Основы автоматики и микропроцессорной техники

Д. А. Кушнер
А. В. Дробов

Ю. Л. Петроченко

осноВы АВтомАтиКи 

и миКроПроцессорной 

техниКи

Допущено Министерством образования Республики Беларусь 

в качестве учебного пособия для учащихся 

учреждений образования, реализующих образовательные 

программы среднего специального образования 

по специальностям «Монтаж и эксплуатация 

электрооборудования», «Городской электрический 

транспорт», «Автоматизированные электроприводы»

Минск
РИПО
2019

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723

К96

А в т о р ы:

заместитель директора по учебно-производственной работе 

Д. А. Кушнер; преподаватели А. В. Дробов, 

Ю. Л. Петроченко УО «Гомельский государственный 

профессионально-технический колледж электротехники».

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия общепрофессионального цикла и спецдисциплин 

специальности «Электроника механических транспортных средств» 

филиала БНТУ «Минский государственный политехнический колледж☺» 

(И. И. Буткевич); 

заведующий кафедрой «Автоматизированные системы управления 

производством» УО «Белорусский государственный аграрный технический 

университет», кандидат технических наук, доцент А. Г. Сеньков.

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или 

любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства 

образования Республики Беларусь.

Кушнер, Д. А.

К96
Основы автоматики и микропроцессорной техники : учеб. по
собие / Д. А. Кушнер, А. В. Дробов, Ю. Л. Петроченко. – Минск : 
РИПО, 2019. – 245 с. : ил.

ISBN 978-985-503-853-6.

В учебном пособии изложены основы теории автоматического управ
ления. Особое внимание уделено замкнутым системам автоматического 
управления непрерывного действия, дискретным автоматам. Рассмотрены 
элементы систем автоматики, их классификация, характеристики и режимы работы (датчики, усилительные устройства и элементы вычислительной техники, включающие в себя элементы памяти, триггеры, регистры, 
счетчики, дешифраторы, шифраторы и формирователи импульсов). 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального об
разования по специальностям «Монтаж и эксплуатация электрооборудования», «Городской электрический транспорт», «Автоматизированные 
электроприводы».

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723

ISBN 978-985-503-853-6 
      © Кушнер Д. А., Дробов А. В.,  
 

   
 
   Петроченко Ю. Л., 2019

   © Оформление. Республиканский институт

 профессионального образования, 2019

ВВедение

Автоматика (от греч. αύτόματος – самодействующий) – от
расль науки и техники, которая разрабатывает технические средства и методы для осуществления технологических процессов без 
участия человека.

Первые машины, работающие без участия человека, были 

созданы древнегреческим ученым Героном Александрийским, 
жившим в I в. н. э. Существуют описания около 100 автоматических устройств, известных в те древние времена, которые использовались, как правило, в развлекательных и религиозных целях.

Первое автоматическое устройство практического назначения 

изобрел нидерландский ученый Христиан Гюйгенс в 1657 г. – автоматический регулятор маятникового типа для стабилизации 
скорости хода часового механизма.

Вместе с промышленной революцией в Европе в XVIII–

XIX вв. появились и первые автоматические устройства про вв. появились и первые автоматические устройства про
мышленного назначения, когда получили свое развитие паровые 
машины и турбины.

В 1784 г. английский механик Джеймс Уатт получил патент 

на центробежный регулятор скорости паровой машины (см. рисунок), используемый для поддержания постоянства частоты 
вращения. Принцип работы регулятора заключался в поддержании заданного значения физического параметра не точно, а в 
некотором определенном диапазоне.

К первым промышленным регуляторам также относят про
граммное устройство управления ткацким станком от перфокарты, построенное в 1808 г. французским изобретателем Жозефом 
Мари Жаккаром. Оно применялось для воспроизведения крупноузорчатых тканей.

