Системы автоматизации и управления

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  
Федеральное государственное бюджетное  
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
А. В. Чупаев, А. Ю. Шарифуллина 
 
 
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ  
И УПРАВЛЕНИЯ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2020 

УДК 658.5.011.56(075) 
ББК 32.965я7

Ч-92

 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доц. Р. С. Зарипова 
канд. техн. наук, доц. С. Ю. Ситников 
 
 
 
 
 
 
 

 
Ч-92 

Чупаев А. В. 
Системы автоматизации и управления : учебное пособие / 
А. В. Чупаев, А. Ю. Шарифуллина; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 88 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2898-3

 
Рассмотрены процедуры контроля достоверности исходной информации в АСУТП, датчики технологической информации, автоматические системы регулирования, принципы работы регулятора температуры, методы динамического программирования для решения задач оптимального управления, 
алгоритмы идентификации и адаптивного управления. 
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 27.03.04 
«Управление в технических системах», профили «Системы и средства автоматизации технологических процессов», «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами». 
Подготовлено на кафедре систем автоматизации и управления технологическими процессами. 
 

 

ISBN 978-5-7882-2898-3
© Чупаев А. В., Шарифуллина А. Ю., 2020
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 658.5.011.56(075) 
ББК 32.965я7

ВВЕДЕНИЕ 

Настоящее учебное пособие предназначается для студентов, обучающихся по направлению 27.03.04 «Управление в технических системах» с целью углубления знаний по дисциплине «Системы автоматизации и управления».    
Основой современных подходов к инженерной и научно-технической деятельности в области автоматизации и управления является 
систематизация знаний, умений и навыков по их математическому, техническому и программному обеспечениям. 
Главной задачей, которая преследуется в процессе создания систем автоматизации, является повышение качества управления технологическими объектами или процессами в соответствии с поставленными целями. Для поиска правильного решения этой задачи необходимо полное понимание принципов построения систем автоматизации 
и управления. Этой актуальной теме и посвящено данное издание. 
Теоретический материал дисциплины «Системы автоматизации и 
управления» совместно с лабораторным практикумом направлены на 
получение обучающимися первичных знаний, умений и навыков по 
разработке систем автоматизации и управления технологическими процессами. 
Авторы работы стремились, чтобы данное учебное пособие, раскрывая теоретические вопросы, связанные с основными разделами дисциплины, помогало студентам в их подготовке к выполнению и защите 
лабораторных работ.            

1. КОНТРОЛЬ ДОСТОВЕРНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ  
ИНФОРМАЦИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ 
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ  
И КОРРЕКЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ 

Достоверность измеряемой информации является одним из факторов, напрямую влияющих на эффективность функционирования различных систем регулирования и управления. Отсутствие достоверных данных на входе системы управления приводит к искажению выходных результатов, что, в свою очередь, снижает качество управления. 
Требования к качеству информационного обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) 
формируются под влиянием современного уровня развития установок, 
характеризуемого интенсификацией технологических процессов и использованием аппаратов большей производительности. Рост интенсификации протекания технологических процессов привел к необходимости 
значительного ускорения процедур измерения и передачи информации. 
Это одно из ключевых требований к качеству современного информационного обеспечения. Увеличение объемов измеряемой информации 
вследствие повышения производительности технологического оборудования стало причиной качественного изменения структуры АСУТП, выразившегося в использовании современных программно-технических 
комплексов (ПТК). Применение современных ПТК предъявляет более 
высокие требования к достоверности и надежности информационного 
обеспечения. Таким образом, качественное информационное обеспечение современных АСУТП на базе ПТК базируется на двух взаимосвязанных проблемах – получении достоверной информации и надежной ее доставке конечному потребителю. 
Исходная информация о текущем состоянии объекта поступает 
в АСУТП по множеству информационно-измерительных каналов 
(ИИК). С увеличением их числа возрастает риск попадания в систему 
недостоверной информации. Поэтому одной из важнейших функций 
первичной обработки информации в АСУТП является контроль ее достоверности [1, 2]. Недостоверная измерительная информация может 
возникнуть в результате отказов ИИК. Отказы делятся на полные и частичные (метрологические).  
При частичном отказе средства измерения сохраняют работоспособность, однако погрешность измерения соответствующего параметра 
превышает допустимое значение. 

