Устройство и принципы построения электромеханотронных систем. Виды и области применения
Определение и предмет механотроники как области науки. Классификация и основные элементы, входящие в состав мехатронных систем. Анализ функциональной блок-схемы структуры мехатронной системы. Особенности организации управления мехатронными системами.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 15.10.2015 |
| Размер файла | 2,4 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Реферат
Тема: Устройство и принципы построения электромеханотронных систем. Виды и области применения
Содержание
- 1. Определение и предмет Механотроники
- 2. Структура мехатронных систем
- 3. Классификация мехатронных систем
- 4. Системы управления мехатронных систем
1. Определение и предмет механотроники
Понятие «система» употребляется в различном контексте и является распространенным понятием в различных областях науки. Здесь под системой понимается совокупность связанных между собой определенным образом составляющих, способных совместно выполнять определенные действия, в результате которых перемещаются, запасаются материя, энергия, информация. Иногда составные части системы имеют различную природу, например, электрическую, химическую, механическую или биологическую.
Например, в компьютерах в качестве внешней памяти используются накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) - винчестеры. НЖМД представляют техническую систему, состоящую из совокупности элементов разной природы, а именно:
- диска из сплавов алюминия или керамики, покрытого ферролаком;
- блока магнитных головок;
- электродвигателей для вращения диска и управления головками;
- электронного блока управления (контроллера).
В данной системе происходит преобразование энергии и информации. Действительно, электрическая энергия преобразуется в механическую, что приводит к движению диска и головок, наряду с этим для осуществления этих движений одновременно идет передача и преобразование информации. Эта система позволяет хранить, записывать и считывать информацию. Можно снимать и тепловую энергию, так как при работе корпус НЖМД нагревается.
Согласно японским прогнозам, в будущем почти все машины, аппараты будут мехатронизированы, «мехатронные устройства станут предметом широкого спроса, обычным инструментом, которыми будут пользоваться люди в своей деятельности». Область науки, занимающаяся созданием, эксплуатацией машин с компьютерным управлением - мехатронных систем получила название «Мехатроника». Предмет Мехатроники можно сформулировать следующим образом: Мехатроника изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, систем, машин u комплексов машин с интеллектуальным управлением их функциональными движениями.
2. Структура мехатронных систем
Функционально в состав мехатронных систем (МС) входят следующие основные элементы:
- исполнительный механизм с выходным звеном-рабочим органом;
- исполнительные устройства;
- аппаратные и программные средства системы управления;
- информационно-измерительная система;
- коммуникационная система.
Каждый из этих составных элементов МС будет более подробно описана в дальнейшем. Здесь укажем лишь на взаимосвязь элементов МС и их место в выполнении мехатронной системой своего функционального назначения.
На рисунке 1 показана функциональная блок-схема структуры МС. Для сопряжения элементов в систему включены интерфейсные устройства (ИI-И7). Под интерфейсом понимаются специальные вспомогательные схемы и устройства. Основное назначение интерфейса - это решение проблем стыковки, совместимости, т.е. чтобы элементы системы, имеющие иногда разную природу, «понимали» друг друга.
устройство электромеханотронный система
Рисунок 1. Блок-схема структуры мехатронной системы
Интерфейс Иl представляет человеко-машинный интерфейс (интерфейс пользователя), если МС управляется человеком - оператором. Основное назначение этого интерфейса - обеспечить связь между оператором (пользователем) и мехатронной системой. Если ранее назначение интерфейса пользователя заключалось в эффективном использовании МС, то сейчас добавилось требование создание удобства для пользователя. В этой связи появилась эргономика. Эргономика - это междисциплинарная наука, объединяющая знания в области физики, физиологии и психологии. В качестве примера оборудования для интерфейса Иl можно указать на монитор и клавиатуру, щиты управления, пульты и рукоятки дистанционного управления и т.д.
Аппаратные и программные средства систем управления на блок-схеме представлены в едином блоке как управляющий комплекс (УК).
