工程认识(控制系统认识)教案

工程认识（控制系统认识）教案授课学期：2005-2006度第二学期授课学时：8小时工业工程认识教学部教学题目工程认识课程一控制系统认识教学时间8小时性质讲授、讨论、参观及操作教学目的和要求1﹑了解自动控制系统的一般概念2﹑了解自动控制系统的基本组成3﹑了解常用控制方式及应用主要内容简介1﹑自动控制系统:不需要人的直接参与，通过控制装置代替人的控制作用，使被控对象按照预先确定的理想规律运动，以达到控制目标的要求。2﹑自动控制系统的基本组成一般包含:控制器，驱动装置、执行器及传感器。3﹑常用控制方式及应用。(I)机电控制系统.应用举例:如装配流水线、包裹翻转机、升降台、观光电梯等。()液压控制系统。应用举例:如自卸载重汽车、消防车、联合收割机等。(3)气压控制系统.应用举例:如气动机器人等。教学知识点1﹑控制系统的组成2﹑控制系统的应用现代化手段多媒体教学控制系统认识教案第一次课(4学时)一﹑绪论(0.5学时)1﹑教学内容与学时分配第一次课(1)绪论(0.5学时)(2)控制系统介绍(2学时)(3)控制系统典型应用及演示(1.5学时)第二次课(4)慧鱼机器人组装及液压综合实验台操作(3.5学时)(5)课后总结及布置作业(0.5学时)2﹑课程目的通过讲解﹑观察及实际动手操作,可以在本环节的学习中,初步掌握控制系统的基本组成,了解控制方法及在各个领域中作用,为其将来的工作和学习奠定一个良好的基础.3﹑工程链:按产品的全寿命周期有如下环节研究设计制造运行管理报废回收本环节内容处于运行环节,当然在设计环节也要首先考虑.二﹑控制系统介绍(2学时)在现代的工业﹑农业﹑国防和科学技术领域中,自动控制技术得到了广泛的应用,不仅保证了安全,提高了劳动生产率和产品质量,改善了劳动条件,而且在人类利用自然﹑探索新能源,发展空间技术和改善人民物质生活等方面都起着极为重要的作用.例如在生产和生活中的例子举不胜举.在空间技术方面，导弹能够正确地命中目标，人造卫星能按照预定的轨道运行并返回地面，都是不用人的直接参与(不用人来驾驶)，而能控制其运行的方向和速度，使其物理量按照事先的规定变化。在城市交通方面，随着计算机的应用,采用按时间控制的交通管制系统在我国各大城市中已很普遍。但是由于近几年来城市运输车辆的增加，势必要求提高对交通的管制，对等待通行信号的汽车数量进行不断的测量，并将这种信号传递到发出运行信号的控制中心计算机，由中心计算机根据所有道路的综合情况，发出最佳的控制信息，则这种系统就变成了更高阶段的智能交通自动控制系统.在日常生活中，橱房中的电冰箱是一个典型的自动控制系统，它不需要人的直接参与(不用人去频繁地开关电源)，能自动控制温度这个物理量按照指定温度变化(通过通断电源来保持温度的恒定).厕所中的水箱也是一个自动控制系统，不用人开关阀门，控制水箱内的水位就能按照指定的规律变化(通过开关进水阀门来保持水位的恒定).从以上例子中，我们可以看出它们有共同的控制规律构成了控制系统.1﹑基本概念自动控制自动控制:是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称为控制装置或控制器)，使被控对象的受控量按照预定的规律运行.给定值控制装置被控对象输出量自动控制示意图自动控制有两种基本的控制方法:开环控制和闭环控制，对!应与这两种控制方法的系统分别为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统开环控制系统是指系统的输出量对控制作用没有影响的系统，也就是说，在开环控制系统，既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到系统的输入端与输入量进行比较.或者说,控制装置与被控对象之间只有顺向作用，而没有逆向联系。例如，洗衣机就是开环控制系统的一个实例，在洗衣机中，浸湿、洗涤和漂清过程都是按照一种时间顺序进行的，洗衣机不必对输出信号，即衣服的清洁程度进行测量。