarová integrace) je většinou založena na pokročilých řídicích funkcích. Vedle základního přímého a zpětnovazebního řízení může přídavný účinek vzniknout díky znalostem procesu a odpovídajícímu zpracování informací ve vyšších úrovních. To zahrnuje řešení takových úkolů, jako jsou dohled s diagnostikou chyb, optimalizace a obecná správa (management) procesu. Příslušná řešení problému končí přímým (on-line) zpracováním informací, zejména s využitím algoritmů reálného času, které musí být přizpůsobeny vlastnostem mechanického procesu vyjádřenými např. matematickými modely. Proto je požadována báze znalostí, zahrnující metody pro návrh a získání informací, modelování procesu a výkonnostní kriteria. Takto jsou mechanické části ovládány různými způsoby vyšší úrovní zpracování informací s inteligentními vlastnostmi, třeba včetně učení, což vede k integraci na bázi softwaru adaptovaného procesem.

Postup návrhu
Návrh mechatronických systémů vyžaduje systematický vývoj a použití moderních softwarových návrhových nástrojů. Jde o iterativní postup, který je však mnohem složitější než v případě čistě mechanických nebo elektrických systémů. Integrace technického návrhu přes tradiční hranice je tedy typická pro vývoj mechatronických systémů. Při návrhu se postupuje v následujících krocích:

1. Stanovit rozdělení mezi mechanickými, hydraulickými, pneumatickými, elektrickými a elektronickými komponentami.
   
2. Určit použité pomocné zdroje energie
   
3. Specifikovat typy a umístění senzorů a akčních členů.
   
4. Zvolit architekturu elektroniky a softwaru.
   
5. Navrhnout techniku řízení a vytvořit synergie.
   

Obr. 2 Znalostní víceúrovňová struktura řízení mechatronických systémů [1]

Vzhledem k mnoha různým variantám návrhu hraje významnou úlohu předběžné modelování a simulace také proto, aby se snížil počet realizovaných prototypů. Proto je nutné provádět teoreticko-fyzikální modelování heterogenních komponent s použitím obecných principů modelování. Pro tento účel jsou zvláště vhodné objektově orientované softwarové nástroje jako Dymola, Modelica, Mobile, VHDL-AMS, 20 SIM, spolu se simulačními nástroji jako Matlab/Simulink V tomto stadiu vývoje se používá softwarová simulace v uzavřené smyčce (SiL – Software in- the-Loop), která spočívá v tom, že se komponenty a řídicí algoritmy simulují na libovolném počítači bez požadavků na reálný čas pro získání např. specifikací návrhu, dynamických požadavků a měřítek výkonu.
Návrh komponent je specifická oblast, v níž jsou využívá software pro návrh technických řešení, jako jsou nástroje CAD/CAE (Computer Aided Design/Engineering) CFD pro fluidiku, nástroje pro návrh desek s plošnými spoji (PADS), pro návrh mikroelektroniky (VHDL) a řešení automatického řízení nástroje (CADCS). Velká pozornost je věnována spolehlivosti a bezpečnosti. Prototypy se potom vytvářejí jako laboratorní řešení.
Integrace systému začíná prvními kroky zaměřenými na kombinování různých komponent. Vzhledem k různému stavu vývoje jednotlivých komponent během simultánního návrhu, požadavku na minimalizaci iterativních vývojových cyklů a splnění krátkých termínů pro uvedení na trh se často používají různé druhy simulací v reálném čase. Prvním úkolem je vytvoření prototypu  metodou rapid control prototyping, kde je reálný proces společně se simulovaným řízením ovládán velmi rychlým hardwarem a softwarem, jiným než je konečná elektronická řídicí jednotka (ECU – electronic control unit). Druhým úkolem je hardwarová simulace v uzavřené smyčce (hardware-in-the loop simulation – HiL), kde proces simulovaný v reálném čase běží s reálným hardwarem ECU a také s hardwarem akčního členu. To je zvláště náročný úkol, protože simulace procesu v reálném čase musí být dosti přesná a výstupní signály senzorů musí být realizovány se speciálními obvody rozhraní. Výhodami simulace HiL jsou např. možnost testování v laboratorním prostředí, testování za extrémních pracovních podmínek a s chybami, reprodukovatelné experimenty, návrh rozhraní HMI (Human Machine Interface).
Integrace systému zahrnuje prostorovou integraci hardwarových komponent realizovanou vestavěním senzorů, akčních členů, kabelů a sběrnic do mechanické části s vytvořením synergických účinků a funkční integraci pomocí softwaru se všemi algoritmy od řízení přes adaptaci až po dohled, diagnostiku, odolnost proti chybám a součinnost člověk/stroj.