Управляющий комплекс обрабатывает информацию, при этом он выполняет следующие основные функции: управляет информационным потоком; контролирует, находятся ли параметры МС в заданных пределах; инициирует соответствующие управляющие воздействия. Особенность компьютерного управления заключается в том, что оно происходит в реальном масштабе времени. УК без запаздывания должен реагировать на внешние события, т.е. на изменение внешней среды и других возмущающих факторов. УК должен параллельно обрабатывать различные сигналы и вести обработку информации, ждать информации извне от человека-оператора или сенсорных датчиков. Совершенство МС во многом определяется возможностями УК.
Интерфейс И2 служит для формирования на основе цифровых выходных сигналов УК управляющих электрических напряжений и токов для исполнения двигателем привода мехатронного модуля движения, адекватного управляющему воздействию. В состав И2 обычно входят цифро-аналоговые преобразователи, усилительно-преобразующие устройства для привода. Например, частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно изменять путем регулирования частоты включения и отключения якоря от источника питания. Для этой цели используются транзисторные и тиристорные ключи и схема управления привода. При передаче информации часто используется вначале цифровая фильтрация и после ЦА преобразования производится аналоговая фильтрация и согласование сигналов.
Исполнительное устройство (ИУ) представляет устройство, выполняющее двигательные функции. В качестве исполнительных устройств применяются электродвигатели, пневмо и гидродвигатели или комбинированные двигатели, выполняющие вращательные и линейные перемещения.
Интерфейс И3 составляют обычно механические передачи, трансмиссионные узлы и устройства. Этот интерфейс предназначен для передачи и преобразования движения от ИУ к входному звену исполнительного механизма. В качестве И3 можно рассматривать, например, редукторы, соединительные муфты, тормозные устройства и т.д. Совокупность ИУ и И3 называют приводом. Управляемый привод или мехатронный модуль движения (ММД) состоит, как правило, из И2,ИУ и И3.
Исполнительный механизм (ИМ) - это механическая система, предназначенная для выполнения своим рабочим органом заданных движений. В зависимости от конкретного приложения исполнительные механизмы могут существенно различаться как по конструктивным особенностям, так и по потребляемой мощности и различным эксплуатационным характеристикам. Если исполнительный механизм манипуляционного робота представляет многозвенный манипулятор с рабочим органом, имеющим шесть управляемых степеней свободы, то бинарные звенья, например, клапан, электромеханическое реле относятся к двухпозиционным механизмам. В электрогидравлических системах в качестве ИМ используются управляющие электромагниты. В зависимости от конструктивной схемы подвижный элемент якорь может совершать поступательное или вращательное движение. Якорь является и выходным звеном, связанным с регулирующим элементом гидроклапаном, золотником, дросселем и т.д.
На рисунке 1. показаны интерфейсы датчиков И4, И5 и И6. Датчики выполняют преобразование измеряемого входного физического параметра в электрический сигнал. Датчики- это чувствительные элементы (сенсоры) и преобразователи, которые несут информацию о состоянии приводов, рабочего органа, внешней среды. Примером электромеханического датчика является акселерометр. Чувствительным элементом этого датчика является инерционная масса, связанная с основанием прибора с помощью пружины. Под действием ускорения чувствительный элемент перемещается, это перемещение преобразуется в определенные электрические сигналы. Тем самым измеряется ускорение.
Различают три класса датчиков:
- аналоговые датчики, вырабатывающие аналоговые сигналы:
- цифровые датчики, генерирующие последовательность дискретных сигналов;
- бинарные датчики, выходными сигналами которых являются сигналы лишь двух уровней: «включено»/ «выключено» (0/1).
В качестве И7 может использоваться система технического зрения. В том случае, если интерфейс И4, И5,И6 включает аналоговый датчик, то перед входом на УКУ ставится интерфейс И7. Интерфейс И7 представляет аналогово-цифровой преобразователь. Необходимость в таком интерфейсе вызвана тем, что перед поступлением в компьютер все аналоговые сигналы должны быть преобразованы в цифровые.
