 |
A mintavételezés és a súrlódás együttes hatásai a mechatronikai rendszerek dinamikájára
|
súgó 
nyomtatás 
|
Ezen az oldalon az NKFI Elektronikus Pályázatkezelő Rendszerében nyilvánosságra hozott projektjeit tekintheti meg.
vissza »
|
| |
Projekt adatai |
|
|
| azonosító |
128398 |
| típus |
PD |
| Vezető kutató |
Budai Csaba |
| magyar cím |
A mintavételezés és a súrlódás együttes hatásai a mechatronikai rendszerek dinamikájára |
| Angol cím |
Combined Effects of Sampling and Friction on Mechatronic Systems Dynamics |
| magyar kulcsszavak |
pozícionálási feladatok, mintavételes rendszerek, súrlódási jelenségek |
| angol kulcsszavak |
positioning problems, sampled-data systems, friction phenomena |
| megadott besorolás |
| Műszaki Mechanika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma) | 100 % |
|
| zsűri |
Gépész-, Építő-, Építész- és Közlekedésmérnöki |
| Kutatóhely |
Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem) |
| projekt kezdete |
2018-09-01 |
| projekt vége |
2021-08-31 |
| aktuális összeg (MFt) |
15.807 |
| FTE (kutatóév egyenérték) |
2.10 |
| állapot |
lezárult projekt |
magyar összefoglaló A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A tervezett kutatás fő célkitűzése az, hogy a súrlódási jelenségek stabilizáló hatását vizsgáljam olyan mechatronikai rendszerekben, ahol diszkrét-idejű szabályozót alkalmazunk a pozicionálási feladatok végrehajtására. A kutatás legfőbb motivációját az adja, hogy az ilyen rendszerben különleges, ún. konkáv burkológöbéjű rezgések jelenhetnek meg. Ezek a rezgések akkor alakulhatnak ki, amikor a mintavételezés okozta instabilitást a Coulomb súrlódás stabilizálja. A megfigyelt konkáv burkológörbéjű rezgések az ún. mintavételes, száraz súrlódásos lengőrendszer modelljével írhatók le.
Jelen kutatással a konkáv burkológörbéjű rezgésekhez kötődő dinamikai viselkedésnek további vizsgálatát, mélyebb megértését és a korábbi eredmények általánosítását tűztem ki fő célul. Ehhez a mintavételes száraz súrlódásos lengőrendszer modelljét szeretném oly módon általánosítani, hogy az eddig használt mérőrendszerhez kötődő, eddig meg nem magyarázott eltérésekre is magyarázatot kapjak. Ezáltal nem csak minőségi, hanem mennyiségi egyezést is létre tudjak hozni a mérési és a szimulációs eredmények között. Ezt követőn a műszaki gyakorlatban a pozicionálás során alkalmazott PID szabályozók családjának alkalmazásával egészítem ki az eddigi szabályozási lehetőségeket, végül pedig a súrlódás nem-lineáris hatásának figyelembevétele mellett, a motor szaturáció szintén nem-lineáris hatását is figyelembe veszem az elemzések során. Ezáltal még pontosabb képet szeretnék kapni a pozicionálási problémák során felmerülő nehézségekre.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Annak érdelében, hogy a konkáv burkológörbéjű rezgésekhez kötődő dinamikai viselkedést mélyebben megérthessük, egyaránt fogok különféle méréseket, numerikus szimulációkat és analitikus számításokat végezni. Egy korábbi pályázat segítségével több új mérőeszközt hozhattam létre, így kibővültek a korábbi lehetőségeim, ennek köszönhetően több különböző mérést végezhetek a pozicionálási feladatok megértésére. A modellezési oldalon elsőként a nem-sima hatások kezelésére eseménykezeléssel kiegészített numerikus szimulációkat fogok használni. Ezt követően olyan analitikus számításokat kívánok végezni, amelyek kihasználják a szakaszosan sima differenciál egyenletek eszköztárának erősségeit.
