Górnośląskie Centrum Obliczeń Naukowych i Inżynierskich

Gwałtowny rozwój takich dziedzin, jak mechatronika, elektronika, układy optyczne i biotechnologia, wymusił stosowanie precyzyjnego pozycjonowania w zakresie od kilku do kilkunastu mikrometrów i dokładności rzędu kilku nanometrów. Urządzeniami, które pozwalają na uzyskanie takiej precyzji i dokładności są mikro-siłowniki piezoelektryczne, które pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego ulegają odkształceniom.

Oprócz możliwości precyzyjnego pozycjonowania, mikro-siłowniki piezoelektryczne zapewniają dużą szybkość działania, nie wymagają smarowania, są trwałe i nie wytwarzają pola magnetycznego. Z drugiej strony, konieczne jest stosowania wysokich napięć, a zakres w jakim przesuwa się ruchoma część mikro-siłownika jest niewielki. Ponadto, elementy piezoceramiczne charakteryzują się występowaniem histerezy. Pomimo tych wad, zakres zastosowań mikro-siłowników piezoelektrycznych jest bardzo szeroki. Stąd, wzrasta zapotrzebowanie na inżynierów specjalizujących się w problemach mikro-pozycjonowania i ogólnie, mikro-urządzeń. Zagadnienia te nie mogą być pominięte w programach kształcenia dla inżynierów specjalizujących się w układach sterowania i regulacji. W literaturze można znaleźć prace, w których dyskutuje się nad metodami kształcenia przyszłych inżynierów w tych dziedzinach. Jednakże, większość tych prac dotyczy studentów z kierunków związanych z mechaniką, dlatego brakuje opracowanej metodyki nauczania dla studentów z kierunku automatyka i robotyka, specjalizujących się w projektowaniu układów regulacji dla systemów biotechnologicznych. Oprócz zagadnień teoretycznych, w większości z tych prac szczególny nacisk kładzie się na zagadnienia praktyczne, tj. zajęcia laboratoryjne, które są nieodłącznym elementem kształcenia inżynierów różnych specjalności. W celu zaprojektowania precyzyjnego układu mikro-pozycjonowania konieczne jest także, aby pokazać, jakimi metodami można mierzyć położenie w zakresie kilku mikrometrów. Ma to na celu pokazanie studentom podstawowych różnic przy stosowaniu różnych metod precyzyjnego pomiaru położenia, co także nie jest poruszane w literaturze. Ponadto, z punktu widzenia teorii sterowania, mikro-siłowniki piezoelektryczne są interesującymi nieliniowymi obiektami. Stąd, wydaje się sensowne zapoznanie studentów z technikami modelowania histerezy (np. model histerezy Preisacha) i wykorzystania tych modeli w projektowaniu układów regulacji. Zagadnienia te także nie są poruszane w literaturze i najczęściej omawia się klasyczne algorytmy regulacji.

Celem ekspertyzy jest opracowanie metodyki nauczania projektowania wyspecjalizowanych układów mikro-pozycjonowania dla studentów z kierunku automatyka i robotyka, specjalizujących się w sterowaniu systemami biotechnologicznymi. Pomiar położenia będzie realizowany dwoma różnymi metodami: za pomocą tensometru (stykowo) oraz optycznie (bezstykowo) przy użyciu kamery mikroskopowej. Dzięki takiemu rozwiązaniu studenci będą mieli okazję porównać efektywność działania tych samych algorytmów regulacji, dla różnych metod pomiaru położenia. Ponadto, dzięki zastosowaniu metod modelowania histerezy, będzie istniała możliwość porównania czterech podstawowych struktur układów pozycjonowania: układ otwarty z i bez kompensacji histerezy, układ zamknięty z regulatorem typu PI oraz układ zamknięto-otwarty z regulatorem typu PI i kompensacją histerezy. Implementowane algorytmy regulacji będą realizowane przy użyciu rzeczywistych mikro-siłowników piezoelektrycznych. Uzyskane wyniki mają być opublikowane w czasopiśmie indeksowanym w JCR, znajdującego się na ministerialnej liście A.