给定值被控量开环控制系统闭环控制系统闭环控制系统,是指能对输出量与参考输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定关系的系统。在闭环控制系统中，控制装置与被控对象之间不仅有顺向作用，而还有逆向联系。作为输入信号与反馈信号之间的误差信号被传送到控制装置，以便减小误差，并且使系统的输出达到期望值。控制装置被控对象给定值被控量闭环控制系统常用术语自动控制系统:不需要人的直接参与，通过控制装置代替人的控制作用，使被控对象按照预先确定的理想规律运动或变化，以达到控制目标的要求。系统:由一些相互联系和相互制约的环节组成并具有特定功能的整体。系统有人们预定的输入量和输出量。控制装置:是指对被控对象起控制作用的设备总体。可以取代人的一部分工作。被控对象:是指要求实现自动控制的机器、设备或生产过程。那么在控制系统中，怎样实现信息变换和传递呢?2﹑控制系统的组成(典型控制系统一工业机器人演示)从上述各种控制系统的示例中可以看到，尽管控制系统由不同的元件组成，系统的功能也不一样，但相同的工作原理决定了它们必然具有类似的组成结构。控制装置被控对象测量装置给定值被控量控制系统流程图看完演示后我们看看如何用控制系统流程图来解释货物搬运机器人的工作过程。首先，我们向控制装置输入要搬运货物的给定值(大小、重量等)，然后控制装置按照预先编好的程序通过驱动装置让执行机构(机械手)到指定位置搬运货物。那么机械手是如何知道什么时候到达指定位置?什么时候知道夹紧货物或卸下货物呢?就是通过传感器为控制装置提供反馈信息，来确认机械手的具体位置及工作状态。我们刚才了解了典型控制系统应用的一个完整工作流程，下面让我们再来了解一下其各个组成部分.(I)输入信息:根据每次工作任务的要求输入相应数据。例如:对于搬运货物机器人每次搬运货物的大小输入相应数据.(2)控制装置:这部分将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。其在控制系统中的作用就好比人的大脑.(3)驱动装置:在控制信息作用下提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。其中的驱动部分又分为液压驱动、气动驱动及电动驱动三部分。例如:搬运货物机器人用的是电动驱动。要点:低速重负载时可选用液压驱动控制装置驱动装置执行机构传感器中等负载时可选用电动驱动轻负载、高速时可选用气动驱动通过以上的例子大家可以发现种驱动方式的特点。液压驱动:承重能力最大，速度最慢。气动驱动:承重能力最小，速度最快。电动驱动:承重能力介于液压及气动驱动之间。(4)执行机构:根据控制信息和指令，完成要求的动作。例如:搬运货物机器人的机械手。(5)传感器:检测中首先感受被测量，并将它转换成与被测量有确定关系的电量的器件叫传感器，它是检测和控制系统中最关键的部分.其在控制系统中的作用相当于人的五官.由于控制系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度等)需要控制和监测，而计算机系统又只能识别电量，因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为控制系统中不可缺少的组成部分。传感器是控制系统中直接作用于被测量的器件，通过它将被测量变换成与其有确定对应关系的电量.被测非电量电量传感器的组成方框图传感器的分类很多，在本环节应用的有:限位开关行程开关控制按钮敏感元件传感元件辅助电源压力传感器电感式接近开关单向光传感器反射光传感器3﹑控制系统的应用通过上面的学习我们了解了控制系统的组成.那么有了控制系统之后人类的生活会有那些改变呢?关于这个问题我们就看看控制系统的应用。例如:在没有自动化流水线之前，凭手工生产一辆汽车大概要l周左右的时间，而采用先进自动化生产线生产一辆汽车只需要几分钟的时间。除了汽车生产线，控制技术在生活中也有很多的应用。如刚上课时提到的电冰箱、水箱，还有电梯、各种自动化工业平台以及机器人等等。下面给大家介绍下教室内的各种演示模型的功能及工作过程。工业模型(1)装配流水线:该模型模拟了一个自动化装配流水线的生产过程。