Автоматическое управление процессами механической обработки

АВТОМАТИЧЕСКОЕ 
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ 
МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Москва
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК
ИНФРА-М
2020

С.М. БРАТАН, Е.А. ЛЕВЧЕНКО, 
Н.И. ПОКИНТЕЛИЦА, А.О. ХАРЧЕНКО

УЧЕБНИК

Севастопольский государственный университет

Братан С.М.
Автоматическое управление процессами механической обработки : учебник / С.М. Братан, Е.А. Левченко, Н.И. Покинтелица, А.О. Харченко. — Москва : Вузовский учебник : ИНФРА-М, 
2020. — 228 с.

ISBN 978-5-9558-0514-6 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-012153-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104959-4 (ИНФРА-М, online)

В книге изложены основы теории и расчета автоматических систем 
управления процессами механической обработки в линейном приближении. Рассмотрены пути повышения эффективности автоматических 
систем управления процессами механической обработки и приведены их 
типовые примеры и задачи.
Книга предназначена в качестве учебника для студентов высших 
учебных заведений, обучающихся по направлениям «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств», «Машиностроение», «Инженерная механика», «Автоматизация технологических 
процессов и производств». В отдельных своих частях книга может представлять интерес для работников промышленности и исследовательских 
учреждений.

Б87

© Вузовский учебник, 2016

Р е ц е н з е н т ы:
С.Л. Леонов, д-р техн. наук, профессор;
С.М. Горбатюк, д-р техн. наук, профессор

УДК 62-1(075.8)
ББК 
30я73
 
Б87

ISBN 978-5-9558-0514-6 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-012153-6 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-104959-4 (ИНФРА-М, online)

УДК 62-1(075.8)
ББК 30я73

ВВЕДЕНИЕ

Проблема управления объектами машиностроения как составной 
части управления технической системой производства в свете научно-технического прогресса из года в год приобретает все большее значение. 
Цель управления — повышение эффективности использования 
продукции и экономичности следящим воздействием на технологический процесс и техническое состояние изделий. Процесс управления направлен на создание, внедрение и применение принципиально 
новой техники и технологии, на реализацию приоритетных и стратегических направлений научно-технического прогресса. Теория управления использует алгоритмы функционирования и на их основе строит алгоритмы управления, определяющие управляющие воздействия 
на объекты (изделия и процессы) с учетом функциональных свойств 
и существующих ограничений.
Алгоритмы функционирования строят проведением функционального анализа с последующей разработкой систем и процессов управления изделиями, технологическими объектами. Поэтому комплекс 
глубоких знаний и определенных навыков в области повышения эффективности обработки и выработки управляющих решений, в особенности совместимым воздействием на технологические объекты 
управления является необходимой составной частью профессиональной подготовки будущих специалистов в области машиностроения.
Учебник посвящен разработке методологического подхода к решению вопросов управления технологическим оборудованием как к виду 
деятельности, который можно исследовать, а его основами овладеть 
в процессе обучения.
Цель учебника состоит в том, чтобы ознакомить будущих специалистов с основами теории и практики управления, методами анализа 
и синтеза на базе математического моделирования технологического 
оборудования как объекта автоматической системы управления.
Приведены учебно-методические и научно-методические разработки авторов, выполненные в Севастопольском государственном 
университете (СевГУ), необходимые для решения задач учебного и научного характера.
Целью изучения дисциплины «Автоматическое управление процессами механической обработки» является формирование у студентов знаний методик расчета, проектирования и синтеза систем автоматического управления (САУ) процессами механической обработки. 
На основе усвоения отобранных теоретических и практических знаний, умений и навыков получить компетенции по моделированию 

и квалифицированному применению на практике средств и методов 
расчета САУ процессами механической обработки.
В результате изучения дисциплины «Автоматическое управление 
процессами механической обработки» студент может получить в соответствии с Порядком организации и осуществления образовательной деятельности по образовательной программе высшего образования: (программа магистратуры, утвержденная приказом Минобрнауки РФ от 21 ноября 2014 г. № 1485) по направлению подготовки 
15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» следующие общепрофессиональные 
(ОПК) и профессиональные (ПК) компетенции:
• ОПК-1 — способность формулировать цели и задачи исследования в области конструкторско-технологической подготовки машиностроительных производств, выявлять приоритеты решения 
задач, выбирать и создавать критерии оценки;
• ПК-3 — способность составлять описания принципов действия 
проектируемых процессов, устройств, средств и систем конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных производств, разрабатывать их эскизные, технические и рабочие 
проекты, проводить технические расчеты по выполняемым проектам, технико-экономическому и функционально-стоимостному анализу эффективности проектируемых машиностроительных 
производств, реализуемых ими технологий изготовления продукции, средствам и системам оснащения, проводить оценку инновационного потенциала выполняемых проектов и их риски.
Учебник также может быть полезен для студентов и аспирантов 
других специальностей, инженерно-технических работников машиностроительных предприятий, научно-исследовательских и проектных организаций.