A kutatás alapfelvetése az, hogy a klasszikus szabályozási törvényektől függetlenül, továbbra is tapasztalni fogjuk a konkáv burkológörbéjű rezgéseket. A súrlódás tovább bővíti a szabályozó paraméterek megválasztásának lehetőségét, azaz a szabályozó paraméterek síkjáról olyan helyekről is választhatunk szabályozó paramétereket, amelyeket alkalmazva a száraz súrlódás hatásának figyelembe vétele nélkül már instabil viselkedést tapasztalnánk. Végül pedig a szaturáció hatásától egy további határciklus kialakulását várom, míg a száraz súrlódás mintavételes rendszerekre gyakorolt hatásából kifolyólag instabil határciklus alakul ki, addig a szaturáció hatásából eredően stabil határciklust várok. Kutatás során kapott eredmények alapján az imént bemutatott hipotéziseket szeretném igazolni, vagy cáfolni a kapott eredményektől függően.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az új eredményeknek köszönhetően lehetőség nyílik azoknak a szabályozott rendszereknek a vizsgálatában, amelyek száraz súrlódással is rendelkeznek. Ezáltal lehetőség nyílik egy olyan általános modellt létrehozására, amely mind a súrlódás hatását, mind pedig a mintavételezés hatását is figyelembe veszi, ezáltal elősegítve a mérnöki tervezés feladatait. Ezen túlmenően a pozicionálási feladatok matematikai hasonlóságát kihasználva, olyan alkalmazásokban is felhasználhatóak az eredmények, amikben az ember számítógép által generált virtuális környezettel lép interakcióba és az ún. haptikus eszköz közvetíti a szimulált kölcsönhatásban fellépő erőket. A haptikus technológia a jövőben forradalmasíthatja az ember és a számítógép kapcsolatát, és ebben bevezethet egy új érzékelési formát, a fizikális tapintást.
Az imént bemutatott további alkalmazási lehetőségeket egy nemzetközi együttműködés keretein belül a kanadai McGill Egyetem, Department of Mechanical Engineering and Centre for Intelligent Machines Intézetével közösen vizsgáljuk. Az eddig elért eredmények az ezen a területen kutató szakemberek visszajelzései alapján előremutatóak, ennek egyik jele az, hogy 2016-ban az Amerikai Gépészmérnök Szövetség által évente megrendezett IDETC /CIE elnevezésű összevont konferencián, a 12th International Conference on Multibody Systems, Nonlinear Dynamics, and Control konferencia legjobb cikknek járó díját vehettük át.
Az ilyen feladatok különösképpen fontosak olyan robotok alkalmazásában, amelyek segítségével kisebb sebészeti beavatkozásokat végeznek. Az operáló robot, valamint a szövetek, csontok között fellépő erőhatásokat az ilyen eszközök segítségével továbbíthatjuk a beavatkozást végző sebész számára. Ezek az eszközök jelenleg még nem nagyon terjedtek el, amelynek az egyik kiváltó oka abban kereshető, hogy a számítógéppel létrehozott szabályozás segítségével működtetett berendezésnek, illetve magában a berendezésben fellépő súrlódási jelenségek egymásra hatását még nem ismerjük pontosan. Úgy gondoljuk, hogy az imént bemutatott eredmények fontos lépésként járulnak hozzá az új generációs eszközök tervezéséhez és fejlesztéséhez mind az orvosi, mind pedig az ipari alkalmazások körében.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A következőkben összefoglalt kutatás középpontjában a mechatronika egyik alapfeladata, a pozicionálási feladat áll. Pozicionálás során a vizsgált berendezésnek az a feladata, hogy egy tetszőleges kiindulási helyzetből önműködően eljusson egy általunk megkívánt véghelyzetbe. A gépészeti gyakorlatban a feladat végrehajtásához szükség van egy szabályozó egységre, azaz egy logikára, amit követve a berendezés megvalósítja a mozgást. Ezt a logikát többnyire számítógép segítségével valósítjuk meg.
A pozicionálási feladat kísérleti úton történő vizsgálata érdekében egy mérési összeállítást hoztam létre, amelynek a központi eleme egy egyenáramú motor. A kísérlet során attól függően, hogy mekkora feszültséget kapcsolunk a motor kivezetéseire, ezáltal tudjuk végeredményében elfordítani a korongot a megkívánt szöghelyzetbe.
Az imént bemutatott kísérlet elvégzése során egy különleges rezgőmozgást tapasztaltam. A későbbi kutatás legfőbb motivációját ennek a különleges viselkedésnek a megértése adta. A szóban forgó különleges rezgőmozgás megértéséhez a súrlódás hatásának figyelembe vétele elengedhetetlen volt, azonban a jelenség teljes magyarázatának csak az egyik fele. A jelenség kialakulásának másik kiváltó oka a felhasznált logika számítógépi megvalósítása. Ugyan a gépészeti gyakorlatban számos feladat vizsgálata során a számítógépek effajta tulajdonsága elhanyagolható, azonban a jelen feladat vizsgálata során mégis elengedhetetlen a figyelembevétele. Jelen kutatással az említett különleges rezgőmozgáshoz kötődő viselkedésnek további vizsgálatát, mélyebb megértését és a korábbi eredmények általánosítását tűztem ki fő célul annak érdekében.
| angol összefoglaló Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The overall objective of this research work is to investigate the stabilization effect of friction phenomena in such mechatronic systems, where a discrete-time controller is used in positioning problems. The main motivation of this research comes from the recognition that special, the so-called concave envelope vibrations can be occurring in these systems. These type of vibrations can be formed, when the effect of Coulomb friction stabilizes the possible instability due to sampling. The observed concave envelope vibrations are reproduced by using the model of a sampled-data sliding oscillator.
