Towards a Concurrent MultidisciplinaryDesign Optimization of Mechatronic Systems
Tid: To 2021-09-02 kl 13.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_dElhwgsMTz6vCcAUFAZN1w, Stockholm (English)
Ämnesområde: Maskinkonstruktion
Respondent: Fariba Rahimi , Maskinkonstruktion (Inst.), KTH Royal Institute of Technology
Opponent: Johan Ölvander, Linköpings universitet
Handledare: Martin Grimheden, Mekatronik, Maskinkonstruktion (Avd.), Maskinkonstruktion, KTH Royal Institute of Technology
Abstract
Multidisciplinär designoptimering av mekatroniska system är en besvärlig uppgift som överväger integration av flera tekniska domäner samtidigt. Därför bör en holistisk metod behandla dessa tekniska domäner samtidigt i utvecklingsfasen och resultera i en lösning för systemet som är optimal med tanke på flera discipliner. Konventionella designmetoder för tvärvetenskapliga system överväger ofta varje domän separat och integrerar dem i slutskedet av designen. I dessa metoder kan interaktioner och kopplingar mellan parametrar från olika discipliner gå vilse och om något fel uppstår vid senare designfas kan det leda till bakspårning och felsökning och kan därför vara tid- och kostnadskrävande.
Därför är en metod som inkluderar samtidig design av mekanik, elektronik, styrning, med tanke på effekterna av inbyggd kontrollimplementering (på fysisk design och prestanda) som resulterar i ett integrerat system av anmärkningsvärd betydelse. Denna avhandling sammanfattar författarens forskning om idéer och förslag på en integrerad designmetod med flera kriterier. Syftet med denna forskning är att möjliggöra en tidig fasdesign som tar hänsyn till tre domäner (fysisk design, kontrolldesign och inbäddad kontrollimplementering) samtidigt. Därför beaktas mål, specifikationer och begränsningar från varje domän. Effektivitetsfunktionen förbättras genom användning av en tidig fasdesignmetod som minskar tid och kostnadskrävande felsökning och tar bort behovet av att ha iterativa designslingor i senare designfaser.
Metoden utvecklar två typer av komponenter: fysisk och kontroll. Fysiska komponenter är grundläggande mekaniska/elektriska element som inkluderar tre typer av modeller: fysisk dimension, statiska egenskaper och dynamiska beteendemodeller. Kontrollkomponenter inkluderar kontrollmetoder och dynamiska prestandabegränsningar. Konceptet med ett mekatroniskt system under konstruktion i den stödjande mjukvaruverktygslådan konfigureras med hjälp av komponentbiblioteket. En multikriterieoptimeringsmetod används på en systemnivå som ger en optimal lösning för systemet när det gäller storlek, implementeringskostnad, hårdvarukostnad och kontrollprestanda. Med denna systemnivåoptimering behöver du inte dela upp problemet eller integrera flera optimeringsslingor i metoden.
Fyra designfall används för att möjliggöra vissa funktioner i mjukvaruverktygslådan och undersöka metodens förmåga att hantera multi-DOF olinjära system; och att lyfta fram sambandet mellan tekniska domäner och bredda täckningen av discipliner. Metodens genomförbarhet utvärderas genom variationer av konstruktionstester för designfallen. Följaktligen studeras, utvecklas och integreras mekaniska komponenter och kontrollkomponenter i verktygslådan IDIOM (Integrated Design Optimization of Mechatronic Systems). Eftersom modellen för varje komponent behandlas separat i konstruktions- och modelleringssteget kan alla systemkonfigurationer som använder de tillgängliga komponenterna hanteras med metoden. Avhandlingens bidrag kan sammanfattas enligt följande:
Tvärvetenskaplig designmetod och undersökning av kopplingar och korrelationer mellan tekniska domänerModeller och samdesignmetoder för att inkludera olinjära mekatroniska system med flera grader av frihetUtökad metod för att täcka viktiga aspekter i diskreta tidssystem och nyckelfaktorer vid implementering av inbäddad kontroll
Målet med denna avhandling är att förbättra systemutvecklingseffektiviteten genom att integrera tekniska domäner i en tidig designfas. Följaktligen är metoden i denna avhandling ett grundläggande drag i utvärderingen av mekatroniska systemdesign som hjälper till med bättre systemutveckling och analys. Det finns dock ingen enda "bästa" metod för design av mekatroniska system; den presenterade metoden i denna avhandling underlättar en effektiv samtidig integrerad designoptimering och har en bredare täckning av tekniska domäner. De resultat som uppnås med metoden säkerställer en optimal systemlösning när det gäller de olika involverade tekniska domänerna.