Automobilul Mecatronic

ARGUMENT

Acest proiect işi propune să prezinte câteva dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice, cu argumente, pentru fiecare caz în parte, legate de includerea în marea familie a sistemelor mecatronice (integrare spaţială şi funcţională, flexibilitate, inteligenţă).

Prin acest proiect doresc să scot în evidenţă unele aspecte mai semnificative, legate de: sistemul mecanic şi/sau optic, pe care se bazează întreaga funcţionare a sistemului; componentele electrice şi electronice (senzori, actuatori, circuite de putere), care servesc la achiziţionarea de informaţii din proces şi la comanda adecvată a unor mişcări ale elementelor sistemului mecanic/optic; sistemul de comandă centralizat/descentralizat, care asigură coordonarea întregului ansamblu şi conferă gradul mai înalt sau mai scăzut de inteligenţă al sistemului mecatronic respective, se va sublinia, si modul în care anumite funcţiuni mecanice sunt preluate de către electronică şi software, simplificând foarte mult structura mecanică, modul în care construcţiile rigide, la care precizia este realizată prin toleranţe foarte strânse, pot fi înlocuite cu construcţii elastice şi uşoare, la care precizia este realizată prin măsurare şi bucle de reacţie, modul în care problemele de cablare, inerente unor sisteme cu atât de multe componente electrice şi electronice, sunt rezolvate prin utilizarea unor magistrale şi protocoale de comunicaţie adecvate.

Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost conceput în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric şi protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se referea iniţial la complectarea structurilor mecanice din construcţia aparatelor cu componente electronice. În prezent termenul defineşte o ştiinţă inginerească interdisciplinară, care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din construcţia de maşini, electrotehnică şi informatică, îşi propune să îmbunătăţească performanţele şi funcţionalitatea sistemelor tehnice.

Proiectul de fata isi propune sa prezinte principiile de control si principalele sisteme aplicate in cadrul automobilelor. Cunoasterea lor reprezinta o cerinta esentiala pentru intelegerea functionarii motoarelor actuale. Chiar daca notiunea de control nu trebuie neaparat legata de motoarele de ultima generatie, cu siguranta ea a capatat o semnificatie aparte in cazul acestora.

Dezvoltarea sistemelor de control a fost impulsionata in primul rind de severitatea normelor privind emisiile poluante si de cerinta unor performante satisfacatoare in conditiile respectarii acestor norme.

Primul pas a fost realizat prin introducerea masiva a sistemelor electronice de control in motoarele cu aprindere prin scanteie dotate cu sistem catalitic pentru tratarea gazelor de ardere. Functionarea cu randament maxim a unui astfel de sistem impunea mentinerea stricta a coeficientului de dozaj intr-o fereastra foarte ingusta in jurul valorii unitare. Acest obiectiv a fost realizat prin introducerea sistemelor de injectie de benzina controlate electronic. Treptat sistemele au fost dezvoltate, astfel pe linga controlul calitatii amestecului aer-combustibil a fost integrat si controlul avansului la scanteie.

Motoarele diesel au fost si ele supuse unor puternice schimbari in privinta sistemelor de control, chiar daca cu o usoara intirziere fata de motoarele pe benzina. Motivele care au stat la baza acestei evolutii sint legate de utilizarea motorului diesel cu injectie directa la funtionarea pe autoturisme. Acest motor prezinta un mare avantaj: economicitatea. In acelasi timp motorul este zgomotos si prezinta un nivel ridicat al emisiei de NOx. Electronica a fost cea care a reusit sa controleze procesul de injectie intr-o maniera eficienta cu efecte benefice asupra zgomotului si emisiilor poluante.

In prezent, indiferent de tipul motorului, sistemele de contol gestioneaza procesele esentiale (injectie, aprindere), dar si interactiunea cu alte sisteme: transmisie, climatizare, etc.

Scopul unui sistem de control: mentine parametrii unui motor intr-un anumit interval specificat Sensul care trebuie acordat expresiei “parametrii unui motor” este larg. De exemplu, prin parametrii unui motor putem intelege:

- turatia motorului (cind se discuta de controlul stabilitatii motorului la functionarea la mers in gol);

- avansul la declansarea scinteii (cind se discuta de controlul functionarii motorului la limita de detonatie);

- avansul la injectia de motorina (cind in cazul unui motor diesel se discuta despre limitarea zgomotului);

- nivelul unei anumite emisii poluante (sau a unui set de emisii poluante);

- cuplul sau puterea efectiva;

- etc

In structura unui sistem de control pot fi individuate intotdeauna trei componente:

- Senzorul (senzorii) = este cel care obtine informatii asupra variabilei controlate.

- Modulul de control (elementul de calcul) = Calculeaza parametrii actiunii de control pe baza informatiilor primite de la senzor (senzori).

- Elementul comandat (actuator) = primeste comanda de la procesor si intervine asupra marimii controlate.

Cerinte impuse sistemelor de control

- realizarea functiei de control pentru care a fost proiectat

- posibilitatea de comunicare cu alte sisteme = permite integrarea acestuia cu celelalte sisteme ale vehiculului

- diagnoza = sistemul de control trebuie sa posede o interfata prin care sa fie posibila efectuarea diagnozei fie prin conectarea unor sisteme speciale, fie direct prin comunicarea rezultatelor catre un tablou de control montat la bordul vehiculului.

Controlul in bucla deschisa si inchisa

Exista doua modalitati de control esentiale:

- bucla deschisa (open loop);

- bucla inchisa (close loop).

Pentru a clarifica diferenta intre ele vom lua drept exemplu o situatie care nu apartine

cimpului motoristic, dar care prin simplitatea ei poate realiza o imagine sugestiva: sistemul de incalzire a unei incaperi.

Presupunem ca avem o incapere incalzita cu ajutorul unui radiator. Debitul de apa calda ce trece prin acest radiator este reglat cu ajutorul unui robinet actionat de catre un servomotor. Cu cit deschiderea robinetului este mai mare cu atit fluxul de caldura trimis in incapere este mai mare, temperatura crescind.

In conditiile utilizarii unui sistem de control in bucla deschisa sistemul de control memoreaza o curba temperatura=f(pozitie robinet). Dorim o anumita temperatura, setam sistemul de control pe o anumita valoare, iar acesta va comanda pozitia robinetului. De remarcat ca sistemul de control nu are nici o informatie asupra rezultatului actiunii sale, el nu controleaza daca actiunea sa a condus intr-adevar catre valoarea dorita de temperatura. Daca de exemplu noi adaugam o alta sursa de caldura in camera, sistemul va lucra total necorespunzator, debitind un flux de caldura superior necesarului.