Полный отказ наступает при выходе из строя или повреждении 
ИИК. Обнаружение полных отказов ИИК является гораздо более простой задачей, чем выявление частичных отказов. Алгоритмы контроля 
достоверности исходной информации позволяют обнаруживать только 
полные отказы ИИК. При этом недостоверное значение параметра 
должно быть заменено достоверной оценкой, в качестве которой может 
быть использовано предыдущее достоверное значение этого параметра 
или его значение, усредненное за некоторый интервал времени, предшествующий моменту обнаружения отказа ИИК. Последний способ 
применяют для наиболее ответственных параметров, например, расходов сред различной природы, значения которых используют при расчете технико-экономических показателей. 
 
1.1. Алгоритм допускового контроля параметров 
 
Алгоритм допускового контроля параметров основан на том, что 
при работе объекта значения каждого из контролируемых технологических параметров 
 не могут выходить за определенные границы: 

. 
Соответственно при исправном ИИК должен быть ограничен и 
сигнал измерительной информации 
, поступающей в АСУТП по 
этому каналу:  
 
. 
 (1.1) 
Контроль достоверности по этому алгоритму заключается в проверке выполнения условия (1.1) для каждого значения сигнала измерительной информации, поступающего при очередном опросе ИИК. 
Блок-схема алгоритма представлена на рис. 1.1.  
После начала работы алгоритма (блок 1) и ввода исходных данных 
(блок 2) организуется цикл проверки ИИК, каждому из которых присвоен свой номер 
 (блок 3); в блоке 4 проверяется условие (1), при выполнении которого проверяется условие окончания работы алгоритма 
(блок 5). Выполнение условия 
 (где 
 – число контролируемых 
ИИК) останавливает работу алгоритма. Если это условие не выполняется, счетчик номера ИИК увеличивается на 1 (блок 8), и цикл повторяется. Если при проверке в блоке 4 условие (1) не выполняется, то в 

блоке 6 недостоверное значение
 заменяется на 
 

ix

*
*i
i
i
x
x
x
£
£

iy

*
*i
i
i
y
y
y
£
£

r

r
n
=
n

(
)
0
ry
jt
(
)
(
)
0
1
ry
j
t

в предыдущем цикле опроса ИИК. 
– цикл (период) опроса измерительного канала. Затем на печать выводится сообщение о том, что обнаружен 
отказ -го ИИК (блок 7), и работу алгоритма продолжает блок 5.  

 

Рис. 1.1. Блок-схема алгоритма допускового контроля  
достоверности исходной информации 

0t

i

Основным недостатком допускового контроля по измеряемым 
параметрам является то, что оценка работы оборудования производится 
в целом без локализации причины отклонений параметров. Алгоритм 
допускового контроля по скорости изменения сигнала измерительной 
информации является более универсальным. Это объясняется тем, что 
большинство контролируемых процессов по своей природе достаточно 
инерционны. 

1.2. Алгоритм допускового контроля скорости изменения  
сигнала измерительной информации 

Алгоритм основан на том, что скорость изменения любого параметра 
 ограничена условием 

 
, 
(1.2) 

где 
 – частота среза функции 
; 
– среднее значение этой функции. 
Соответственно должна быть ограничена и скорость изменения 

сигнала измерительной информации 
: 

 
, 
(1.3) 

где 
 – максимальное возможное значение 
. 

Контроль достоверности по данному алгоритму заключается в 
проверке выполнения условия (1.3), причем оценку производной рассчитывают по формуле 

 
. 

Контроль достоверности исходной информации по условиям 
(1.1) и (1.3) часто совмещается. Тогда в блок-схему алгоритма на 
рис. 1.1 между блоками 4 и 5 вводится еще один блок, осуществляющий 
проверку выполнения условия (1.3). При нарушении этого условия инициируется блок 6. 

rx

( )
*
r
c
r
r
dx
t
x
x
dt
w
£

c
w
( )
rx
t
rx

( )
ry
t

( )
*
r
r
dy
t

dt
J
£

*
r
J
( )
r
dy
t

dt

( )
(
)
(
)
0
0

0

1
r
r
r
y
j
y
j
dy
t

dt

t
t

t

é
ù
ë
û
»

Алгоритмы контроля достоверности исходной информации, с помощью которых выявляются частичные отказы ИИК, основаны на использовании информационной избыточности, которая всегда имеется в 
АСУТП за счет аппаратной избыточности, например, резервирования 
ИИК для контроля наиболее важных параметров. 
Другой вид информационной избыточности в АСУТП обусловлен тем, что информация о действительном значении некоторого параметра содержится не только в измеренном значении этого параметра, 
но и в измеренных значениях других параметров, связанных с ним 
устойчивыми зависимостями, например, уравнениями материального 
баланса. 

