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 государствен-
ного 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 син-
теза систем управления при проектировании станков с числовым 
программным управлением на основе интеграции силовых, инфор-
мационных и управляющих модулей. Приведены примеры расчета 
систем автоматического управления и их элементов. 
Для студентов машиностроительных специальностей вузов. 
Может быть полезен инженерно-техническим работникам пред-
приятий, проектных организаций и институтов, занимающимся ав-
томатизацией 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 производ-
ства на основе инноваций привели к появлению новых специфиче-
ских классов динамических объектов, а также ужесточили требо-
вания, предъявляемые к поведению систем управления. 
На большинстве промышленных предприятий широко распро-
странены современные методы управления производственными 
процессами, базирующиеся на компьютерных технологиях. Число-
вое программное управление (ЧПУ) стало универсальным сред-
ством 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 устройства-
ми обработки данных сделала вычислительную систему основой 
построения систем управления. Системы управления технологиче-
ским процессом такой структуры называют децентрализованными 
или распределенными. 

Предисловие 

Современные системы управления технологическими машина-
ми и оборудованием характеризуются многоуровневой структу-
рой. 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. Совершен-
ствование конструкций технологических машин и оборудования 
способствовало появлению мехатронных модулей.  
Мехатроника в настоящее время является основой для постро-
ения нетрадиционных производственных машин, которые благо-
даря модульности конструкции, компактному интегрированию 
силовых, информационных и управляющих блоков в мехатронных 
модулях позволяют существенно повысить эффективность техно-
логической 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 управле-
ния в технологическом процессе. 
Конец ХХ столетия и начало нового тысячелетия характеризу-
ются широким внедрением интернет-технологий в производство. 
Разработка систем управления технологическим оборудованием 
обусловливает привлечение целого ряда информационных техно-
логий, 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 по-
служило основанием написания этого учебника.  
Изложение материала базируется на описании динамических 
систем в пространстве состояний, поэтому предполагается, что 
читатели знакомы с закономерностями линейной алгебры и мето-
дами решения дифференциальных уравнений. При исследовании 
свойств линейных стационарных систем управления также ис-
пользуются 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 – вектором 
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 – значе-
ние, 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 функ-
ции отработки сигнала управляющей программы добавляются 
функции автоматического формирования дополнительных управ-
ляющих воздействий, направленных, например, на повышение 
производительности или точности обработки детали на станке, 
такие системы называют системами автоматического управле-
ния. Кроме систем программного управления к САУ относятся 
следящие системы, в которых управляющий сигнал заранее неиз-
вестен, и системы автоматической стабилизации, с помощью 
которых поддерживаются в устойчивом состоянии параметры, не 
относящиеся к основным управляемым параметрам технологиче-
ского 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 требуе-
мое соответствие между управляющим (задающим) воздействием 
Uзад и регулируемой величиной (tм) называют возмущающим. Как 
следует из рисунка, на температуру масла tм в баке влияет тепло-
выделение Qт в гидросистеме технологической машины. Напряже-
ние Uзад становится равным напряжению Uд с датчика преобразо-
вателя температуры 2 (3 – задающее устройство; 4 – элемент срав-