Урок 11-12 Понятие о системах автоматического управления. Робототехника

Системы автоматического управления

Система автоматического управления (САУ) — это комплекс средств микропроцессорной и вычислительной техники, осуществляющей автоматическое управление оборудованием какого-либо технологического процесса (без участия производственного персонала).

Система автоматического управления, как правило, состоит из двух основных элементов: объекта управления и управляющего устройства.

Системы автоматического управления классифицируют по следующим признакам.

1. По цели управления различают:

а) системы автоматического регулирования (САР):

— системы автоматической стабилизации поддерживают на постоянном уровне определённый выходной параметр (например, постоянную температуру в холодильнике);

— системы программного регулирования следят за тем, чтобы выходной параметр изменялся по заданному программному закону (например, цвета светофора менялись через определённое время);

— следящие системы срабатывают только тогда, когда это необходимо (например, шлюзы водоёма открываются и выпускают воду тогда, когда уровень воды достигает критического уровня в сезон дождей);

б) системы экстремального регулирования (СЭР), которые реагируют на минимальное пли максимальное значение какого-то критерия (например, если в квартире одновременно включают микроволновую печь, тостер и электрический чайник, то электричество автоматически отключается);

в) адаптивные системы автоматического регулирования (ACAP) обеспечивают спокойное функционирование системы при изменении внешних воздействий в широких пределах (например, автопилот самолета удерживает заданный курс при изменении погодных условий за бортом самолёта).

2. По виду информации в управляющем устройстве различают:

— замкнутые САУ, в которых управляющее воздействие зависит от характера сигнала обратной связи;

— разомкнутые САУ, не имеющие обратной связи и не реагирующие на качество получаемого результата (например, автоматическая система полива газона или таймер).

Примерами объектов, имеющих системы автоматического управления, являются автоматы (торговые, музыкальные, игровые), телевизоры, стиральные и посудомоечные машины, телефоны, автомобили и др.

Робототехника

Развитие автоматизации привело к созданию в XX в. робототехники.

Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства.

Робототехника опирается на такие дисциплины, как механика, информатика, электротехника, электроника и др. Существует робототехника промышленная, строительная, космическая, авиационная, военная, подводная, бытовая и др. Главным объектом робототехники является робот — автоматическая машина.

Различают два основных класса роботов.

Манипуляционные роботы — автоматические машины, корпус которых жестко прикреплен к полу, стене или потолку цеха, для работы чаще всего в машиностроительном или приборостроительном производстве. Они имеют исполнительные устройства — манипуляторы (конечности), способные перемещаться в нескольких направлениях, и устройство программного управления, которое управляет роботом.

Мобильные роботы — автоматические машины, которые могут перемещаться по поверхности. Такие роботы (имеющие автоматически управляемые приводы) могут быть колёсными, гусеничными, шагающими, ползающими, плавающими и летающими. Первым восьмиколесным автоматическим планетоходом, передвигавшимся по поверхности Луны, было устройство «Луноход-1», сделанное в нашей стране и доставленное на Луну в 1970 г. (рис. 17).

Рис. 17. «Луноход-І»

C момента возникновения робототехники учёные пытаются создать робота, похожего на человека, робота-андроида. Оказалось, что робот, шагающий на двух «ногах» (скорость ходьбы до 2,7 км/ч, время работы 1 ч), с трудом может сохранять равновесие. Тем не менее сейчас уже созданы экспериментальные образцы роботов, способных не только идти по ровной поверхности, но и подниматься по лестнице (рис. 18).

Рис. 18. Робот-андроид

Промышленные роботы применяются на крупных предприятиях для перемещения предметов производства и выполнения технологических операций: сварки, сверления, шлифования, полировки, окраски, сборки и др. (рис. 19). Промышленный робот имеет один или несколько манипуляторов, совершающих поступательное и вращательное движения и способных удерживать рабочие инструменты.

Рис. 19. Промышленный робот

Применение роботов в промышленном производстве имеет ряд преимуществ: они могут работать круглые сутки без остановок; выполняют технологические операции с высокой точностью; работают в помещениях, загрязнённых вредными веществами, где человеку находиться опасно; обеспечивают высокое качество продукции и т. д.

Транспортные роботы служат для транспортировки грузов и загрузки оборудования в автоматизированном производстве.

Бытовые роботы предназначены для помощи человеку в повседневной жизни. Сейчас такие роботы ещё мало распространены, но учёные предполагают их широкое внедрение в будущем. В настоящее время успешно применяются роботы-пылесосы, роботы для очистки бассейнов, роботы-уборщики, роботы для очистки водосточных желобов на крышах домов и др.

Боевые (военные) роботы — это устройства автоматики, заменяющие человека в боевых ситуациях для сохранения человеческой жизни или для работы в условиях, несовместимых с возможностями человека: разведка, боевые действия, разминирование и т. п.