1.3. Алгоритмы, применяемые при аппаратном  
резервировании ИИК 

Эти алгоритмы используют сигналы измерительной информации 
, полученные в результате преобразования одной измеряемой величины с помощью 
 измерительных преобразователей (ИП), так что 
. 

Если 
 и погрешности ИП близки друг к другу, определение 
частичного отказа ИИК производится по нарушению условия 
 
, 
(1.4) 

где 
 – среднее значение 
; 
 – наибольшее допустимое зна
чение модуля разности 
 и 
; величина  может быть принята равной 

, где 
 – среднеквадратичная погрешность ИП. 
Важное практическое значение имеет случай, когда один из параллельных ИИК можно принять за эталонный, поскольку его погрешность существенно меньше, чем у других ИИК. В этом случае признаком частичного отказа -го ИИК является нарушение условия 
 
, 
(1.5) 

где 
– 
эталонный 
сигнал 
измерительной 
информации; 

 – допустимая погрешность 
-го ИИК; 
 – среднеквад
ратичная погрешность 
-го ИИК. 
Разновидностью данного алгоритма является метод тестовых (калиброванных) сигналов, который позволяет контролировать ИИК 

yJ

n

1,2,...,n
J =

3
n ³

;
1,
y
y
c
n
J
J
£
Î

y
yJ
c
const
=

yJ
y
c

(
)
2
3 s
s

i

;
1,2,...,
1
э
y
y
c
n
J
J J
£
=

эy

(
)
2
3
cJ
J
s
=
J
J
s

J

без ИП. Измерительный преобразователь на время отключают и вместо 
него к входу ИИК подключают источник тестового сигнала, для которого с высокой точностью известно значение 
. Если сигнал 
на выходе поверяемого ИИК удовлетворяет условию (1.5), то канал считается исправным [3]. 

1.4. Алгоритмы, использующие связи  
между измеряемыми величинами 

Эти алгоритмы широко применяют для контроля достоверности 
исходной информации и коррекции результатов измерений ИИК. При 
этом связи могут быть функциональными (например, уравнения 
материального или энергетического баланса) или вероятностными.  
В последнем случае они описываются регрессионными уравнениями. 
Общая методика контроля достоверности результатов измерения 
 величин, связанных 
 уравнениями, имеет вид  
 
 
(1.6) 

Необходимо условиться, что функции 
 заданы, заданы 
также дисперсии 
 погрешностей измерения, которые являются случайными величинами с нормальным законом распределения и нулевым 
математическим ожиданием. Уравнения (1.6) выполняются только при 
подстановке в них истинных значений 
 измеряемых величии. Если 

же значения измеряемых величин известны с погрешностями 
, т. е.  

 
, 
то при их подстановке функции
 не равны нулю: 

 
,  
(1.7) 
где 
 – погрешность выполнения j-го уравнения связи (1.6), вызванная 
погрешностями измерения. 
Функции 
 обычно являются непрерывными и дифференцирующими по всем аргументам, поэтому их можно разложить в ряд Тейлора по степеням величин 
: 

 
 
(1.8) 

эy
yJ

n
m
(
)
1
2
,
,...,
0;
1,2,...., .
j
n
f
x x
x
j
m
=
=

( )
jf
x

2
is

ix

ix
D

i
i
i
x
x
x
=
+ D
!

( )
jf
x

(
)
j
j
f
x
x
l
+ D
=

jl

( )
jf
x

ix
D

(
)
( )

2
2
2
1
1
...

n
n
j
j
j
j
i
i
i
i
i
i

df
d f
f
x
x
f
x
x
x
dx
dx
=
=
+ D
=
+
D
+
D
+
å
å