Раздел 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ  
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1 ТЕхНОЛОгИчЕСкОЕ ОбОРуДОВаНИЕ,

аВТОмаТИчЕСкОЕ уПРаВЛЕНИЕ И РЕгуЛИРОВаНИЕ

Технологическое оборудование может быть представлено в виде 
системы, состоящей из двух частей: объекта управления (ОУ) и автоматического управляющего устройства (АУУ) (рис.1.1).

Рис. 1.1. Представление технологического оборудования  
как системы управления

Применительно к задачам автоматизации производства объектом 
управления называют некую совокупность технических средств, предназначенную для выполнения определенной части производственного процесса.
Автоматическое управляющее устройство осуществляет воздействия 
на объект, направленные на обеспечение требуемого изменения каких-либо физических величин y, характеризующих состояние объекта. 
Эти величины называют «выходными» или управляемыми величинами 
(координатами). Требуемые значения выходных величин в каждый момент времени определяются задающими воздействиями q. Внешние или 
возмущающие воздействия f нарушают нормальный ход производственного процесса и являются причинами отклонений фактического состояния объекта от заданного.
Требуемый закон изменения выходных величин поддерживается 
за счет управляющих воздействий u, которые формируются в автоматическом управляющем устройстве в соответствии с принятым 
алгоритмом (законом) управления. Разработка алгоритмов управления требует определенного объема информации о свойствах объекта, 
о предполагаемом диапазоне изменения возмущающих и задающих 

воздействий. Эту информацию, используемую на стадии проектирования, называют априорной. Информацию о фактическом состоянии 
объекта, о его фактических свойствах, получаемую в процессе функционирования технологического объекта, называют рабочей. Как 
правило, чем меньше объем располагаемой априорной информации, 
тем больший объем рабочей информации нужен для эффективного 
функционирования оборудования.
Алгоритм управления и структура АУУ зависят от сложности 
управляемого объекта и числа управляемых величин. В наиболее 
простых системах, задачей которых является поддержание на заданном (постоянном или изменяющемся во времени) уровне одной 
управляемой величины, АУУ называют регулятором, а процесс автоматического управления — автоматическим регулированием. Таким 
образом, автоматическое регулирование — частный и наиболее простой вариант автоматического управления.
В тех случаях, когда объект управления представляет собой сложную совокупность технических средств, управление им требует использования некоторой совокупности довольно сложных управляющих устройств, которую называют управляющей системой. Управляющая система может быть автоматической и человеко-машинной, 
или автоматизированной.

1.2 классификация автоматических систем

Системы, применяемые для автоматизации производственных процессов, можно разделить на два класса: циклические и ациклические. 
Циклические системы (рис. 1.2, а) выполняют свои функции по 
заранее заданной программе без каких-либо изменений последовательности ее отдельных этапов или режимных параметров, несмотря 
на возможные изменения условий фактического протекания процесса. Примером такой системы может служить привод бесцентрово-шлифовального станка с ЧПУ (рис. 1.2, б).
Эти системы функционируют на основе априорной информации. 
Информация о возмущающих воздействиях и управляемых величинах не используется.
В ациклических системах (рис. 1.3) управление осуществляется 
с использованием рабочей информации о важнейших выходных величинах объекта или возмущающих воздействиях. 
Программа работы не остается постоянной, структура цикла и параметры режима могут изменяться в зависимости от фактических 
условий протекания процесса. Примером может служить станок с системой ЧПУ, которая обладает способностью при заданном чистовом 
контуре детали автоматически программировать черновые проходы 
в зависимости от фактического распределения припуска на данном 

