Design, Modeling, Identification and Control of Mechatronic Systems
Authors:   , Gomis Bellmunt Oriol 
Published: July 2023

Les societats modernes plantegen nous reptes que demanden noves maneres de tractar els projectes d'enginyeria. Els enginyers han d'afrontar aquests reptes i desenvolupar solucions òptimes i eficients pels problemes clàssics i nous. Els diferents avenços produïts en la tecnologia hi poden ajudar, però una nova manera de tractar els problemes enginyerils és també necessària, no considerant únicament les diferent especialitats de l'enginyeria aïlladament. En aquest context, podem parlar de la creació d'una nova filosofia de fer enginyeria: la Mecatrònica. La Mecatrònica s'ha definit com l'aplicació de decisions complexes a l'operació de sistemes físics. La Mecatrònica ha estat també definida com la integració o sinergia de diferents disciplines de l'enginyeria. Aquestes disciplines inclouen l'enginyeria mecànica, l'enginyeria elèctrica, l'enginyeria electrònica, l'enginyeria de control, les comunicacions industrials i l'enginyeria de software. No obstant, la importància del concepte no està únicament en la definició sinó a la filosofia que hi ha al fons. És important de veure, que la Mecatrònica no és només la suma dels resultats de diferents disciplines, sinó la filosofia enginyeril per afrontar els problemes com un de sol, fent servir les eines que subministren les diferents disciplines. <br/>La present tesi es divideix en dos parts que tracten problemes de diferent natura. La primera part es titula Regles de disseny i modelat d'actuadors per l'optimització de sistemes mecatrònics i es centra en proporcionar un anàlisis detallat de diferents actuadors utilitzant un procediment general, orientat a millorar el disseny de l'actuador. S'introdueix una nova metodologia per analitzar actuadors lineals electromagnètics i hidràulics modelitzant la seves magnituds mecàniques (força, treball i desplaçament) com a funcions de la geometria i les propietats del material, estudiant l'escalabilitat (en el sentit de produir la mateixa distribució de tensions i deformacions per diferents mides). La motivació de realitzar aquest treball neix de la necessitat d'estructures i sistemes lleugers i de volum reduït, que han de ser integrats en el procediment de disseny el més aviat possible. Per tant, s'estudien les relacions geomètriques, les proporcions i les propietats dels materials que maximitzen les magnituds mecàniques de sortida dels actuadors per un volum i pes limitat, així com l'escabilitat per la seva posterior integració en estructures. Els resultats són validats mitjançant anàlisi dimensional de les expressions obtingudes i comparant els resultats numèrics amb dades d'actuadors industrials. Es considera el comportament estàtic de diferents classes d'actuadors, incloent actuadors hidràulics i electromagnètics lineals. <br/>La segona part es titula Identificació i Control d'Actuadors Piezoelèctrics. Els actuadors piezoelèctrics estan demostrant ser una solució fiable per moltes aplicacions, des del microposicionament (màquines eina, dispositius òptics o microscopis moderns) al control actiu d'estructures. La principal motivació de la segona part de la tesis és aprofundir en models per representar el comportament histerètic dels actuadors piezoelèctrics per posteriorment aplicar els models al desenvolupament de controladors pels sistemes histerètics. Es desenvolupa inicialment un estudi general dels actuadors piezoelèctrics per després tractar la seva modelització. Degut a l'elevat comportament no-lineal observat es necessita un model d'histèresis. El model de Bouc-Wen ha estat escollit i s'ha treballat en la identificació dels paràmetres del model i la seva validació. Un cop el sistema ha estat modelat, s'<br/>olinebreak ha dissenyat un nou controlador lineal i s'ha implementat en una plataforma experimental utilitzant un DSP (Processador digital de senyal). <br/>Encara que les dues parts estan clarament diferenciades, la unitat de la tesis pot ser trobada a les arrels de la Mecatrònica. La tesis tracta la resposta a una sola pregunta: Com podem millorar un sistema mecatrònic? No obstant, la resposta és doble: Dissenyant i modelant actuadors òptims considerant el sistema o estructura complet i controlant el sistema adequadament fent servir els models desenvolupats.

Fast changing societies come up with new challenges that require new engineering approaches. Engineers have to face such challenges and provide novel and more efficient solutions to classical and new problems. This can be done by using different relevant advances produced in technology. Furthermore, a new way of addressing the engineering problems has to be applied, not considering only isolated engineering specialties. In this frame, we can talk about the creation of a new engineering philosophy: Mechatronics. Mechatronics has been defined as the application of complex decision making to the operation of physical systems. Mechatronics has been also defined as the integration or synergy of different engineering disciplines. Such disciplines may include Mechanical Engineering, Electrical Engineering, Electronics Engineering, Control Engineering, Industrial Communications and Software Engineering. Nevertheless, the importance of the concept does not lie only in the definition but in the philosophy behind it. It is very important to note that Mechatronics is not only the sum of the results of the different disciplines, but the engineering philosophy to face engineering problems as a whole, employing the tools provided by the different disciplines. The present thesis has been divided in two parts that deal with problems of different nature. The first part is titled Design Rules and Actuator Modeling for the Optimization of Mechatronic Systems and focuses on providing the detailed analysis of different actuators using a general procedure and oriented towards improving the actuator design. It introduces a new methodology to analyze linear electromagnetical and hydraulic actuators by modeling their maximum output mechanical quantities (force, work and stroke) as functions of the geometry and material properties and discusses the scalability (in the sense of producing the same stress and strain distribution for different sizes). The motivation to undertake such a work stems from the need for light and volume reduced structures and systems, which are to be integrated in the design procedure as early as possible. Hence, the geometric relationships, aspect ratios and material properties that maximize the actuator output quantities with a certain limited volume or weight, along with their scalability for the integration in structures are studied. A validation of the results is done by performing dimensional analysis of the expressions obtained and comparing numerical results with industrial actuator data. The static behavior of different classes of actuators is considered. Such actuators include linear hydraulic and electromagnetic actuators. <br/>The second part is titled Identification and Control of Piezoelectric Actuators}. Piezoelectric actuators are proving to be a reliable solution for many engineering applications, ranging from micro-positioning (machine tools, optic devices or modern microscopes) to active control of structures. The main motivation of this thesis part is to delve into models to represent the hystereticbehavior of piezoelectric actuators in order to apply them to the conception of controllers for such hysteretic systems. A general study of piezoelectric actuators is performed to later deal with the modeling of such actuators. Due to the high non-linear behavior observed, the problem of identifying and modeling the actuator requires a hysteresis model. The Bouc-Wen model has been chosen and investigations to identify its parameters and to validate the model have been undertaken. Once the system has been identified, a linear controller has been designed and implemented in a real platform, employing a DSP (Digital Signal Processor). <br/>Although the two parts are clearly differentiated, the thesis unity can be found in the roots of Mechatronics. The thesis deals with the response to one single question: How can we improve a mechatronic system? However, the answer is twofold: By designing and modeling optimum actuators taking into account the whole system or structure and by controlling the system appropriately using developed models.