Проектирование аппаратуры систем автоматического управления. В 2 ч. Ч. 1. Создание САУ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

В. М. Антимиров

Проектирование аППаратуры  
систем автоматиЧескоГо уПравления  
для работы в экстремальных условиях

Часть 1
СОЗДАНИЕ САУ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ 
для студентов, обучающихся по программе магистратуры 
по направлению подготовки 220400 — Управление  
в технических системах

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2018

2-е издание, стереотипное

УДК 681.51(042.4)
ББК 3-5-05
          А72

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. кафедры «Электрические 
машины» УрГУПС Б. С. Сергеев; канд. техн. наук, зам. ГД по 
РКТ АО «НПО автоматики» Л. Н. Бельский
Научный редактор —зам. зав. кафедрой В. В. Телицин

А72
Антимиров, В. М.
Проектирование аппаратуры систем автоматическо
го 
управления 
[Электронный 
ресурс]: 
учебное 
пособие : в 2 ч. Ч. 1 : Создание САУ / В. М. 
Антимиров. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во 
Урал. ун-та, 2018. — 92 с.

ISBN 978-5-9765-3527-5 (ФЛИНТА, ч. 1)
ISBN 978-5-9765-3529-9 (ФЛИНТА, общий)
ISBN 978-5-7996-1554-3 (Изд-во Урал. ун-та, ч. 1) 
ISBN 978-5-7996-1553-6 (Изд-во Урал. ун-та, общий)

В первой части учебного пособия приводятся основные понятия автоматизированных систем управления (АСУ), работающих с участием 
человека-оператора, и систем автоматического управления (САУ), работающих полностью в автономном режиме в экстремальных условиях.

Рассмотрены отличия и общие признаки АСУ и САУ, приведена 
классификация САУ и сформулированы основные принципы обеспечения и повышения их надежности. Приведена функция технической эффективности для оценки качества таких систем, а также рассмотрены основные принципы повышения их производительности.

Пособие может быть полезно студентам электротехнических специальностей, преподавателям технических вузов, а также специалистам научно-исследовательских и проектных институтов.

Библиогр.: 17 назв. Табл. 5. Рис. 29.
УДК 681.51(042.4)
 
ББК 3-5-05

© Уральский федеральный 
      университет, 2015

ISBN 978-5-9765-3527-5 (ФЛИНТА, ч. 1)
ISBN 978-5-9765-3529-9 (ФЛИНТА, общий)
ISBN 978-5-7996-1554-3 (Изд-во Урал. ун-та, ч. 1) 
ISBN 978-5-7996-1553-6 (Изд-во Урал. ун-та, общий)

введение

В последнее время результаты космических исследований 
все шире проникают в различные виды человеческой деятельности: связь, метеорология, защита окружающей среды, сельское хозяйство, специальные производственные процессы, например получение новых материалов, и др. [1].
Ракетно-космическая техника (РКТ) непрерывно развивается, реализуются все более глобальные программы исследований, и, как следствие этого, совершенствуется управление 
космическими аппаратами (КА).
Управление представляет комплекс взаимосвязанных действий, направленных на достижение цели полета с максимально возможной эффективностью, безопасностью и надежностью. Управление КА осуществляется, как правило, посредством бортовых систем автоматического управления (БСАУ), 
экипажем КА или наземными космическими комплексами 
и персоналом, обслуживающими полет.

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления 
для работы в экстремальных условиях

1.классификация сау и увк

В настоящее время в управлении производственными предприятиями широко используются автоматизированные системы управления (АСУ), которые подразумевают автоматизацию 
и компьютеризацию сбора и обработки данных о деятельности 
предприятия и, как правило, включают в свой состав человекаоператора или лицо, принимающее решения (ЛПР).
Основной задачей технических средств АСУ является освобождение человека-управленца от рутинной работы по сбору 
информации о состоянии объекта управления и его компонентов, а также освобождение от механических действий на изменение состояния исполнительных механизмов, т. е. на начальном и конечном этапах цикла управления.
Широкое распространение получили автоматизированные 
системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), 
служащие для оперативного управления техническими установками в промышленности и обеспечивающие снижение трудоемкости производства и качества изготавливаемой продукции.
Наряду с АСУ для управления техническими средствами, 
например изделиями РКТ, используются автоматические системы управления (фактически роботы). Чтобы не путать автоматизированные системы управления (АСУ) и автоматические 
системы управления, последние будем называть системами автоматического управления (САУ).
Создание САУ предполагает, что все решения заложены заранее в алгоритмах функционирования, которые реализуются в программах вычислительных средств, входящих в состав 
САУ. В результате в процессе работы решения принимаются 
аппаратурой автоматически, без вмешательства человека.