Введение

1

2

3

4
Измеренная 
частота 
вращения

5

6

Центробежный регулятор Уатта:

1 – выходной вал; 2 – регулятор; 3 – металлические шарики; 

4 – паровой котел; 5 – клапан; 6 – паровая машина

Вышеприведенные изобретения дали старт изобретени
ям принципов регулирования и регуляторов, продолжающимся 
вплоть до середины XX в. 

Первоначально работы по созданию автоматических систем 

в механике, электротехнике, теплотехнике и других научных отраслях велись независимо друг от друга. В начале 1940-х годов автоматика формируется как самостоятельная научная дисциплина, изучающая методы анализа и синтеза систем автоматического 
управления в технике независимо от их физической природы.

В настоящее время автоматические системы широко приме
няют во всех областях деятельности человека: в промышленности, на транспорте, в устройствах связи, при научных исследованиях и др. Способствовало этому и бурное развитие современной 
микропроцессорной техники, которая стала важнейшим средством при решении самых разнообразных задач в области сбора 
и обработки данных, а также разработки систем автоматического 
управления (САУ).

Развитие микроэлектроники, вычислительной техники в по
следние годы дало резкий скачок повышения качества функциональных возможностей цифровых САУ. Это заключается не только в повышении надежности и отказоустойчивости, обеспечении 
стабильности функционирования, но и в придании цифровым 
системам автоматического управления принципиально новых 

Введение

свойств, таких как малогабаритность и перенастраиваемость 
структуры, адаптивность, способность решать вычислительные и 
логические задачи, самоконтроль и др.

Программируемость микропроцессоров определяет возмож
ность гибкой оперативной перестройки как алгоритма работы 
САУ, так и ее структуры в целях приспособления их к меняющимся условиям работы. Свойство программируемости обеспечивает возможность внесения изменений в структуру и в программу работы системы на всех этапах ее существования – от 
предварительного проектирования до эксплуатации серийных 
образцов.

Значительная вычислительная мощность микропроцессоров 

и систем на их основе, величина которой, по оценкам специалистов, достигнет нескольких сотен миллионов операций в секунду, создает хорошие предпосылки для использования микропроцессоров в быстродействующих системах реального времени.

Применение микропроцессоров в САУ позволяет поднять на 

качественно новый уровень такие важные ее характеристики, как 
отказоустойчивость и живучесть. Отказоустойчивость, т. е. способность системы сохранять свою работоспособность при возникновении в системе разнообразных отказов, обеспечивается в 
микропроцессорных САУ введением аппаратурной, программной 
и информационной избыточности. Широкое распространение 
получают системы с резервированием, а также с программной 
реконфигурацией структуры и использованием самокорректирующихся кодов. Для оперативного контроля и диагностики все 
шире используют встроенный программно-аппаратный контроль, осуществляемый с привлечением относительно дешевых 
дополнительных ресурсов.

Таким образом, успехи автоматики, в том числе и с примене
нием микропроцессорной техники, обеспечили ей ведущее место 
практически во всех областях деятельности человека. Вместе с 
тем перспективы развития теории и приложений автоматического управления дают основания полагать, что главные достижения 
в этой области еще впереди.

1. СиСтемы аВтоматичеСкого упраВления

1.1. общие сведения о системе

Основным понятием теории управления, а также связанных 

с ней научных дисциплин (кибернетики, информатики, системного анализа и др.) является понятие «система».

Система – это совокупность упорядоченных объектов, в ко
торой определены цели. Все, что не входит в систему, является 
частью среды. Система характеризуется связями между входными и выходными сигналами, вид которых определяется выбором 
границы между системой и средой. Например, системой может 
являться отдельный технологический агрегат, станок или машина, производственное предприятие или группа предприятий.

В каждой системе должны присутствовать определенные 

свойства.

1. Целостность. Система представляет собой целостную со
вокупность элементов. Это означает, что система – единое образование, в ее состав входят взаимосвязанные компоненты, которые в условиях системы приобретают системно-определенные 
свойства. Для системы первичным является признак целостности, а не множества входящих в нее элементов.

