Управление техническими системами

 
 
 
 

 

Н.П. Деменков, Г.Н. Васильев 

 

 

 
УПРАВЛЕНИЕ  
ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ 
 
 
 
 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебника для студентов  
высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению 150400 «Технологические машины  
и оборудование», специальности 150401 «Проектирование  
технических и технологических комплексов» 

 

Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2013 

УДК 681.5:681.3(075.8)  
ББК 14.2.6 
        Д30 

Рецензенты:  
д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Автоматизация производства 
и проектирования в машиностроении» Московского государственного открытого университета (МГОУ) П.М. Кузнецов; 
д-р техн. наук, проф. кафедры «Автоматизированные системы 
управления» Московского автомобильно-дорожного  
государственного технического университета (МАДИ) Л.Т. Милов 

Деменков Н. П., Васильев Г. Н. 
Д30 
Управление техническими системами : учебник. – М. : 

 
Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. – 399, [1] с. : ил.  
 
ISBN 978-5-7038-3745-0 
 
Изложены теоретические положения процедур анализа и синтеза систем управления при проектировании станков с числовым 
программным управлением на основе интеграции силовых, информационных и управляющих модулей. Приведены примеры расчета 
систем автоматического управления и их элементов. 
Для студентов машиностроительных специальностей вузов. 
Может быть полезен инженерно-техническим работникам предприятий, проектных организаций и институтов, занимающимся автоматизацией производственных процессов и их управлением в 
машиностроении и других отраслях промышленности. 

УДК 681.5:681.3(075.8) 
                                                                  ББК 14.2.6 

 
 Деменков Н. П., 2013 
 
 Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-3745-0 
  МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 

Развитие техники и совершенствование технологий производства на основе инноваций привели к появлению новых специфических классов динамических объектов, а также ужесточили требования, предъявляемые к поведению систем управления. 
На большинстве промышленных предприятий широко распространены современные методы управления производственными 
процессами, базирующиеся на компьютерных технологиях. Числовое программное управление (ЧПУ) стало универсальным средством управления станками. Применение станков с ЧПУ позволило 
качественно изменить процессы металлообработки, получить больший экономический эффект. Для металлообработки на станках с 
ЧПУ характерным является рост производительности труда оператора-станочника благодаря сокращению основного и вспомогательного времени (переналадки), возможность применения многостаночного обслуживания, высокая точность изготовления деталей, 
снижение затрат на специальные приспособления, сокращение или 
полная ликвидация разметочных и слесарно-подгоночных работ. 
Для работы на таких станках требуется специальное программное обеспечение, удовлетворяющее конкретным условиям 
предприятия. От качественного сопровождения программного 
обеспечения во многом зависит не только производительность и 
безаварийность работы технологических агрегатов, но и жизненный цикл спроектированной и сданной в промышленную эксплуатацию системы.  
Использование микропроцессоров, входящих в состав отдельных средств автоматики и контроля, позволило перейти на новый 
уровень компьютеризации промышленного производства, при котором цифровая передача данных между отдельными устройствами обработки данных сделала вычислительную систему основой 
построения систем управления. Системы управления технологическим процессом такой структуры называют децентрализованными 
или распределенными. 

Предисловие 

Современные системы управления технологическими машинами и оборудованием характеризуются многоуровневой структурой. С одной стороны, это определяется развитием технических 
средств управления, особенно вычислительных управляющих 
средств и приводов машин, а с другой – развитием и усложнением 
машин, оборудования и технологических процессов. Совершенствование конструкций технологических машин и оборудования 
способствовало появлению мехатронных модулей.  
Мехатроника в настоящее время является основой для построения нетрадиционных производственных машин, которые благодаря модульности конструкции, компактному интегрированию 
силовых, информационных и управляющих блоков в мехатронных 
модулях позволяют существенно повысить эффективность технологической машины (ТМ), например, при металлообработке. 
Появление мехатронных модулей ставит перед разработчиками 
систем управления задачи согласования функций управления на 
уровнях иерархии системы управления ТМ как объекта управления в технологическом процессе. 
Конец ХХ столетия и начало нового тысячелетия характеризуются широким внедрением интернет-технологий в производство. 
Разработка систем управления технологическим оборудованием 
обусловливает привлечение целого ряда информационных технологий, основанных на объектно-ориентированном и компонентном 
подходах, параллельном программировании и программировании 
систем в реальном времени. 
В учебной литературе методы анализа и синтеза современных 
систем управления представлены недостаточно полно, что и послужило основанием написания этого учебника.  
Изложение материала базируется на описании динамических 
систем в пространстве состояний, поэтому предполагается, что 
читатели знакомы с закономерностями линейной алгебры и методами решения дифференциальных уравнений. При исследовании 
свойств линейных стационарных систем управления также используются преобразования Лапласа. 
Основные теоретические положения и процедуры анализа и 
синтеза для каждого из представленных типов систем управления 
иллюстрируют примеры расчета. 