Интерфейсы И4, И5,И6, И7 представляют в совокупности информационно-измерительную систему.
Укрупненную структуру МС можно представить состоящей из следующих компонент:
- исполнительной системы, состоящей из привода, механического преобразователя движения и исполнительного механизма (органа);
- управляющей системы, включающей УК, информационно-измерительную систему и систему коммуникаций.
3. Классификация мехатронных систем
Для роботов, являющихся примером мехатронных систем, в технической литературе приведено множество классификаций по различным признакам. Существуют, например, классификации по технологическим возможностям, по назначению, по системе управления, приводам и т.д.
Основываясь на классификации роботов, предложенных Е.П. Поповым, МС можно разделить по СУ и участию человека в управлении на следующие типы: автоматические, биотехнические, интерактивные (таблица 1.). Каждый из типов МС подразделяется на разновидности.
Таблица 1
|
Типы |
Разновидности |
|
|
Автоматические |
1. Программные; 2. Адаптивные; 3. Интеллектуальные; 4. Нейросетевые. |
|
|
Биотeхнические |
1. Командные; 2. Копирующие; 3. Полуавтоматические. |
|
|
Интерактивные |
1. Автоматизированные; 2. Супервизорные; 3. Диалоговые |
Автоматические типы МС отличаются тем, что в их работе не участвует оператор. Относящиеся к этому типу программные МС работают по жесткой программе. Адаптивные МС имеют блок сенсорных датчиков. Здесь УК может функционировать в изменяющейся обстановке с адаптацией к ней. Интеллектуальные МС обладают элементами искусственного интеллекта, они имеют развитую систему сенсорных датчиков, быстродействующий УК, могут воспринимать и распознавать обстановку, строить модель среды, автоматически принимать решение о своих дальнейших действиях, работать, реагируя на изменение внешней среды, самообучаться путем накопления опыта и анализа своих действий. МС с нейросетевым управлением имеют обучаемые нейросети или управляются от нейрокомпьютеров.
В управлении биотехническим типом МС непосредственно участвует человек- оператор. Этот тип МС имеет развитую систему человеко-машинного интерфейса. В командно- управляемой МС оператор дистанционно, с пульта управления, управляет работой ИУ. Эта МС не имеет УК и блока сенсорных датчиков. Имеющиеся датчики предназначены в основном для предохранения нежелательных действий, предупреждения оператора о наступлении тех или иных действий. Электронная система управления в этом случае включает усилительно-преобразующее устройство, пульт управления и т.д. Копирующие биотехнические МС имеют характерное задающее устройство. Когда оператор перемещает задающее устройство, то исполнительные устройства, непосредственно связанные с задающим устройством, копируют перемещение задающего устройства. В системе управления полуавтоматически управляемого биотехнические МС участвуют одновременно оператор и УК. В этом случае задача УК состоит в том, чтобы сформировать воздействующие сигналы на ИУ в зависимости от команд, поступивших от оператора. Так как решение о выполнении того или иного действия исходит непосредственно от оператора, то система управления в этом случае не содержит развитую систему УК и сенсорных датчиков.
Автоматизированные МС интерактивного типа имеют систему управления, которая в зависимости от выполняемой операции может изменять режимы работы, функционируя как в качестве автоматического, так и биотехнического МС. Интерактивные МС с супервизорным управлением имеют возможность выполнять цикл операций в автоматическом режиме, однако переход от одной операции к другой производится по команде оператора через человеко-машинный интерфейс. МС с диалоговым управлением имеют развитую систему человеко-машинного интерфейса. Оператор и УК совместно принимают решение по управлению МС. Взаимодействие оператора с УК может осуществляться не только подачей команд на специализированном языке, но и подачей команд голосом с получением ответного сообщения от УК. МС этого типа имеет совершенную систему управления, где УК участвует в формулировке задач по достижению поставленной цели.