2. Устойчивые связи. В любой системе устанавливаются те 

или иные связи (отношения) между элементами. Связь интерпретируется как физический канал, по которому обеспечивается 
обмен между элементами системы и системы с окружающей средой, веществом, энергией и информацией.

Основные характеристики связи: физическое содержание, 

направленность, мощность и роль в системе. По физическому 
содержанию связи можно разделить на вещественные, энергети

1.1. Общие сведения о системе

ческие, информационные, смешанные и ненаполненные (отношения). По направленности различают следующие виды связей: 
прямые, обратные, контрсвязи и нейтральные. Важной характеристикой отношений и связей в системе является их сила (или 
мощность). Роль связей в системе определяется характером их 
влияния на процессы в системе: соединительные, ограничивающие, усиливающие, запаздывающие, селектирующие, преобразующие, координирующие, обратные и др.

3. Организация. Каждая система характеризуется наличием 

определенной организации. Мерой организации системы, т. е. ее 
устойчивой тенденции к сохранению или изменению в определенном направлении своего состояния вопреки внутренним деструктивным процессам и случайным внешним воздействиям, 
является информация.

4. Интегративные качества. Это такие свойства, кото
рые присущи системе в целом, но не проявляются в отдельных элементах. Наличие интегративных качеств показывает, 
что свойства системы зависят от характеристик ее элементов, 
но не определяются ими полностью. Это означает, что система 
не сводится к простой совокупности элементов, а применение 
декомпозиции, т. е. разделение системы на отдельные части и 
изучение отдельных частей, не позволяет исследовать свойства 
системы в целом.

5. Целенаправленность функционирования. Определение цели 

системы – сложная задача, которую не всегда удается определить традиционным образом. В общем случае цель – желаемый 
результат деятельности системы, достижимый в пределах некоторого интервала времени.

Цели системы непосредственно связаны с процессами управ
ления. Под целью управления принято понимать количественно 
определенную область требуемых значений с учетом параметров, 
критериев и времени, отвечающих при их полном соблюдении 
оптимальному функционированию системы. Следует отметить, 
что при частичном достижении целей управления системе может 
быть причинен «ущерб».

Под эффективностью системы понимают успешность до
стижения цели. Для оценки эффективности систем используют 
характеристики, являющиеся отношением между показателями 
полезности результатов управления в соответствии с целями и 

1. Системы автоматического управления

затратами, потерями в процессе управления. При этом задачи 
управления принято разделять на два основных класса: 

задачи, в которых управление осуществляется в целях до• 

стижения определенного результата;

задачи, в которых управление осуществляется в целях по• 

лучения наилучшего (экстремального) значения некоторой величины, характеризующей конечный эффект управления.

По характеру взаимодействия со средой различают замкну
тые и открытые системы. В замкнутых системах отсутствуют 
процессы обмена энергией, веществом и информацией со средой, 
в открытых – происходит постоянное взаимодействие со средой 
путем обмена энергией, веществом и информацией. 

1.2. основные понятия автоматизации

Автоматизация производства – это процесс в развитии про
изводства, при котором функции контроля и управления, ранее 
выполнявшиеся человеком, передаются техническим устройствам 
(средствам и приборам автоматизации).

Цели автоматизации производства: сокращение численности 

обслуживающего персонала; повышение качества продукции; 
снижение расходов сырья и различных видов энергии; сокращение отходов производства; повышение ритмичности производства и производительности труда; увеличение объема выпускаемой продукции; улучшение условий труда работников; экологичность производства. 

Автоматизация производственных процессов развивается в 

двух направлениях: 

создание систем локальной автоматизации технологиче• 

ских процессов, которые обеспечивают стабилизацию заданных 
рабочих режимов путем поддержания постоянными или изменяющимися по заданной программе параметров процесса; 

создание автоматизированных систем управления техноло• 

гическими процессами и производством в целом с применением 
вычислительной техники.