Социальный робот — машина, способная в автономном или полуавтономном режиме взаимодействовать и общаться с людьми в общественных местах или дома. Это роботы — няни и сиделки, помощники инвалидов, дворецкие, учителя и др.

Сельскохозяйственные роботы используются в сельском хозяйстве при обработке земли, поливе, уборке урожая, стрижке овец и др.

Медицинские (хирургические) роботы в последние годы успешно применяются при проведении операций на людях.

Примерами летающих роботов являются активно распространяющиеся в наше время беспилотные летательные аппараты. Плавающие роботы повторяют движения рыб или медуз.

Роботы-игрушки широко производятся промышленностью разных стран и пользуются большой популярностью у детей разных возрастов.

Системы управления роботами

В зависимости от системы управления роботы подразделяют на три типа.

Автоматические роботы:

— программные роботы выполняют действия по жёсткой программе, заложенной в память запоминающего устройства;

— адаптивные роботы имеют сенсорные датчики, сигналы от которых поступают в систему управления, система управления анализирует сигналы и принимает решение о дальнейших действиях робота;

— интеллектуальные роботы (роботы с элементами искусственного интеллекта) способны с помощью сенсорных устройств самостоятельно распознавать обстановку и автоматически принимать решение о дальнейших действиях, а также самообучаться по мере накопления собственного опыта деятельности.

Биотехнические роботы:

— человек-оператор дистанционно задаёт с командного устройства необходимое движение, а робот повторяет или копирует его (рис. 20).

Рис. 20. Гидроманипулятор, управляемый оператором дистанционно

Интерактивные роботы:

— автоматизированные роботы, чередующие автоматические режимы управления с биотехническими;

— супервизорные — роботы, выполняющие автоматически все этапы заданного цикла операций, но осуществляющие переход от одного этапа к другому по команде человека-оператора;

— диалоговые роботы способны взаимодействовать с человеком-оператором, используя язык того или иного уровня (включая подачу текстовых или голосовых команд и ответные сообщения робота).

Программирование работы устройств

Чтобы система управления роботом успешно руководила его действиями, человек закладывает внес специальную программу.

Программирование — это процесс создания н поддержания в рабочем состоянии специальных компьютерных программ — программного обеспечения. Программирование является сложным процессом, куда входит анализ и постановка задачи, проектирование программы, построение алгоритмов, написание текста, отладка и тестирование программы, документирование, настройка, доработка и сопровождение. Утверждают, что программирование сочетает в себе элементы искусства, науки, математики и инженерии.

Программирование основывается на использовании языков программирования, на которых записываются инструкции для компьютера. Язык программирования — это формальная система знаков, предназначенная для записи компьютерных программ.

Знакомимся с профессиями

Программист — специалист, занимающийся проектированием, разработкой, производством программного обеспечения как промышленной продукции, удовлетворяющей заданным функциональным, конструктивным и технологическим требованиям. Результатом его деятельности является программное обеспечение. В связи со значительным распространением в современном обществе вычислительной техники потребность в профессиональных программистах постоянно растёт.

Практическая работа № 6

Ознакомление с автоматизированными и автоматическими устройствами

1. Начертите в рабочей тетради приведённую таблицу и запишите в соответствующую колонку технические устройства, окружающие вас в повседневной жизни (будильник, утюг, микроволновая печь, холодильник, электрическая кофемолка, тостер, газовая или электрическая плита, стиральная машина, посудомоечная машина). Запишите также устройства, не указанные в данном перечне, которые вы наблюдаете на улице, в магазинах и других местах.

Автоматизированные устройства Автоматические Автоматические устройства без обратной связи устройства с обратной связью

2. Исследуйте детские автоматические игрушки с дистанционным управлением (модели автомобилей, подъёмных кранов, вертолётов, самолётов и др.). Начертите в рабочей тетради таблицу и укажите в ней, какие движения могут выполнять эти устройства в целом и отдельные их элементы.

Название модели Поступательное движение Вращательное движение

Запоминаем опорные понятия

Система автоматического управления; робототехника, роботы: манипуляционные, мобильные; робот-андроид; роботы промышленные, транспортные, бытовые, боевые, социальные, сельскохозяйственные, медицинские; роботы автоматические, биотехнические, интерактивные; программирование, язык программирования.

Самостоятельная работа

Работа с информацией.

Ознакомьтесь, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, с видами роботов, не рассмотренными в учебнике. Выясните, для каких целей они созданы человеком, какими способностями обладают. Сохраните информацию в форме описания, схем, фотографий и др.

Проверяем свои знания

1. Для какой цели человек создаёт системы автоматического управления?

2. Что такое робототехника?

3. Перечислите типы роботов в зависимости от их функционального назначения.