Часть 1. Создание САУ

Все системы — и АСУ, и САУ — имеют близкую структуру 
в части аппаратурного обеспечения и включают в свой состав 
подсистемы:
– сенсорные, т. е. датчики, дающие информацию о состоянии процесса (температуре, концентрации и т. д.);
– центральную интеллектуальную часть, как правило, включающую в свой состав ЭВМ, ведущую обработку цифровой информации;
– исполнительные механизмы (исполнительные органы 
(ИО), изменяющие положение регуляторов, влияющих на 
процесс).
Обобщающая структурная схема АСУ приведена на  
рис. 1.1.

Объект управления

Сенсоры

АЦП  

ИО

ЦАП

Обработка информации и 
отображение (ЭВМ)

Оператор 
принятие решения 

Рис. 1.1. Обобщенная структура АСУ

Для ввода данных в ЭВМ между ЭВМ и сенсорами (датчиками), дающими информацию в аналоговом виде (ток, напряжение, частота), вводят аналогово-цифровые преобразователи 

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления  
для работы в экстремальных условиях

(АЦП), а между ЭВМ и ИО вводят цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
В АСУ предполагается, что оператор работает с ЭВМ и получает информацию в обработанном и систематизированном 
виде, что, по сути, и является основной задачей автоматизации. На основе этой информации через вызов необходимых 
программ оператор вводит указания (уставки) в ЭВМ, которая выдает соответствующие команды и воздействия через 
ЦАП на ИО.
В структуре САУ можно выделить центральное звено — 
вычислительные средства совместно с АЦП и ЦАП. В среде разработчиков САУ принято объединять эти средства 
в самостоятельную подсистему — управляющий вычислительный комплекс (УВК), для бортовых применений изделий ракетно-космической техники (РКТ) его называют 
БУВК.
Все системы (АСУ и САУ) можно разделить на 2 вида: стационарные и мобильные. Классификация систем управления 
(СУ) по применению приведена на рис. 1.2.

Мобильные

Наземные, 
корабельные

РКТ
РТК

Стационарные
Системы 
управления  

Рис. 1.2. Классификация СУ по применению

Системы управления стационарными объектами — это, как 
правило, АСУ (АСУ производством или отдельными механизмами, например станками с числовым программным управлением (ЧПУ)).

Часть 1. Создание САУ

Системы управления подвижными объектами (мобильные СУ). Объектами могут быть робототехнические комплексы (РТК), в том числе с дистанционным управлением, в которых информация от АЦП или видеоизображение 
передается через радиотракт. В качестве примера можно 
привести РТК «СУРА», который был создан для ликвидации последствий Чернобыльской аварии на базе тяжелого 
трактора Т-500 Чебоксарского завода промышленных тракторов (ЧЗПТ), и САУ разработки ФГУП «НПО автоматики» [2].
В САУ подвижными объектами, как правило, входят 
две ЭВМ, одна из которых (бортовая) устанавливается на 
«объекте», собирает, «уплотняет» информацию от АЦП или 
видеокамер и направляет в канал связи. После приема команды от оператора по радиоканалу бортовая ЭВМ передает управление через ЦАП на исполнительные органы 
мобильного средства или механизмы манипуляторов робота с учетом их фактического положения по информации 
установленных в них датчиков обратной связи, например 
бульдозерной лопаты. Вторая управляющая ЭВМ — ЭВМ 
общего назначения (ЭВМ ОН) — располагается вне объекта, но может быть размещена на своем мобильном средстве, например на автомобиле повышенной проходимости 
УРАЛ 365, с частично герметичным кузовом (кузов условно 
герметичный (КУНГ)), на его шасси, и «обслуживает» оператора. В таких кузовах размещают аппаратуру наземной 
части систем управления ракет носителей при работе на 
технических позициях полигонов. Обобщенная структурная схема АСУ автоматизированной системы дистанционного управления (АСДУ) приведена на рис. 1.3. При создании АСДУ необходимо решать сложную задачу, связанную 
с внесением задержек в управление из-за запаздывания 
в каналах передачи данных по радио-линии.

