Návrh a použití digitálních dvojčat mechatronických systémů

Abstract

Koncept digitálního dvojčete je jedním z nejdiskutovanějších témat v probíhající éře digitalizace průmyslu, která je tažena poptávkou po inovativních řešeních. Diskuse o digitálním dvojčeti se často týká toho, co vlastně představuje a jakou hodnotu může přinést. Cílem této disertační práce je prozkoumat koncept digitálního dvojčete na vývoji Stewartovy plošiny. Účelem digitálního dvojčete je detekovat přetížení aktuátorů a hlídání pracovního prostoru Stewartovy plošiny.

Vývoj Stewartovy plošiny je podpořen nástroji pro virtuální prototypování, zejména pak softwarem Matlab/Simulink, který podporuje multibody simulaci. Stěžejním prvkem fáze návrhu je vytvořený simulační model Stewartovy plošiny. Po verifikačním experimentu, který ověřil jeho dynamické vlastnosti, jej bylo možné opětovně využít jako virtuální entitu digitálního dvojčete. Verifikační experiment byl identifikován jako stěžejní bod ve vývoji digitálního dvojčete. Využití digitálního dvojčete je demonstrováno na dvou aplikačních experimentech označených jako „offline“ a „online“ varianta digitálního dvojčete. Bylo prokázáno, že oba přístupy mohou splnit definovaný účel. I přesto, že byla „online“ varianta označena za technicky složitější, nabízí oproti první variantě značnou výhodu. Umožňuje řídicímu systému okamžitě reagovat na neočekávané působení vnějších sil nebo na změny vlastností systému, které se projeví změnou působících sil. To může mít značný praktický význam, zejména ve scénářích, kde je pracovní prostor Stewartovy plošiny sdílen s lidmi nebo jinými stroji.

Bylo prokázáno, že koncept digitálního dvojčete může rozšířit možnosti mechatronického systému. Dalším poznatkem je, že pokud koncept vezmeme v úvahu již na začátku vývoje zařízení, lze použité metody, nástroje a systémové komponenty synergicky sladit pro účely implementace digitálního dvojčete. Z výsledků dále vyplývá, že klíčovým faktorem pro úspěšnou implementaci digitálního dvojčete je dostatečná věrnost virtuální entity a v určitých případech také její synchronizace s fyzickou entitou v reálném čase. Na základě těchto poznatků byly zformulovány obecná doporučení pro vývoj mechatronických systémů a jejich digitálních dvojčat.

The digital twin concept is one of the most discussed topics in the ongoing era of the digitalisation of industry, driven by the demand for innovative solutions. The discussion about a digital twin often revolves around what it represents and what value it can bring. The goal of the dissertation is to investigate the concept of digital twin in the development and use of the Stewart platform test rig. The defined purpose of the digital twin is to detect overloading and workspace violation of the Stewart platform.

Development of the Stewart platform is supported with the tools for virtual prototyping, especially the Matlab/Simulink software that supports multibody dynamics simulation. The core element of a design phase is a created multibody simulation model. After an experiment that verified its dynamic properties, the simulation model is reused as a virtual entity of the digital twin. The verification experiment was identified as an important milestone in the development of the digital twin. The use of the digital twin is presented in application experiments referred to as the "offline" and "online" digital twin variants. It is demonstrated that both approaches can fulfil the defined purpose. Although the "online" variant was identified as technically more complex, it offers a significant advantage over the first variant. It allows the control system to immediately react to unexpected applied external forces or changes in system properties that manifest themselves in the change of acting forces. This can be of significant practical importance, especially in scenarios where the Stewart platform workspace is shared with humans or other machines.

The digital twin proved its ability to enhance the mechatronic system. Subsequently, if we consider the digital twin concept from the beginning of the development process, the used methods, tools, and system components can be synergically aligned for its implementation. The results also imply that the key factors for successful implementation of the digital twin is sufficient fidelity of the virtual entity and possibly its synchronisation with the physical entity in real-time. Based on these insights the general recommendations for the development of mechatronic systems and its digital twins were formulated.