Автоматизация и роботизация строительства

АВТОМАТИЗАЦИЯ 
И РОБОТИЗАЦИЯ 
СТРОИТЕЛЬСТВА

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва
РИОР

ИНФРА-М

А.Г. БУЛГАКОВ
В.А. ВОРОБЬЕВ 
С.И. ЕВТУШЕНКО
Д.Я. ПАРШИН

Допущено Учебно-методическим объединением вузов 

по образованию в области транспортных машин  

и транспортно-технических комплексов для бакалавриата  

и магистриата техники и технологии направления «Автоматизация  

и управление» и для подготовки дипломированных специалистов 

(инженеров) по направлению «Автоматизация и управление»  

в качестве учебного пособия для студентов строительных 

 специальностей высших учебных заведений

Второе издание

УДК 69.05(075.8)
ББК 38.6я73
          А22

А22 
 
Автоматизация и роботизация строительства : учебное пособие /  
А.Г. Булгаков, В.А. Воробьев, С.И. Евтушенко, Д.Я. Паршин. — 2-е изд. —  
Москва : РИОР : ИНФРА-М, 2022. — 452 с. — (Высшее образование). — 
DOI: https://doi.org/10.12737/13464

ISBN 978-5-369-01109-6 (РИОР)
ISBN 978-5-16-006231-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103874-1 (ИНФРА-М, online)
Изложены основные вопросы современного состояния автомати
зации и роботизации в строительстве. Рассмотрены основные понятия 
и определения автоматизации машин, механизмов и технологических 
процессов, принципы построения систем управления, математическое 
описание систем автоматического регулирования, их динамические 
характеристики, вопросы устойчивости и качества систем управления. 
Изложены вопросы автоматизации и роботизации земляных, свайных, 
бетонных и отделочных работ.

Предназначено для студентов вузов, обучающихся по строитель
ным специальностям и направлениям. 

УДК 69.05(075.8)
ББК 38.6я73

ISBN 978-5-369-01109-6 (РИОР)
ISBN 978-5-16-006231-0 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103874-1 (ИНФРА-М, online) 
© Авторский коллектив

Подписано в печать 20.10.2015.

Формат 60×90/16. Гарнитура Newton. 
Бумага офсетная. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 28,5. Уч.-изд. л. 29,77.

Тираж 500 экз.
Цена свободная.

ТК 415900–959951–260213

ООО «Издательский Центр РИОР»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В.

Тел.: (495) 280-38-67. Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: info@rior.ru    https://www.riorpub.com

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96. Факс: (495) 280-36-29.

E-mail: books@infra-m.ru

http://www.infra-m.ru

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ВВЕДЕНИЕ

В современном строительстве одним из путей интенсификации 
производства является автоматизация строительных операций на 
основе использования современных достижений измерительной и 
микропроцессорной техники, мехатроники и робототехники. Анализируя состояние автоматизации строительства, можно сделать вывод, что ее уровень остается недостаточно высоким, несмотря на 
широкий спектр научных и проектных разработок. В наибольшей 
степени средства автоматизации применяются на предприятиях строительной индустрии. Вместе с тем необходимость снижения себестоимости сооружения объектов, а также постоянно растущая стоимость 
рабочей силы, превышающая рост стоимости материалов, стимулируют создание и использование многочисленных средств и систем 
автоматизации строительных операций, процессов и оборудования.

В настоящее время созданы и находят применение бульдозеры, 
скреперы, экскаваторы и другие машины, оснащенные микропроцессорными системами, устройствами программного и дистанционного управления. В новых моделях машин используется автоматическое регулирование скорости рабочих движений, управление отдельными технологическими операциями и т.п. Это позволяет повысить 
производительность и точность работы машин независимо от квалификации и степени утомляемости машиниста. При выполнении земляных и строительно-монтажных работ широко применяют лазерные 
приборы для задания направлений и осевых линий. Наибольшее распространение лазерные системы ориентирования нашли при выполнении планировочных работ и возведении монолитных сооружений. 
Интерес представляют башенные и самоходные краны с дистанционным и программным управлением, позволяющие значительно повысить эффективность выполнения монтажных операций. Высокий 
уровень автоматизации имеют бетоносмесительные установки. Разработаны и внедряются микропроцессорные системы управления 
процессом дозирования, перемешивания и укладки бетонных смесей. 
В последнее время ведутся интенсивные работы по роботизации монтажных и отделочных операций.