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления  
для работы в экстремальных условиях

Объект управления

АЦП

ИО

ЦАП

БЭВМ

Оператор 

радиотракт

ЭВМ ОН

Рис. 1.3. Обобщенная структура АСДУ

Отдельный класс составляют полностью автоматические 
системы — системы автоматического управления (САУ), где 
все решения по управлению принимаются в бортовой ЭВМ — 
примером такого объекта может быть бытовой робот или робот-разведчик (например, луноход или разведчик химически 
зараженной или радиоактивной местности при техногенных 
катастрофах на производствах химической, нефтегазовой или 
атомной промышленности). Причем для роботов при ликвидации последствий аварий на объектах атомной промышленности должна решаться задача обеспечения их радиационной 
стойкости.
Большой самостоятельный класс составляют САУ объектами ракетно-космической техники, как собственно ракетами, 
так и космическими аппаратами. В этих системах можно выделить два направления: системы гражданского (коммерческо

Часть 1. Создание САУ

го) применения, а также САУ РКТ, создаваемые в интересах 
оборонного комплекса. Примером последних являются САУ 
для изделий, стартующих со средств морского базирования, 
в частности с подводных лодок (ПЛ) [2], роль которых видна 
из табл. 1.1.
Таблица 1.1
Триада стратегических вооружений

Межконтинентальные 
баллистические ракеты 
наземного базирования

Морские стратегические ядерные 
силы

Стратегическая 
авиация

США
Россия
США
Россия
США
Россия

14,3%
28,6%
50%
50%
35,7%
21,4%

Реализация САУ зависит от условий эксплуатации, которые 
связаны с объектом управления и внешними воздействующими факторами, параметры которых приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Условия эксплуатации, связанные  
с внешними воздействующими факторами

Параметр
Условия эксплуатации

Нормальные
Экстремаль- 
ные
Температура окружающей 
среды, °C
от +15 до +25
от –40 до +50

Механические воздействия:
1. Линейные перегрузки, g
единицы
до 150
2. Вибрация:
– амплитуда, g
0,1
более 0,5

– частота, Гц
от 10 до 100
от 1 до 100 
(ШСВ)
3. Удары:
отсутствуют
– амплитуда, g
10…15

– длительность, мс
1…5

Проектирование аппаратуры систем автоматического управления  
для работы в экстремальных условиях

Окончание табл. 1.2

Параметр
Условия эксплуатации

Нормальные
Экстремаль- 
ные

Ионизирующее излучение:

1. Фоновое излучение (характерно для бытовых условий, 
особенно в горной местности):

– мощность дозы, Р/с
до 1012
1012 .. 1013

– доза, Р
30
105 .. 106

2. Импульсное излучение ЯВ:
отсутствует
– мощность дозы, Р/с
5×105 .. 5×106

– доза, Р
106 .. 107

– флюенс нейтронов, n◦/см2
до 1014

Перечень вопросов для самоконтроля

1. В чем основное отличие САУ и АСУ?
2. Какая новая подсистема вводится в АСУ с дистанционным управлением?
3. Какие задачи в АСДУ решают бортовые вычислительные 
средства и ЭВМ поста управления?
4. Каков диапазон температур окружающей среды при работе в нормальных условиях?
5. Работает ли бытовая аппаратура и механизмы (телевизоры, пылесосы) в радиационных полях, и если работают, то чем 
эти поля вызваны?
6. Приведите пример применения робототехнического комплекса для ликвидации последствий аварий.
7. По какой структуре целесообразно создавать системы 
управления робототехническими комплексами (как САУ или 
как АСУ)?
8. Каковы, по Вашему мнению, основные сложности дистанционного управления роботами, и в частности луноходом