自动控制技术在机械设备中的应用 (自动保存的)

“机电系统设计与分析”
课程研究报告
科目：机电系统设计与分析
教师：XXX
姓名：XXX
专业：机械工程
类别：学术型
学号：201407020XX
自动化控制技术在机械装备中的应用
摘要：当今，随着生产技术的发展和生产规模的扩大，自动化控制技术已经被各国作为发展科学技术中一项重要的项目来对待，并被广泛应用于军事国防农业生产和各类现代机械装备中，成为现代社会活动中不可或缺的重要组成部分[1]。

本文将围绕自动控制技术在机械装备在中的应用，并结合本人在本、硕期间的所学所感谈谈自动控制技术在现代机械工程中的地位。

关键字：自动控制技术；数控机床；机器人
1 自动控制原理及作用
自动控制技术是通过控制器使被控对象或过程自动按预定的规律运行因被控对象种类繁多，控制技术的内容非常丰富，有高精度定位控制速度控制自适应控制自诊断校正补偿示教再现检索等技术自动控制技术可协调机械电器各部分来有效完成动作过程，在机电控制系统中起重要作用[2]。

自动控制的理论基础是自动控制原理，它分为经典控制理论和现代控制理论[3]。

前者研究对象是单变量的线性时不变系统，它使用的数学工具是拉普拉斯变换，用传递函数方法在频率域进行系统分析它的控制原理是负反馈闭环系统，以自动调节器作为反馈控制系统的中心环节。

所以，经典控制理论也叫自动调节原理。

后者是以多变量非线性时变系统为研究对象，它运用的数学工具有线性代数矩阵论和集合论等它是用状态空间法在时间域内进行系统分析，用状态方程描述系统过程根据状态及条件，分析下一步的状态。

在自动控制系统中，控制装置对被控制对象如何进行控制调节，以便完成任务取决于工作时的反馈信息，即反馈控制系统。

通过这些反馈信息来调整输入量和输出量的偏差，使被控制的对象在有效范围内进行，从而完成任务。

反馈控制系统又是由测量元件给定元件比较元件放大元件执行元件校正元件等按不同的职能组成的。

2 自动控制技术在数控机床中的应用
现代数控机床是综合了自动控制、电机、计算机、监控等多学科领域成果而形成的一门技术[4]。

一台完整的数控机床包括数控系统、机床本体和外围技术。

自动控制技术在机床中的应用集中体现在数控系统中，下面就以数控机床的位置控制为例介绍自动控制理论在机床中的应用。

2.1 半闭环控制
数字式交流伺服系统在数控机床中得到越来越广泛的应用。

常见的位置控制系统如图1-1所示。

图2-1 半闭环控制
在上图中，数字式伺服驱动模块与伺服电机等共同组成一高精度角度闭环随动系统，其输人为数控系统给出的指令脉冲，输出为电机转角[5]。

在以光码盘等为反馈环节所实现的闭环控制下，电机轴的转角将严格跟随指令值变化。

但从整体效果来看，这只是一个半闭环控制系统。

其位置控制精度不但与控制系统的性能有关，而且还在很大程度上取决于机床的机械结构。

2.2 全闭环控制
为解决上述问题，人们提出一种如图1-2所示的数字化全闭环位置控制方法。

其基本思想是：在对机床运动部件进行数字式驱动的基础上，引入直接检测运动部件最终位移的数字式测量环节，以充分获取和利用系统信息，从反馈控制的角度对机床各坐标的运动进行数字化控制，由此构成包含各种误差源和非线性环节的数字化全闭环系统[6]。

图2-2 全闭环控制
2.3 准闭环位置控制
准闭环位置控制是一些学者针对以步进电机作为驱动电机的数控机床开环系统存在的一些问题，诸如伺服精度低、失步误差不能补偿等提出的一种全新的概念[7]。

普通机床的准闭环控制原理如图1-3所示。

它的实现是在常规的开环系统中加上直线光栅作为线位移检测元件，以机床工作台的实际位移量作为反馈信号，采用以软件实现的数字调节门来控制机床的进给运动。

准闭环控制能够有效地克服机械部件的传动误差与步进电机的失步误差，使得数控机床的控制精度达到一个脉冲当量这种控制方式解决了目前经济型CNC机床控制精度普遍低的问题。

图1-3 准闭环控制
3 自动控制技术在机器人中的应用[8]
机器人在当今社会发展迅猛，而且机器人的概念很广泛，我在这里只讨论常见的工业机器人的自适应控制。

工业机器人是一个高度非线性、强耦合、位姿时变的多变量系统。

对工业机器人的自动控制应该是一种自适应控制，理想的自适应控制方案如图3-1所示。

在基于模型控制的基础上，添加自适应控制规律，不断观察操作臂的状态和伺服误差，调整和更新非线性模型参数，直至伺服误差消失为止[9]。

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图3-1 自适应控制方案
3.1 机器人模型参考自适应控制
在各类自适应控制方案中，模型参考自适应控制（MRAC ）应用最广泛。