ГЛАВА 1. 
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

1.1. Основные понятия и определения

автоматизации производства

Автоматика — это отрасль науки и техники, которая занимается 
теорией и построением систем управления, работающих без участия 
человека. Основой этой отрасли является теория автоматического 
управления. Следует отметить, что термин «автоматика» используется иногда и в более узком смысле — как совокупность механизмов и 
устройств, действующих автоматически.

Автоматизация производства — это этап машинного производ
ства, характеризуемый освобождением человека от непосредственного управления производственным процессом и передачей этих 
функций автоматическим устройствам. Автоматизация предполагает применение методов и средств автоматики для превращения неавтоматических процессов в автоматические.
В современной технике используются разнообразные автомати
ческие устройства и системы, отличающиеся друг от друга физической 
природой, принципом действия, схемными и конструктивными решениями. Все эти устройства и системы предназначены для выполнения одной из следующих основных задач: автоматизации контроля, сигнализации, защиты или управления.

Автоматический контроль выполняет измерение различных па
раметров технологического процесса и их регистрацию с помощью 
измерительных приборов.

Автоматическая сигнализация предназначена для оповещения 
обслуживающего персонала о предельных или аварийных значениях 
каких-либо физических параметров, о месте и характере нарушений 
технологического процесса.

Автоматическая защита представляет собой совокупность тех
нических средств, которые при возникновении ненормальных и аварийных режимов либо прекращают производственный процесс, либо 
устраняют ненормальные режимы.

Дистанционное управление — ручное управление на расстоянии 
механизмами в пределах производственного комплекса с использованием на каждый механизм отдельной линии связи. Телеуправление
обеспечивает управление на расстоянии различными объектами с

помощью устройств, позволяющих передавать большое количество 
различных управляющих сигналов одновременно или в разное время 
по одной связи или по небольшому их числу.

Автоматизированное управление — управление, при котором сбор 
и обработка информации о состоянии объекта производятся автоматически (с помощью вычислительных машин), а принятие решений 
и выдача команд управления осуществляются человеком. Человекомашинная система, осуществляющая такое управление, называется 
автоматизированной системой управления (АСУ).

Автоматическое регулирование — процесс поддержания какого
либо параметра на заданном уровне или изменение его по определенному закону без участия человека. Совокупность устройств, обеспечивающих автоматическое регулирование, называется системой 
автоматического регулирования (САР).

Автоматическое управление — управление объектами без участия 
обслуживающего персонала. Совокупность технических устройств и 
объекта управления называется системой автоматического управления (САУ).

В общем случае автоматический контроль, сигнализацию, защи
ту, дистанционное управление и телеуправление можно рассматривать 
как составную часть процесса автоматического управления, наиболее 
распространенной разновидностью которого является автоматическое регулирование. Задача автоматического регулирования заключается в том, чтобы поддерживать заданные значения показателей 
какого-либо процесса или изменять их определенным образом без 
непосредственного участия человека.
Физические величины, значения которых требуется поддерживать 
постоянными или изменять в соответствии с технологическими процессами, называются регулируемыми, или выходными, величинами. 
Автоматическое устройство, обеспечивающее регулирование значения какой-либо физической величины, называется автоматическим 
регулятором, а технический агрегат, в котором происходит процесс, 
подлежащий регулированию, называется объектом регулирования. 
Автоматический регулятор совместно с объектом регулирования составляет САР.

Процесс регулирования включает получение информации о за
дачах регулирования и о регулируемой величине, ее анализ, выработку решения и осуществление регулирующих действий. В соответствии 
с этим, автоматический регулятор должен иметь измерительные, 
промежуточные и исполнительные устройства.

Измерительное устройство служит для определения дей
ствительного значения регулируемой величины и сравнения его c 
заданным значением. Оно вырабатывает сигнал соответ-ствующего 
знака, пропорциональный разности измеренного и заданного значений регулируемой величины. Измерительное устройство состоит из 
чувствительного, задающего и сравнивающего элементов. Чувствительный элемент, или датчик, выполняет функции источника информации о действительном значении регулируемой величины.Задающий 
элемент служит для введения в систему требуемого закона изменения 
регулируемой величины. Элемент сравнения осуществляет сопоставление измеренного (xос) и заданного (xзад) значений регулируемой 
величины и формирование сигнала управления.
Выходной сигнал измерительного устройства в большинстве слу
чаев не может быть непосредственно использован для управления 
исполнительным устройством САР из-за малой мощности или несовпадения по физической природе. Поэтому между измерительным и 
исполнительным устройствами включаются промежуточные элементы. Промежуточные элементы преобразуют выходной сигнал измерительного устройства по виду и величине таким образом, чтобы он 
обеспечивал надежную работу исполнительных устройств системы. 
К ним относятся усилители, обеспечивающие простое усиление сигнала по величине или мощности, и преобразователи, осуществляющие преобразование сигнала по виду или по требуемому функциональному закону.