 
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ  
И ОБОЗНАЧЕНИЙ 

АВМ  
– аналоговая вычислительная машина 
АСТПП  – автоматизированная система технологической подго- 
 
   товки производства  
АСУ ТП – автоматизированная система управления технологиче- 
 
   ским процессом 
АФЧХ 
– амплитудно-фазовая частотная характеристика 
АЦП 
– аналого-цифровой преобразователь 
АЧХ 
– амплитудно-частотная характеристика 
ГПМ 
– гибкий производственный модуль 
ГПС 
– гибкая производственная система 
ЛАЧХ 
– логарифмическая амплитудно-частотная характеристика 
ЛФЧХ 
– логарифмическая фазочастотная характеристика 
МП 
– микропроцессор 
МПС 
– микропроцессорная система 
ПЛК 
– программируемый логический контроллер 
РС 
– реверсивный счетчик 
РТК 
– робототехнологический комплекс 
САР 
– система автоматического регулирования 
САУ 
– система автоматического управления 
СП 
– следящий привод 
СтС 
– станочная система 
ЧПУ 
– числовое программное управление 
ТАР 
– теория автоматического регулирования 
ТАУ 
– теория автоматического управления 
УВМ 
– управляющая вычислительная машина 
УП 
– управляющая программа  
УПТ 
– усилитель постоянного тока 
ФЧХ 
– фазовая частотная характеристика 
ЦАП 
– цифроаналоговый преобразователь 
ЦПУ 
– центральное процессорное устройство 
ЭВМ 
– электронная вычислительная машина 

Список основных сокращений и обозначений 

А, B  
– матрицы 
A() 
– амплитудно-частотная характеристика 
det 
– детерминант (определитель матрицы) 
е 
– основание натуральных логарифмов 
e(t) 
– cигнал ошибки 
e(s), E(s) – cигнал ошибки, преобразованный по Лапласу 
extr [F( x )] – экстремум функции F( x ) 
x  
– вектор переменных параметров 
F 
– сила резания или другое силовое воздействие 
f(t) 
– возмущающее воздействие общего характера 
u(t) 
– управляющее воздействие 
h(t) 
– переходная функция 
j 
– мнимая единица, 
1
j 
  
K, k 
– передаточный коэффициент элемента или системы 
L  
– индуктивность обмотки  
L(ω) 
– логарифмическая амлитудно-частотная характеристика 
Lж(ω) 
– желаемая логарифмическая амлитудно-частотная ха- 
 
   рактеристика 
LКУ (ω) 
– логарифмическая амплитудно-частотная характеристика  
 
   корректирующего устройства 
М 
– момент силы 
m 
– порядок числителя передаточной функции 
m  
– масса  
n 
– порядок знаменателя передаточной функции 
nш  
– частота вращения шпинделя  
Р(ω) 
– действительная частотная характеристика  
р 
– давление  
Q 
– расход масла  
Q(ω) 
– мнимая частотная характеристика  
R 
– сопротивление  
s  
– оператор Лапласа 
SХ  
– подача по координате Х  
Т 
– постоянная времени звена 
t  
– время 
tп  
– время переходного процесса 
U(t) 
– входное напряжение 
W(s)  
– передаточная функция 
W(jω)  
– комплексная частотная характеристика 

Список основных сокращений и обозначений 
7 

Х 
– перемещение по координате Х 
y(t)  
– выходная переменная 
у()  
– установившееся значение выходной переменной 
(t)  
– дельта-функция 
k(t) 
– импульсная переходная функция 
  
– коэффициент демпфирования дифференцирующего звена 
  
– порядок астатизма САР 
  
– постоянная времени дифференцирующего звена 
0  
– постоянная времени запаздывающего звена 
Ф(s)  
– передаточная функция замкнутой САУ по отношению  
 