экземпляре заготовки, или круглошлифовальный станок с системой 
ЧПУ, способной изменять циклы обработки с учетом изменения 
свойств круга за период его стойкости.
Характер рабочей информации, используемой для управления 
в автоматических системах, является одним из важнейших признаков 
для их классификации. По этому классификационному признаку АС 
делят на системы управления: 1) по возмущению; 2) по отклонению; 
3) с комбинированным управлением.
При управлении по возмущению (рис.1.4, а) управляющее воздействие — U. Примером может служить токарный станок с системой 
ЧПУ, позволяющей вносить коррекцию подачи в зависимости от 
температуры в зоне резания (рис.1.4, б).
Достоинством систем, использующих этот принцип управления, 
является их простота и быстрая реакция на возмущения. Прежде чем 
на выходе инерционного объекта управления появятся существенные 
нарушения заданного закона изменения управляемой величины, вызванные возмущающим воздействием, на его вход от АУУ подается 

а 

б

Рис. 1.2. Циклическая система: а — структура автоматической системы;  
б — привод радиальной подачи бесцентрово-шлифовального станка с ЧПУ  
(1 — шлифовальная бабка с кругом, 2 — подвижная бабка,  
3 — ведущий круг, 4 — электродвигатель, 5 — редуктор,  
6 — винт-гайка качения, 7 — деталь, 8 — нож)

управляющее воздействие, которое нейтрализует действие возмущения. Однако для того, чтобы система могла реагировать на несколько 
возмущающих факторов, необходимо соответственно увеличивать 

Рис. 1.3. Ациклическая система: 
а — схема обработки шеек валов (1 — двигатель постоянного тока,  
2 — редуктор, 3 — ходовой винт, 4 — шлифовальная бабка,  
5 — прибор активного контроля, 6 – дифференциальный усилитель,  
7 — усилитель–преобразователь, 8 — деталь, 9 — передняя бабка);  
б — циклы для обработки шеек валов с учетом изменения свойств круга  
за период стойкости t: (1, 2, 3 — траектории изменения S для 5-ой,  
7-ой и 13-ой детали соответственно; 4, 5, 6 – траектории изменения ∆t  
для 5-ой, 7-ой и 13-ой детали соответственно)

а 

б

число измерительных и корректирующих устройств, что существенно 
усложняет АУУ. Кроме того, не каждое возмущающее воздействие, 
которое может быть легко измерено, формируется в АУУ на основе 
контроля внешних возмущающих воздействий f. Появление непредвиденного возмущения может привести к значительным отклонениям управляемых величин. Поэтому принцип управления по возмущению успешно применяется в тех случаях, когда имеется небольшое 
число доминирующих возмущений (не более двух).
Другим недостатком управления по возмущению является требование строгого соответствия параметров объекта и АУУ. Изменение 
параметров объекта в процессе эксплуатации или неточное их определение при проектировании АС приводит к значительным отклонениям управляемой величины.
Оба отмеченных недостатка обусловлены тем, что истинное значение управляемой величины не контролируется.

а

б

Рис. 1.4. Система управления по возмущению: а — структура 
автоматической системы, реализующей принцип управления по 
возмущению; б — привод радиальной подачи токарного станка с ЧПУ

Принцип управления по отклонению (рис. 1.5) предусматривает формирование управляющего воздействия в зависимости от знака и величины отклонения (ошибки) — разности между заданным и действительным значениями выходной величины в каждый момент времени.

а

б

Рис. 1.5. Система управления по отклонению: а — структура автоматической 
системы, реализующая принцип управления по отклонению;  
б — привод радиальной подачи станка с ЧПУ с устройством активного контроля  
(1 — шлифовальная бабка с шлифовальным кругом, 2 — подвижная бабка  
с ведущим кругом 3, 4 — электродвигатель, 5 — редуктор, 6 — винт-гайка качения, 
7 — деталь 8 — нож, 9 — индуктивный измерительный прибор, 10 — усилитель,  
11 — сравнивающее устройство, 12 — усилитель—преобразователь)

Основным преимуществом этих систем является их способность 
выполнять свои функции при любом числе возмущающих воздействий, поскольку ни одно из них не измеряется.
Вместо возмущений здесь измеряется управляемая величина (y), 
ее значение непрерывно сравнивается с заданным. Таким образом, 
АУУ в этом случае реагирует на любое возмущение, которое вызвало 
появление отклонения.