По классификации, приведенной в работе, также как и роботы, МС можно разбить на 4 поколения. К первому поколению относятся МС, работающие только по одной программе, циклически повторяя движение. Система управления не имеет обратной связи, является самой простой и дешевой. Ко второму поколению МС, имеющие СУ с обратной связью. В памяти таких СУ имеется несколько программ, эти МС могут переходить от одной программы к другой. К третьему поколению относятся МС, способные к обучению. В СУ этих МС включена микро ЭВМ, имеется более совершенная информационно-измерительная система. Четвертое поколение представляют МС с искусственным интеллектом.
В литературе встречается и подразделение МС по степени мехатронизации. При этом, чем больше функциональные возможности МС зависят от электронной аппаратуры, тем больше считается его степень мехатронизации.
4. Системы управления мехатронных систем
Для решения задач управления используются аналитико программные обеспечения СУ, представляющие инструментальные (алгоритмы и программы) средства, а также аппаратные средства, включающие И2, УК, информационно-измерительную и коммуникационную систему. Таким образом, СУ представляет сложную систему, объединяющую различные модули разной природы, подчиненные единой цели - решению задача управления.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Определение понятия электропривода, классификация и типы двигателей мехатронных систем. Мотор-редукторы: коллекторные двигатели постоянного тока. Устройство электродвигателя и принцип его работы, область его использования. Расчёт ленточного конвейера.
курсовая работа [707,9 K], добавлен 04.04.2012Основные понятия, цели и принципы автоматического управления. Датчики, усилители, стабилизаторы, реле, распределители, двигатели, генераторы импульсов, логические элементы. Измерительные элементы систем автоматики. Принципы построения систем телемеханики.
реферат [583,3 K], добавлен 27.01.2013Волоконно-оптические линии связи как понятие, их физические и технические особенности. Основные составляющие элементы оптоволокна и его виды. Области применения и классификация волоконно-оптических кабелей, электронные компоненты систем оптической связи.
реферат [836,9 K], добавлен 16.01.2011Принципы построения и работы терагерцовых систем радиовидения. Основные области применения тепловизоров. Активная и пассивные системы тепловидения. Оптическая схема сканирования и фокусировки теплового изображения и исследование условий его получения.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 15.06.2012Принципы деления электромашин. Особенности электрических машин малой мощности. Виды ЭМММ, их функциональное назначение и основные области применения. Классификация и функциональное назначение и режимы работы шаговых двигателей, области их применения.
реферат [2,6 M], добавлен 08.07.2009Составление альбома главных принципиальных технологических схем АЭС и ее вспомогательных систем. Устройство, состав оборудования и элементы двух типов атомных реакторов: ВВЭР-1000 и РБМК-1000. Характеристика технологического режима работы системы.
методичка [2,3 M], добавлен 10.09.2013Проблема комплексной автоматизации. Структуры автоматизированной системы управления ТЭС. Анализ и выбор современных средств управления и обработки информации. Разработка функциональной схемы системы управления за параметрами. Управления расходом воды.
курсовая работа [424,9 K], добавлен 27.06.2013Виды систем горячего водоснабжения. Устройство внутренних водостоков. Классификация схем систем центрального горячего водоснабжения. Расчет внутренней водосточной сети. Принцип действия водяной системы отопления с естественной циркуляцией теплоносителя.
контрольная работа [376,7 K], добавлен 14.12.2011Элементы и принципы функционирования систем отопления и горячего водоснабжения. Принцип работы теплосчетчика. Регуляторы давления прямого действия. Устройство тепловых пунктов. Регуляторы перепада давлений, работающие без постороннего источника энергии.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 14.01.2015Измерение давления и температуры различных сред, области его применения. Разработка функциональной схемы автоматического контроля и управления паровым котлом. Обоснование выбора приборов и аппаратуры. Описание правил монтажа дифманометра и диафрагмы.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 30.12.2014
