自動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用 (自動(dòng)保存的)

1、“機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析” 課程研究報(bào)告科 目： 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析教 師： XXX 姓 名： XXX 專 業(yè)： 機(jī)械工程 類 別： 學(xué)術(shù)型 學(xué) 號(hào)： 201407020XX 自動(dòng)化控制技術(shù)在機(jī)械裝備中的應(yīng)用摘要：當(dāng)今，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，自動(dòng)化控制技術(shù)已經(jīng)被各國(guó)作為發(fā)展科學(xué)技術(shù)中一項(xiàng)重要的項(xiàng)目來(lái)對(duì)待，并被廣泛應(yīng)用于軍事國(guó)防農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和各類現(xiàn)代機(jī)械裝備中，成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可或缺的重要組成部分 。本文將圍繞自動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)械裝備在中的應(yīng)用，并結(jié)合本人在本、碩期間的所學(xué)所感談?wù)勛詣?dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工程中的地位。關(guān)鍵字：自動(dòng)控制技術(shù)；數(shù)控機(jī)床；機(jī)器人1 自動(dòng)控制原理及作用自動(dòng)控制技術(shù)

2、是通過(guò)控制器使被控對(duì)象或過(guò)程自動(dòng)按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行因被控對(duì)象種類繁多，控制技術(shù)的內(nèi)容非常豐富，有高精度定位控制速度控制自適應(yīng)控制自診斷校正補(bǔ)償示教再現(xiàn)檢索等技術(shù)自動(dòng)控制技術(shù)可協(xié)調(diào)機(jī)械電器各部分來(lái)有效完成動(dòng)作過(guò)程，在機(jī)電控制系統(tǒng)中起重要作用。自動(dòng)控制的理論基礎(chǔ)是自動(dòng)控制原理，它分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。前者研究對(duì)象是單變量的線性時(shí)不變系統(tǒng)，它使用的數(shù)學(xué)工具是拉普拉斯變換，用傳遞函數(shù)方法在頻率域進(jìn)行系統(tǒng)分析它的控制原理是負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)，以自動(dòng)調(diào)節(jié)器作為反饋控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。所以，經(jīng)典控制理論也叫自動(dòng)調(diào)節(jié)原理。后者是以多變量非線性時(shí)變系統(tǒng)為研究對(duì)象，它運(yùn)用的數(shù)學(xué)工具有線性代數(shù)矩陣論和集合論等它

3、是用狀態(tài)空間法在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)分析，用狀態(tài)方程描述系統(tǒng)過(guò)程根據(jù)狀態(tài)及條件，分析下一步的狀態(tài)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制裝置對(duì)被控制對(duì)象如何進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，以便完成任務(wù)取決于工作時(shí)的反饋信息，即反饋控制系統(tǒng)。通過(guò)這些反饋信息來(lái)調(diào)整輸入量和輸出量的偏差，使被控制的對(duì)象在有效范圍內(nèi)進(jìn)行，從而完成任務(wù)。反饋控制系統(tǒng)又是由測(cè)量元件給定元件比較元件放大元件執(zhí)行元件校正元件等按不同的職能組成的。2 自動(dòng)控制技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是綜合了自動(dòng)控制、電機(jī)、計(jì)算機(jī)、監(jiān)控等多學(xué)科領(lǐng)域成果而形成的一門技術(shù)。一臺(tái)完整的數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床本體和外圍技術(shù)。自動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)床中的應(yīng)用集中體現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)中，下面

4、就以數(shù)控機(jī)床的位置控制為例介紹自動(dòng)控制理論在機(jī)床中的應(yīng)用。2.1 半閉環(huán)控制數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的位置控制系統(tǒng)如圖1-1所示。圖2-1 半閉環(huán)控制在上圖中，數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)模塊與伺服電機(jī)等共同組成一高精度角度閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，其輸人為數(shù)控系統(tǒng)給出的指令脈沖，輸出為電機(jī)轉(zhuǎn)角。在以光碼盤等為反饋環(huán)節(jié)所實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制下，電機(jī)軸的轉(zhuǎn)角將嚴(yán)格跟隨指令值變化。但從整體效果來(lái)看，這只是一個(gè)半閉環(huán)控制系統(tǒng)。其位置控制精度不但與控制系統(tǒng)的性能有關(guān)，而且還在很大程度上取決于機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)。2.2 全閉環(huán)控制為解決上述問(wèn)題，人們提出一種如圖1-2所示的數(shù)字化全閉環(huán)位置控制方法。其基本思

5、想是： 在對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行數(shù)字式驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，引入直接檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件最終位移的數(shù)字式測(cè)量環(huán)節(jié)，以充分獲取和利用系統(tǒng)信息，從反饋控制的角度對(duì)機(jī)床各坐標(biāo) 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化控制，由此構(gòu)成包含各種誤差源和非線性環(huán)節(jié)的數(shù)字化全閉環(huán)系統(tǒng)。 圖2-2 全閉環(huán)控制2.3 準(zhǔn)閉環(huán)位置控制準(zhǔn)閉環(huán)位置控制是一些學(xué)者針對(duì)以步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)控機(jī)床開(kāi)環(huán)系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題，諸如伺服精度低、失步誤差不能補(bǔ)償?shù)忍岢龅囊环N全新的概念。普通機(jī)床的準(zhǔn)閉環(huán)控制原理如圖1-3所示。它的實(shí)現(xiàn)是在常規(guī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中加上直線光柵作為線位移檢測(cè)元件，以機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位移量作為反饋信號(hào)， 采用以軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)門來(lái)控制機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。準(zhǔn)