Исполнительное устройство — это элемент системы, который не
посредственно оказывает воздействие на регулирующий орган объекта с целью восстановления требуемого значения регулируемой 
величины.

Отдельные элементы, входящие в состав автоматической систе
мы, определенным образом связаны между собой. Связь, обеспечивающая передачу сигналов между элементами в направлении объекта регулирования, называется прямой, а связь выхода объекта регулирования со входом автоматического регулятора называется 
главной обратной связью системы. Обратная связь служит для сравнения действительного значения регулируемой величины с заданной. 
Различают положительную и отрицательную обратные связи. При 
положительной обратной связи сигнал xос совпадает по знаку с входным сигналом xзад, а при отрицательной — их знаки противоположны. Наряду с главной обратной связью в САР могут иметь место 
местные обратные связи, которые охватывают отдельные элементы 
или группу элементов. В зависимости от характера действия обратная 

связь может быть гибкой и жесткой. Жесткая обратная связь действует в установившемся и в переходном режимах работы, а гибкая — 
только в переходном режиме.
Графическое изображение САР, на котором приводятся ее эле
менты и связи между ними, называется структурной схемой (рис. 1.1).
Каждый элемент системы на такой схеме условно изображается прямоугольником с указанием выполняемой функции, а связи между 
элементами указываются линиями со стрелками.

Рис. 1.1. Структурная схема САР

Регулируемая величина y в автоматических системах зависит от 
ряда факторов, определяемых внешними условиями и внутренними 
свойствами самой системы. Переменные величины, оказывающие 
влияние на регулируемую величину, называются воздействиями. Различают управляющие, задающие, регулирующие и возмущающие
воздействия (рис. 1.1). Управляющее воздействие (Fупр
F
) представляет 
собой внешнее воздействие, поступающее на систему через задающий
элемент. Оно исходит от человека или управляющего устройства. Задающее воздействие (Uзад
U
) формируется задающим элементом в соот
ветствии с требуемым законом изменения регулируемой величины. 
Регулирующее воздействие (Fрег
F
) создается автоматическим регулято
ром с целью устранения отклонения регулируемой величины от заданного значения. Возмущающие воздействия (Fвоз
F
) — это внешние 
воздействия на объект регулирования, вызывающие нарушения требуемой функциональной связи между задающим воздействием и регулируемой величиной. Они подразделяются на основные и помехи. 
К основным относятся воздействия, существенно влияющие на ре

гулируемую величину и легко поддающиеся измерению. Все остальные виды возмущающих воздействий называются помехами.

В процессе работы САР могут находиться в различных состояни
ях. Возможны два качественно отличных друг от друга состояния 
системы: установившееся и неустановившееся. При установившемся
(статическом) режиме регулируемая величина остается постоянной 
или изменяется с постоянной скоростью, при этом внешние воздействия на систему остаются постоянными либо равномерно изменяются во времени. В неустановившемся (динамическом) режиме регулируемая величина изменяется во времени вследствие изменения 
внешнего воздействия. Если внешнее воздействие изменяется скачкообразно, то система совершает переход из одного установившегося состояния в другое. Изменение состояния системы под действием 
ступенчатого воздействия называется переходным процессом.

Автоматические системы можно классифицировать по ряду при
знаков: назначению, степени автоматизации, характеру алгоритма 
управления, виду сигнала, используемому носителю информации, 
применяемой элементной базе.

По назначению автоматические системы разделяются на системы 

управления, регулирования, контроля, сигнализации и защиты, блокировки и др. Наиболее сложными по структуре и набору функциональных элементов являются автоматические системы управления и 
регулирования.
По степени автоматизации различают частичную, комплексную 
и полную автоматизацию производства. Частичная автоматизация
представляет собой автоматизацию отдельных операций или технологических процессов. Во многих случаях она применяется тогда, 
когда человек практически не может управлять производственными 
процессами из-за их сложности и быстротечности. Частично, как 
правило, автоматизируется действующее производственное оборудование. Системы частичной автоматизации называются локальными системами. При комплексной автоматизации участок, цех или 
завод работают как автоматизированный объект. При этом автоматизация охватывает все основные производственные функции 
предприятия, хозяйств, служб. Она целесообразна лишь при высокоразвитом производстве на базе совершенной технологии и прогрессивных методов управления с применением надежного производственного оборудования, действующего по заданной или самоорганизующейся программе. Полная автоматизация охватывает как 
основные, так и вспомогательные процессы. Функции человека при 
этом ограничиваются общим контролем состояния процесса. Степень

автоматизации определяется, прежде всего, ее экономической эффективностью и целесообразностью.