The main purpose of this research is to further examine and deepen the understanding of the dynamic behavior associated with the concave envelope vibrations and the generalization of the previous results. In order to achieve these, I would like to generalize the model of the sampled-data sliding oscillator so as to explain the unrelated differences connected to the measurement system used before. This way, I can not only create qualitative but quantitative matches between the measurement and the simulation results. After that, in mechanical engineering, I am supplementing the regulatory options of the PID controllers used in the positioning, and finally taking into account the non-linear effect of the friction, I also take into consideration the non-linear effect of the motor saturation during the analyzes. In this way, I would like to get a more accurate picture of the difficulties encountered during positioning problems.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In order to understand the dynamic behavior associated with concave enveloping vibrations, I will perform various measurements, numerical simulations and analytical calculations too. With the help of an earlier scholarship, I could create several new measurement equipment, so my previous options have been expanded to allow me to do several different measurements of the positioning problems. On the modeling side, I will use numeric simulations with event handling techniques to handle the non-smooth effects. Then I want to do analytical calculations that take advantage of the strengths of the piecewise-smooth differential equation toolkit.
The underlying hypotheses of the research is that we will continue to experience the concave envelope vibrations, regardless of the classical control laws. The effect of friction further extends the choice of control parameters, i.e., the control parameters can be selected from the locations of the plane of the control parameter which, by applying the effect of dry friction, already experience unstable behavior. Finally, I expect the formation of an additional limit cycle from the effect of the saturation, while the effect of dry friction on the sampling systems is caused by an unstable limit cycle, and I expect a stable limit cycle due to the saturation effect. Based on the results of the research, I would like to justify or reject the hypotheses I have just presented, depending on the obtained results.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Thanks to the new results, it is possible to test the controlled systems that have a dry friction. This makes it possible to create a general model that takes into account both the effect of friction and the effect of sampling, thereby promoting the engineering design tasks. In addition, taking advantage of the mathematical similarity of the positioning problems, the results can be used in applications whereby human interact with a virtual environment generated by a computer and the so-called haptic device transmits the forces of the simulated interaction. Haptic technology can revolutionize the relationship between human and computer in the future, and in this way, it can introduce a new sense, physical touch.
The additional possibilities of the application that we have just presented will be explored together with the Canadian McGill University, Department of Mechanical Engineering and Center for Intelligent Machines. The results achieved so far are forward-looking on the basis of feedback from experts in this field, one of which is that, in 2016, at the annual IDETC / CIE conference organized by the American Society of Mechanical Engineering, we received the Best Paper Award for the 12th International Conference on Multibody Systems, Nonlinear Dynamics, and Control.
Such problems are particularly important for the use of robots to perform minor surgical interventions. The force acting between the operating robot and the tissues and bones can be transmitted to the intervention surgeon by means of such devices. These devices are not very spread at this time, one of the root causes of which is the finding that the mechanism operated by computer-generated control and the frictional effects of the device itself are not known exactly. We believe that the results presented here are an important step in designing and developing new generation devices for both medical and industrial applications.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The focus of the research is one of the basic tasks of mechatronics, the positioning task. During positioning, the aim of the device is to automatically reach a desired position from an arbitrary starting position. In mechanical engineering, a control unit is needed to perform the task, that is to say a logic followed by the device realizing movement. This logic is mostly accomplished by a computer.
In order to test the positioning task experimentally, I created a measurement assembly whose central element is a DC motor. During the experiment, depending on how much voltage is applied to the motor terminals, we can rotate the disc into the desired angle position.
During the experiment, I have experienced a special vibration shape. The main motivation of the later research was the understanding of this peculiar behavior. To understand the particular oscillation, taking into account the effect of friction was indispensable, but only half of the full explanation of the phenomenon. Another cause for this phenomenon is the computer implementation of the logic. Although in the field of mechanical engineering many tasks are considered to be negligible, the nature of computers is negligible, but it is indispensable to consider this task. With this research, I aimed to further study, deepen my understanding of the specific vibrations and to generalize previous results in order to do so.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