6、閉環(huán)控制能夠有效地克服機(jī)械部件的傳動(dòng)誤差與步進(jìn)電機(jī)的失步誤差，使 得數(shù)控機(jī)床的控制精度達(dá)到一個(gè)脈沖當(dāng)量這種控制方式解決了目前經(jīng)濟(jì)型CNC機(jī)床控制精度普遍低的問(wèn)題。圖 1-3 準(zhǔn)閉環(huán)控制3 自動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用機(jī)器人在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展迅猛，而且機(jī)器人的概念很廣泛，我在這里只討論常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人的自適應(yīng)控制。工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)高度非線性、強(qiáng)耦合、位姿時(shí)變的多變量系統(tǒng)。對(duì)工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)控制應(yīng)該是一種自適應(yīng)控制，理想的自適應(yīng)控制方案如圖3-1所示。在基于模型控制的基礎(chǔ)上，添加自適應(yīng)控制規(guī)律，不斷觀察操作臂的狀態(tài)和伺服誤差，調(diào)整和更新非線性模型參數(shù)，直至伺服誤差消失為止。T圖3-1 自適應(yīng)控制方案3

7、.1 機(jī)器人模型參考自適應(yīng)控制 在各類自適應(yīng)控制方案中，模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）應(yīng)用最廣泛。其基本概念是找到適宜的參考模型和自適應(yīng)算法，用以校正反饋增益，達(dá)到控制目的。圖3-2是模型參考自適應(yīng)控制框圖。 圖3-2 模型參考自適應(yīng)控制 以矢量 表示參考模型，矢量表示操作臂的響應(yīng)。參考模型的每一個(gè)關(guān)節(jié)用現(xiàn)象二階定常數(shù)微分方程表示 (3.1) 式中， 是模型的自振頻率， 是阻尼比。 被控系統(tǒng)反饋增益的調(diào)整方法有很多。其中最速下降法最簡(jiǎn)單，用它使系統(tǒng)誤差的二次函數(shù)最小，即取性能指標(biāo) (3.2) 這種控制方法的主要優(yōu)點(diǎn)是，不依賴于復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，也不需要有關(guān)環(huán)境（負(fù)載等）的先驗(yàn)知識(shí)。但是，閉環(huán)自適

8、應(yīng)控制系統(tǒng)的該方法的關(guān)鍵，其穩(wěn)定性分析難度較大。3.2 機(jī)器人自校正自適應(yīng)控制 機(jī)器人自校正自適應(yīng)控制建立在系統(tǒng)辨識(shí)的基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)擬合操作臂的動(dòng)力學(xué)模型和辨識(shí)系統(tǒng)的參數(shù)，從而建立系統(tǒng)的線性離散時(shí)變模型。 這種控制算法假定各關(guān)節(jié)間的交互作用可以忽略，把每個(gè)關(guān)節(jié)的輸入力矩 ，輸出轉(zhuǎn)角 的觀測(cè)值 擬合成一個(gè)n階線性差分方程 式中， 為后移算子。和是含有的多項(xiàng)式，d為系統(tǒng)滯后，是建模誤差和外界干擾，包括關(guān)節(jié)間的耦合作用和重力影響等。自校正自適應(yīng)控制不僅用于關(guān)節(jié)位置控制，也可用來(lái)對(duì)關(guān)節(jié)速度控制，設(shè)計(jì)出比較簡(jiǎn)單的速度控制器。設(shè)關(guān)節(jié)相應(yīng)速度離散模型為 (3.3)為了控制上述速度，其參考速

9、度的軌跡規(guī)定為 (3.4)控制器的設(shè)計(jì)可以采用不同的準(zhǔn)則，其中之一是要求按下列調(diào)整動(dòng)力學(xué)關(guān)系跟蹤式中， 是選取的穩(wěn)定多項(xiàng)式 3.3 自適應(yīng)擾動(dòng)控制這種自動(dòng)控制方法基于擾動(dòng)理論，將操作臂的非線性控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在標(biāo)稱附近的現(xiàn)象擾動(dòng)問(wèn)題 。受控系統(tǒng)的特點(diǎn)是帶有前饋和反饋分量。前饋分量由牛頓歐拉方法計(jì)算操作臂的逆動(dòng)力學(xué)模型，反饋分量用來(lái)計(jì)算擾動(dòng)力矩，使操作臂在標(biāo)稱軌跡上運(yùn)動(dòng)的位置誤差和速度誤差減至0。圖3-3 是這種控制方法的原理框圖。圖3-3 機(jī)器人自適應(yīng)擾動(dòng)控制其中，標(biāo)稱軌跡是規(guī)劃的插補(bǔ)關(guān)節(jié)軌跡，在每個(gè)采樣時(shí)刻，角位移、角速度和角加速度是已知的。則標(biāo)稱力矩 可通過(guò)牛頓歐拉方程計(jì)算在標(biāo)稱軌跡處，用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)上式，忽略高次項(xiàng)，得到擾動(dòng)模型 自適應(yīng)擾動(dòng)控制包括：用遞推最小二乘法辨識(shí)擾動(dòng)方程中的系統(tǒng)參數(shù)，并利用線性二次型最優(yōu)控制規(guī)律對(duì)線性化擾動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。參考文獻(xiàn)：1 張錫忠. 淺析機(jī)電自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用J .工藝與技術(shù)，20132 朱驥北. 機(jī)械控制工程基礎(chǔ)M .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.3 梁治河. 機(jī)電控制系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)與一體化設(shè)計(jì)J .科技前沿，2011.4 陳蔚芳等. 機(jī)床數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用M .北京：科學(xué)出版社，2008.5 畢承恩，丁乃建. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M .北京