其基本概念是找到适宜的参考模型和自适应算法，用以校正反馈增益，达到控制目的。

图3-2是模型参考自适应控制框图。

图3-2 模型参考自适应控制
以矢量(t)Y 表示参考模型，矢量(t)X 表示操作臂的响应。

参考模型的每一个关节用现象二阶定常数微分方程表示
22(t)(t)y (t)r (t)
y (t)2(t)y (t)r (t)
(i 1,,n)i i i i i i i i i i i i i i a y b y y ξωωω++=++== (3.1)
式中，i ω 是模型的自振频率，i ξ 是阻尼比。

被控系统反馈增益的调整方法有很多。

其中最速下降法最简单，用它使系统误差的二次函数最小，即取性能指标
2
2101(e)(k k (t)k (t))(i 1,,n)2i i i i i i J e e e =++= (3.2)
这种控制方法的主要优点是，不依赖于复杂的数学模型，也不需要有关环境（负载等）的先验知识。

但是，闭环自适应控制系统的该方法的关键，其稳定性分析难度较大。

3.2 机器人自校正自适应控制
机器人自校正自适应控制建立在系统辨识的基础上，利用系统的输入、输出数据拟合操作臂的动力学模型和辨识系统的参数，从而建立系统的线性离散时变模型。

这种控制算法假定各关节间的交互作用可以忽略，把每个关节的输入力矩i u ，输出转角i y 的观测值(u ,y )i i 拟合成一个n 阶线性差分方程
11(q )y (k)q (q )u (k)e (k)a i i i i i A B ---=+
式中，1q - 为后移算子。

1(q )i A -和1(q )i B -是含有1q -的多项式，d 为系统滞后，e (k)i 是建模误差和外界干扰，包括关节间的耦合作用和重力影响等。

自校正自适应控制不仅用于关节位置控制，也可用来对关节速度控制，设计出比较简单的速度控制器。

设关节相应速度离散模型为
11(q )y(k)q (q )u(k)e(k)d A B ---=+ (3.3)
为了控制上述速度y(k)，其参考速度*y (k)的轨迹规定为
*(k)y (k)c[y (k 1)y(k 1)]d d y =+--- (3.4)
控制器的设计可以采用不同的准则，其中之一是要求(k)y 按下列调整动力学关系跟踪*(k)y
1*(q )[y (k d)y(k d)]0D -+-+=
式中，1(q )D - 是选取的稳定多项式 11212(q )1m m D d q d q d q ----=++++
3.3 自适应扰动控制
这种自动控制方法基于扰动理论，将操作臂的非线性控制问题转化为在标称附近的现象扰动问题[?] 。

受控系统的特点是带有前馈和反馈分量。

前馈分量由牛顿欧拉方法计算操作臂的逆动力学模型，反馈分量用来计算扰动力矩，使操作臂在标称轨迹上运动的位置误差和速度误差减至0。

图3-3 是这种控制方法的原理框图。

图3-3 机器人自适应扰动控制
其中，标称轨迹是规划的插补关节轨迹，在每个采样时刻，角位移、角速度和角加速度是已知的。

则标称力矩0(t)τ 可通过牛顿欧拉方程计算
(t)f[(t),(t)]x x θθθτ=
在标称轨迹处，用泰勒级数展开上式，忽略高次项，得到扰动模型
(t)(t)(t)A(t)(t)(t)(t)z x f x f x B τδδδτδδτ=∇+∇=+
自适应扰动控制包括：用递推最小二乘法辨识扰动方程中的系统参数，并利用线性二次型最优控制规律对线性化扰动系统进行控制。

参考文献：
[1] 张锡忠. 浅析机电自动控制技术的应用[J] .工艺与技术，2013
[2] 朱骥北. 机械控制工程基础[M] .北京：机械工业出版社，2012.
[3] 梁治河. 机电控制系统自动控制技术与一体化设计[J] .科技前沿，2011.
[4] 陈蔚芳等. 机床数控技术及应用[M] .北京：科学出版社，2008.
[5] 毕承恩，丁乃建. 现代数控机床[M] .北京：机械工业出版社，1991.
[6] 罗学科，谢富春. 数控原理与数控机床[M]. 北京：化学工业出版社，2004.
[7] 王润孝. 机床数控原理与系统[M]. 西安：西北工业大学出版社，1997.
[8] 熊有伦. 机器人学[M]. 北京：机械工业出版社，1993.
[9] 范永，谭民. 机器人控制器的现状及展望[J]. 机器人，1999.1.。