(2)自动升降台:该模型模拟了在包装流水线中一个间断工作的升降台供料系统。(3)包裹翻转机:该模型模拟了一个用于自动翻转包裹的处理装置一一包裹翻转机的工作原理。在邮政系统内，包裹翻转机将待处理包裹的标识面(包裹单)全部翻转至统一方向，以便于对包裹进行自动分检。(4)三自由度机械手:把货物从A位置搬运到B位置.(6)液压综合实验台:该实验台模拟了一个液压控制装置的工作过程.三、控制系统典型应用模型的演示及操作(1.5学时)1﹑以课件介绍工业模型正确操作方法.2﹑布置思考问题:(1)每个模型如何实现自动控制？(2)模型中采用哪些驱动方式?3﹑对学生分组(两组):第一组学生首先观看工业模型.第二组学生观看液压综合实验台，然后对换。4﹑师生互动，解答以上问题解答思考问题:((1)每个模型如何实现自动控制?装配流水线:按动左侧第一按钮，传送带开始工作，位于接收台上的红色指示灯开始闪烁，预装产品被运至1#工作台时自动停止，黄色指示灯发光，表示装配正在进行，灯灭表示本工位装配结束，产品送回传送带送至下一个工位。升降台:首先，满载的货拒通过重力传送带到扶可动的屐带传华柜送带上，接着，履带传送带上升至上部终端位置，与固定位置传送带水平，此时，两个传送带同时向前转动，把货柜送到预定位置并停留一定时间用以卸货;随后，两个传送带同时向后转动，空货拒到达可动传送带上后，并下降至下部终端，传送带再次向前转动将空货柜送至指定地点。观光电梯:通过按动楼面按钮或轿箱内楼层按钮，电梯将按照控制指令进行运动，到达指定楼层后，该楼层限位开关向PLC发出信号，电梯停止并自动打开轿箱门，延时时间一到，自动关闭轿箱门，执行下一个指令。在联动控制方式下，两部电梯会识别并判断那部电梯轿箱距离目的楼层近，然后，发出指令该部电梯开始工作;如果两个轿箱距目的楼层的距离相同.则让1#(左侧)电梯工作。(2)模型中采用哪些驱动方式:电动驱动、液压驱动5﹑前4学时教学小结:通过今天的学习，我们对控制系统有了一定地了解，并且学会了观察，培养了动手动脑的能力，对今后学习和工作的帮助是非常大的。6﹑布置作业(1)总结课上所学内容，查阅控制系统资料补充及丰富课上内容。(2)(选做)通过观察普通车床模型，结合课上所学内容对其进行合理改造。把其改造成数控车床。(只需拿出设计方案即可，最好配结构图。)第二次课(4学时)四、慧鱼机器人组装及液压综合实验台操作(3.5学时)1﹑机器人是控制系统的典型应用，机器人是我校强项。我校有一名院士研究水下机器人，我校学生对机器人的热情也很高，有很多学生参加各种机器人比赛并取得了不错的成绩。今天就让大家实际从零开始组装机器人，通过组装机器人来对控制系统有个更深层次的了解同时激发你们的学习兴趣。2﹑慧鱼机器人组装2.1机器人分组:实验机器人第十五种电磁铁搬运机工业机器人第一种自动搬运机移动机器人车类第三种自动避障机器人气动机器人最后一种自动冲压中心2.2注意事项:实验机器人E5一EaEx，EY不联接气动机器人气泵图在第6页移动机器人Poweronreset红色导线盒不联接口电路板不可带电插拔数据线2.3查件(发现缺件损坏件及时上报老师)2.4机器人主体组装(吝组同学要注意团队合作，要做之前统筹安排).2.5连接电路板2.6通过电脑对机器人进行调试2.7调试成功后，拆件2.8写工具箱使用情况表注:机器人调试成功后，各个组的同学要共同研究所做机器人是如何实现自动控制的。如时间及能力允许，可对所做机器人做适当改进和创新。3.液压平台操作3.1操作液压综合实验台3.1.1了解实验台所拼接的回路3.1.2回路的特点3.1.3液压系统的组成3.1.4实验台上各种控制阀的作用3.2操作各种液压设备3.2.1液压弯管机3.2.2千斤顶3.2.3液压拉子3.2.4液压电工钳(以上是液压工具)3.2.5液压综合实聆合五、课后总结及布置作业〔0.5学时〕1﹑总结课上所学知识点并对所学内容系统穿线2、布置作业〔1〕任选一种教室内现有控制系统应用模型(包括实际组装的机器人)，说出其控制系统的各个组成部分，并说出其工作流程。(2))对所选模型进行适当改进及创新，使其设计