По характеру алгоритма управления, под которым понимается
совокупность действий, выполняемых системой в процессе ее функционирования, различают следующие автоматические системы
управления:

– стабилизирующие — поддерживающие значение управляемой 
величины постоянным; 

– программные — изменяющие управляемую величину в соответствии с заранее заданной последовательностью во времени;

– следящие — изменяют управляемую величину в зависимости от
неизвестного заранее значения переменной величины на входе автоматической системы; 

– адаптивные (самоприспосабливающиеся) — алгоритм управ
ления изменяется автоматическим устройством таким образом, чтобы автоматическая система осуществляла заданную цель управления;

– логико-программные — изменяющие состояние управляемого 
объекта в соответствии с требуемой последовательностью рабочих 
операций.

По виду сигнала САР делятся на системы непрерывные и дискретР

ные. В непрерывных системах все элементы формируют сигналы в 
виде непрерывных функций времени. В них регулирующий орган,
будучи все время связан с чувствительным элементом, непрерывно 
следует за отклонением регулируемого параметра в соответствии с 
сигналом чувствительного элемента.
В дискретных системах присутствует по крайней мере один эле
мент, производящий квантование непрерывных сигналов по уровню,
времени либо одновременно по обоим. В соответствии с этим дискретные системы, в свою очередь, делятся на релейные, импульсные 
и цифровые. В релейных системах осуществляется квантование по 
уровню, в импульсных — по времени, а в цифровых — по уровню и 
времени.

В зависимости от используемого носителя информации и соответ
ствующих ему средств автоматизации автоматические системы подразделяются на электрические, пневматические, гидравлические и
комбинированные. Наибольшее применение в практике автоматизации технологических процессов получили электрические системы
благодаря широкой номенклатуре технологических средств и удобству 
использования электрических сигналов как носителей информации.
В условиях повышенной взрывоопасности применяются пневматические системы автоматизации. Гидравлические системы использу

ются крайне редко, в связи с трудностями дистанционной передачи 
управляющих воздействий.

1.2. Свойства и характеристики объектов управления 
и элементов автоматических устройств

Автоматическая система создается для управления определенным 
объектом, поэтому, прежде чем автоматизировать объект, необходимо хорошо изучить его характеристики. Может оказаться, что объект 
не поддается автоматизации или, наоборот, без автоматического регулятора он вообще работать не может. Свойства объекта управления 
выражаются следующими основными характеристиками: емкостью, 
временем разгона, самовыравниванием.
Значение регулируемой величины объекта управления зависит 
от поступления вещества или энергии, которое определяется разностью притока Qпр и расхода Qp
Q (Q = Qпр – Qст). При Q = 0 значеQ

ние регулируемой величины остается постоянным во времени, и
такое состояние называется равновесным. Изменение регулируемой 
величины происходит вследствие управляющих воздействий, влияющих на расход или приток. Возмущающим воздействием может быть 
изменение нагрузки, связанное с режимом работы объекта, или помехи, т.е. внешние воздействия, не связанные с нормальной работой 
объекта. Например, в баке с водой регулируемой величиной является уровень воды, нагрузкой — расход воды, регулирующим воздействием — подача воды, а помехами — утечки. Многие объекты управления, например баки, обладают способностью накапливать энергию
или вещество. Эта способность называется емкостью объекта и определяет скорость изменения регулируемой величины при изменении 
разности между притоком и расходом. Если эта скорость линейно
зависит от разности притока и расхода Q

dxвых /
х
dt =
t
Q / C,

то величина С называется коэффициентом емкости
С
. Численно он 
равен количеству энергии или материи, воздействия которых изменяют регулируемую величину на единицу в течение 1 с. В безразмерной форме последнее уравнение можно записать в виде

Tp
T  = dx
d вых /
х
dt =
t
q,

где xвых =
х
xвых /
х
xвых. н;

q = (Qпр – Qст) / Qmax =
x
Q /
Q
Qmax;