Automatické řízení
Použité algoritmy pro přímé a zpětnovazební řízení závisejí na individuálních vlastnostech elektrických, mechanických, hydraulických, pneumatických a také tepelných procesů. Dají se zařadit do obecné, na znalostech založené víceúrovňové struktury řízení (obr. 2). Znalostní báze sestává z matematických modelů procesu, algoritmů pro odhad identifikace a parametrů, metod pro návrh regulátoru a kritérií pro posouzení výkonnosti řízení. Zpětnovazební řízení může být realizováno pomocí regulátorů nižší a vyšší úrovně, modulu SiL pro generování referenční hodnoty a regulátoru s adaptací parametrů.
Vzhledem k velmi rozmanitým možnostem budou stručně uvažovány jenom některé principy řízení. Některé základní požadavky návrhu jsou limitovány výpočetními možnostmi kvůli omezení reálného času, nelinearitě procesu, omezené rychlosti a rozsahu akčního členu, robustnosti, transparentnosti řešení, udržovatelnosti atd. Velmi důležitý je simultánnní návrh mechatronického procesu a řízení. To znamená, že statické a dynamické chování procesu, typ a umístění akčních členů, typ a poloha senzorů jsou vhodně navrženy, což se projeví řízením s dynamicky příznivým celkovým chováním.

Nižší úroveň řízení
Cílem nižší úrovně řízení je zajistit vhodné dynamické chování (např. zdůraznění tlumení), kompenzovat nelinearity jako tření, snížit citlivost na změny parametrů a zajistit stabilitu. Typickými úlohami na této úrovni jsou:

• tlumení vysokofrekvenčních oscilací;
  
• kompenzace tření;
  
• stabilizace nestabilních mechatronických systémů;
  
• nespojité řízení akčních členů.
  

Tlumení vysokofrekvenčních oscilací je třeba řešit např. v mnohahmotových pohonech nebo pneumatických a hydraulických akčních členech, kde se objevují slabě tlumené oscilace. Tlumení je možné obecně zlepšit zařazením hornopropustného filtru do výstupu a použitím stavově proměnné neboli PD (proporcionálně-derivační) zpětné vazby.
Nelineární statické charakteristiky jsou příznačné pro mnohé subsystémy mechanických procesů. Na obr. 3 je naznačen typický příklad hojně požadovaného polohového řízení pro nelineární akční člen. Často se první nelinearita objeví v dílech generujících sílu nebo krouticí moment jako v elektromagnetu nebo v pneumatickém či hydraulickém akčním členu, kde např. síla FD = f(U) vykazuje nelineární statickou charakteristiku. Tuto nelinearitu lze nyní kompenzovat inverzní charakteristikou U = f–1(U’), takže chování vstupu/výstupu FD = f (U’) se stane přibližně lineární a možno použít lineární typ (PID) regulátoru Gc1.
Další úkolem bývá kompenzace tření: v mnoha mechanických systémech možno celkové tření přibližně popsat vztahem

FF±(t) =
= fFC ± sign Y (t) + fFv ± ˙Y (t) |˙Y(t)| > 0     (1)

kde fFC je Coulombovo tření a fFv je koeficient lineárního viskózního tření, který může být závislý na směru pohybu, vyjádřeným znaménky + nebo –. Coulombovo tření má velmi negativní účinek na výkonnost řízení. To se řeší různými metodami, jako je kompenzování reléové funkce (obr. 3), dithering, kompenzace přímou (dopřednou) vazbou a adaptivní kompenzace tření.