   к управляющему воздействию 
 (ω)  
– логарифмическая фазочастотная характеристика 
Ω 
– круговая частота 
ωср  
– частота среза 

 

Часть I 

АНАЛИЗ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 

Глава 1 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ  
СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 

1.1. Термины и определения теории  
автоматического управления 

Теория автоматического управления (ТАУ) базируется на 
теории автоматического регулирования (ТАР) и, следовательно, 
в ТАУ вошли многие понятия, определения и методы ТАР. Систему автоматического регулирования можно рассматривать как 
одну из простейших реализаций систем автоматического управления (САУ). Основное отличие систем ТАР состоит в том, что 
они обеспечивают отработку заданных управляющих воздействий, в то время как САУ предназначены для формирования 
управляющих воздействий по соответствующему алгоритму исходя из цели управления (критерий качества управления или 
целевая функция). 
При взаимодействии САУ и технологической машины ТМ 
(рис. 1.1) вектор входных воздействий u (t) с устройства управления УУ подается на САУ. Вектор выходных сигналов ( )
x t  воздействует на характеристики ТМ, а вектор возмущающих неконтролируемых воздействий 
( )
f t  – на характеристики САУ. При этом 
сигнал 
( )
y t  с измерительной системы ИС поступает на САУ и УУ 

     1.1. Термины и определения теории автоматического управления 
9 

вектором качества 
,
T  а качество технологического процесса – век
тором параметров 
( ).
R t  Входными воздействиями могут быть сигналы управления рабочими органами ТМ, возмущающими силы 
резания, перемещение рабочих органов 
( ).
X t  Измерительная система может контролировать и другие параметры технологического процесса (вектор 
( )),
R t
 например, силы резания, точность обработки детали, шероховатость ее поверхности и т. д. 

Рис. 1.1. Структурная схема взаимодействия системы управления  
и технологической машины 

Параметрами технологического процесса называют физические величины, определяющие ход технологического процесса. 
При обработке на металлорежущих станках такими параметрами 
являются: частота вращения nш шпинделя станка, определяющая 
скорость резания V, подача S, глубина резания h, ширина b и толщина a  срезаемого слоя, силы резания F и т. д. 
Параметр технологического процесса, который необходимо 
поддерживать постоянным или изменять в соответствии с определенным законом, называют регулируемой величиной, или регулиру
емым параметром (
( ),
X t
 T , V, S, 
( )).
F t
 
Различают заданное значение регулируемой величины – значение, которое необходимо получить в установившемся режиме при 
заранее заданных режимах работы, – и мгновенное или истинное 
значение. 
Автоматическим управлением (регулированием) называют 
процесс управления технологическим оборудованием с помощью 
системы, функционирующей без вмешательства оператора в соот

1. Основные положения теории систем автоматического управления 

ветствии с заранее заданным алгоритмом. Примером типичной 
системы автоматического регулирования (САР) служат системы 
числового программного управления (ЧПУ). Однако если к функции отработки сигнала управляющей программы добавляются 
функции автоматического формирования дополнительных управляющих воздействий, направленных, например, на повышение 
производительности или точности обработки детали на станке, 
такие системы называют системами автоматического управления. Кроме систем программного управления к САУ относятся 
следящие системы, в которых управляющий сигнал заранее неизвестен, и системы автоматической стабилизации, с помощью 
которых поддерживаются в устойчивом состоянии параметры, не 
относящиеся к основным управляемым параметрам технологического процесса, например, система стабилизации температуры 
масла в баке гидросистемы технологической машины (рис. 1.2). 
Цель такой системы – стабилизация температурных деформаций 
технологической машины, внутреннюю полость станины которой 
используют в качестве бака 1. 

Рис. 1.2. Принципиальная схема системы стабилизации температуры 
масла в баке технологической машины 

Следует отметить, что воздействие, которое изменяет требуемое соответствие между управляющим (задающим) воздействием 
Uзад и регулируемой величиной (tм) называют возмущающим. Как 
следует из рисунка, на температуру масла tм в баке влияет тепловыделение Qт в гидросистеме технологической машины. Напряжение Uзад становится равным напряжению Uд с датчика преобразователя температуры 2 (3 – задающее устройство; 4 – элемент срав