Автоматизация производственных процессов в зависимости 

от поставленных задач может быть частичной, комплексной и 
полной.

Частичная автоматизация отдельных производственных про
цессов, устройств, элементов оборудования реализуется просты

1.2. Основные понятия автоматизации

ми техническими средствами без сложной подготовки автоматизируемого оборудования и процессов.

Комплексная автоматизация проводится на участке или в 

цехе, которые функционируют как единый взаимосвязанный автоматизированный комплекс, т. е. при участии людей. Комплексная автоматизация возможна при высокоразвитом производстве с 
совершенной технологией и при прогрессивных методах управления с применением надежного производственного оборудования, 
действующего по заданной или саморегулирующейся программе.

При комплексной автоматизации функции человека состоят 

в контроле и управлении работой комплекса.

Полная автоматизация предусматривает передачу всех функ
ций управления и контроля производством автоматическим системам управления. Полностью автоматизируют рентабельные 
производства с устойчивой программой развития, режимы работы которых неизменны в обозримом будущем. Особенно важна 
полная автоматизация в условиях производств, опасных для жизни и здоровья человека.

При автоматизации технологических процессов применяют 

локальные системы различных классов, в том числе системы автоматического управления (САУ).

Система автоматического управления – комплекс устройств, 

предназначенных для автоматического изменения одного или 
нескольких параметров объекта управления с целью установить 
требуемый режим его работы. Под САУ также понимают совокупность объекта управления и устройства управления. 

В зависимости от уровня автоматизации производства под 

объектом управления (ОУ) понимают отдельный аппарат, машину, 
агрегат, технологический участок, технологическую линию или 
цех. Устройством управления (УУ) называют комплекс технических средств, обеспечивающих получение информации о состоянии ОУ, сравнение ее с заданными технологическими параметрами и, при рассогласовании параметров ОУ с заданием, выдачу 
управляющего воздействия в ОУ.

При этом качество работы ОУ могут определять несколько 

технологических параметров, так же как и управляющие воздействия могут вводиться по нескольким каналам. Технологические 
параметры, определяющие качество выпускаемой из объекта 
продукции, называют качественными. Параметры продуктов и 

1. Системы автоматического управления

энергоносителей на входе в ОУ, которые влияют на качественные 
параметры, называют количественными.

Рассмотрим функциональную схему системы автоматическо
го управления. 

Разделение САУ на отдельные элементы целесообразно, по
скольку это позволяет осуществить разработку САУ и произвести 
ее анализ, а также определить функциональную сущность отдельных ее элементов. Кроме того, предоставляется возможность 
построить функциональную схему САУ. В зависимости от числа 
контролируемых (регулируемых) качественных параметров САУ 
могут быть одно- и многопараметровыми. На рисунке 1.1 показана функциональная схема многоконтурной САУ.

ОУ

УУ

Задание

μ1 ± ∆μ1
φ1 ± ∆φ1

φ1 ± ∆φnд

φn ± ∆φn

φ1 ± ∆φ1д

μm ± ∆μm

Рис. 1.1. Функциональная схема многоконтурной 

системы автоматического управления

Из объекта выходит продукт, который характеризуется каче
ственными параметрами φ от 1 до n. Продукт имеет отклонения 
качественных параметров от номинального φ на величину Δφ. 
Эта информация поступает в устройство управления УУ, которое сравнивает отклонения качественных параметров Δφ1 с допускаемыми Δφnд. При превышении Δφ1 по отношению к Δφnд УУ 
выдает управляющее воздействие μ1 ± Δμ1 на количественные параметры m, поступающие в ОУ. Число количественных параметров m не обязательно должно совпадать с числом качественных 
параметров n, так как один и тот же количественный параметр 
может влиять на несколько качественных одинаково.