Obr. 3 Schéma algoritmu polohového řízení pro nelineární akční člen [1]

Alternativou pro polohové řízení nelineárních akčních členů je použití regulátoru v klouzavém (sliding) módu. Sestává z nominální části pro zpětnovazební linearizaci a z přídavné zpětné vazby pro kompenzaci neurčitostí modelu. Začleněním spínací (switching) funkce  je generován kolísající (dither) signál.
Stabilizace mechatronických systémů se uplatní u magnetických ložisek nebo magneticky nadnášených vlaků nebo automobilů ve smyku. Stabilizace se provádí na nižší úrovni řízení zavedením vhodné zpětné vazby. Stabilizační zpětná vazba obvykle zahrnuje derivační členy a v případě magnetických akčních členů obvody pro kompenzaci nelinearit.
Nespojité řízení akčních členů používají  levné akční členy v podobě solenoidů nebo pneumatických membránových typů. Jsou obvykle ovládány vstupními signály modulovanými šířkou pulzů vyšší frekvence, což umožňuje zajistit přibližně lineární chování při řízení jejich polohy nebo tlaku kapaliny v nižším frekvenčním pásmu.
Schéma řídicího obvodu nižší úrovně (řádu) lze rozšířit o přídavné zpětnovazební regulátory zátěže nebo pracovních podmínek procesu, který je spojen s mechanickým procesem, a výsledkem je vícesmyčkový kaskádní řídicí systém. Předpokladem pro použití pokročilého algoritmu řízení je použití dobře přizpůsobených (adaptovaných) modelů procesu. To může vést k autooptimalizaci parametrů, neboli k adaptivním systémům řízení.

Vyšší úroveň řízení
Úkolem regulátoru vyšší úrovně je zajistit dobré celkové dynamické chování s ohledem na změny referenční polohy r(t) a kompenzovat vnější poruchy způsobené např. změnami zátěže. Tento regulátor vyšší úrovně může být realizován jako regulátor typu PID s optimalizovanými parametry nebo regulátor s interním modelem, popř. regulátor s nebo bez sledování stavu. Na této úrovni řízení jsou řešeny následující úlohy:

• rozvržení parametrů;
  
• řízení s adaptací na změnu parametrů;
  

Rozvržení parametrů (nebo zisku) založené na měření např. proměnných závislých na zátěži je efektivní metoda, jak postupovat při známém, avšak proměnném chování procesu. Řídicí systémy s adaptací na změnu parametrů jsou charakterizovány použitím identifikačních metod pro parametrické modely procesu. To je naznačeno v adaptační úrovni na obr. 2 a 3. Odhad parametrů prokázal, že je vhodným základem pro adaptivní řízení mechanických procesů, včetně přizpůsobení s ohledem na nelineární charakteristiky, Coulombovo tření a neznámé parametry, jako hmoty, tuhost, tlumení. Jestliže nejsou k dispozici vhodné senzory pro měření řízené veličiny, je nutné použít dopředné (feedforward) řízení. Přímé řízení možno realizovat jako jednoduchý proporcionální nebo proporcionálně-derivační algoritmus, jako statickou nelineární charakteristiku u = f(y) nebo jako nelineární vyhledávací tabulky/mapy. Poslední případ platí např. pro řízení spalovacích motorů, kde nejsou k dispozici levné senzory pro měření krouticího momentu a emisí a problémy se stabilitou musí být vyloučeny za všech okolností.

Sekvenční řízení
Automatizace mechatronických systémů je velmi často zajišťována sekvenčním řízením, např. pro procesy s opakovanou činností (obráběcí stroje, tiskařské stroje), spouštění a zastavování (strojů) nebo automatické převody. Proto mechatronické systémy používají mnoho různých metod řízení, od jednoduchých proporcionálních nebo nespojitých (dvoustavových on-off) regulátorů až po adaptivní nelineární regulátory. Protože struktura modelu procesu je většinou známá, je možno realizovat regulátor s optimalizovanou strukturou. Řád modelu procesu není obvykle vysoký, ale při návrhu nutno vzít v úvahu nelinearity a zejména chování akčního členu. Velkou výhodou je, že proces a jeho řízení jsou dodávány od jednoho výrobce, takže možno implementovat a udržovat optimální regulátory, avšak vystavené značnému omezení s hlediska reálného času.

Ing. Karel Kabeš, Ing. Eva Vaculíková