001-principios De Modelado Y Simulación

Principios de modelado y simulación

Modelado y simulación de sistemas mecatrónicos M. en C. Juan Carlos Guzmán Salgado UPIITA - IPN

Diseño de sistemas En el campo del diseño de sistemas que involucran sistemas complejos, el ingeniero para enfrentar estos retos debe trasladar al papel una representación del sistema con un mínimo de error. Aunque la representación precisa no sea fácil de usar si debe ser clara y sin ambigüedades.

Mecatrónica La mecatrónica describe una metodología de diseño interdisciplinario que resuelve principalmente las funciones de productos generalmente mecánicos a través de la sinergia espacial y la integración funcional de subsistemas mecánicos, electrónicos y de procesamiento de información.

VDI/VDE Gesellschaft für Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) - Society for Measurement and Automatic Control (VDI/VDE GMA ), Technical Committee 4.15 “Mechatronics”

Sistema mecatrónico

Klaus Janschek, Mechatronic Systems Design. Methods, Models, Concepts

Elementos clave de un sistema mecatrónico Las tareas de productos orientados mecánicamente se han llevado a cabo durante milenios utilizando máquinas. Siendo este el caso, ¿Cómo se distinguen los productos mecatrónicos de las soluciones "clásicas"? Los atributos extraordinarios de los sistemas mecatrónicos se basan en la integración funcional y espacial de subsistemas mecánicos, eléctricos y de procesamiento de información que incorporan los siguientes elementos conceptuales y tecnológicos clave: Cadenas de acción cerradas, microelectrónica y microsistemas, nuevos materiales, materiales funcionales.

Cadenas de acción cerradas. El alto grado de “movimiento intencional” en cualquier condición de operación y incertidumbres físicas presentes sólo es posible bajo el concepto de Cadena de acción cerrada o Lazo de control (Fig. 1.2). El diseño de un Sistema mecatrónico va más allá de colocar todo junto en un lazo de control. Todos loe elementos del lazo (No sólo el algoritmo) son objetos del diseño.

“Mecatrónica es mucho más que control, pro no hay Mecatrónica sin

control” (Janschek 2008). Janschek, K. (2008). "Optimized system performances through balanced control strategies (Editorial)." Mechatronics 18(5-6): 262-263.

Comportamiento basado en el modelo

Modelos El modelado de sistemas dinámicos tiene un papel central en el proceso de diseño de sistemas mecatrónicos. Modelos Analíticos o Modelos Computacionales Para el estudio y diseño de sistemas es importantes es una comprensión profunda de los fenómenos físicos y sus interacciones presentes Este entendimiento es lo primero y se refleja en la elección del modelo dinámico. Para poder tomar decisiones de diseño de manera transparente y reproducible, en la medida de lo posible, deben utilizarse modelos dinámicos analíticos, en los que se pueda representar explícitamente la relación entre los parámetros físicos y las propiedades dinámicas.

Modelos y Sistemas Los modelos abstractos y matemáticos de un sistema mecatrónico como una representación del mundo real juegan un papel central en el diseño de sistemas. Como regla general, estos modelos se desarrollan y manipulan mucho antes de que los componentes reales del sistema estén disponibles. Es sobre la base de estos modelos abstractos que ya pueden hacerse predicciones sólidas de las capacidades del sistema real (posiblemente aún por producir).

Experimentando con modelos: Simulación

VALIDACIÓN Y VERIFICACIÓN  Al  realizar un experimento de simulación es posible

predecir el comportamiento del sistema real mediante un experimento específico , Usando un modelo, los resultados de la simulación como resultado de un experimento de simulación equivalente Sin embargo se debe tener en cuenta lo siguiente: La comparación de los resultados de y depende de la precisión del modelo y de la implementación computacional del modelo matemático.

Las capacidades predictivas de los resultados de la simulación deben siempre revisarse de manera critica: ¿Considera mi modelo todas las propiedades

importantes para mí? ¿Cómo están realmente implementadas las ecuaciones

de mi modelo matemático? ¿Qué errores dependientes del método usado están

involucrados en los algoritmos de solución empleados? ¿Qué errores numéricos resultan de la implementación

en la plataforma de computo seleccionada?  

VALIDACIÓN Y VERIFICACIÓN Definición 1. Validación - (IEEE 1997)

“Validación es el proceso de determiner el grado en que una simulación es una representación precisa del mundo real desde la perspectiva de los usos previstos según lo definido por los requisitos”. Definición 2. Verificación – (IEEE 1997)

“Verificación es el proceso de determinar que la implementación de una simulación representa con precisión la descripción conceptual y las especificaciones de los desarrolladores” La confiabilidad de la simulación depende de la calidad del modelo. Validez replicativa Validez predictiva Validez estructural

Validación: ¿Estamos construyendo el modelo

correctamente? Verificación: ¿Hemos creado correctamente (en

la implermentación) el modelo del Sistema?

Papel del Modelado y Simulación Hay una amplia gama de posibles razones para emprender un estudio de modelado y

simulación. Algunos de los más comunes son los siguientes (el orden es alfabético y por lo tanto no debe ser interpretado como un reflejo de la importancia): 1. Educación y formación 2. diseño de ingeniería 3. Evaluación de alternativas de decisión o acción 4. Las estrategias de evaluación para la transformación o cambio 5. Predicción 6. La evaluación del desempeño 7. Prototipos y concepto de evaluación 8. La evaluación de riesgos / seguridad 9. El análisis de sensibilidad 10. El apoyo a las decisiones de adquisición / contratación Se señaló anteriormente que los objetivos de un proyecto de simulación tienen un gran impacto en la naturaleza del modelo que evoluciona. Sin embargo, también es importante observar que los mismos objetivos pueden ser limitados por restricciones

¿Por qué simulación de sistemas Mecatrónicos? Los diseños de sistemas mecatrónicos son complejos por naturaleza, y son cada día más complejos. Dado que el número de componentes periféricos del sistema crece para dar cabida a demandas cada vez mayores para la funcionalidad y el rendimiento de los usuarios, el diseño del sistema debe integrar hardware analógico y digital, así como el software que los controla. Un diseño de sistemas mecatrónicos requiere un enfoque de modelado y simulación integrado donde todo el sistema debe ser diseñado en conjunto para cumplir con las especificaciones de rendimiento deseados. El primer nivel de modelado se llama un modelo conceptual.