Основы автоматики

А. И. Бабёр

ОСНОВЫ АВТОМАТИКИ 

Допущено Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений  
образования, реализующих образовательные программы  
среднего специального образования по специальностям 

профиля образования «Техника и технологии»  

Минск
РИПО

2022

УДК 681.5(075.32)
ББК 32.965я723

Б12

А в т о р:

преподаватель УО «Минский государственный колледж электроники» А. И. Бабёр

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия общепрофессиональных дисциплин филиала БНТУ 

«Минский государственный политехнический колледж» (Н. И. Чембрович); 

исполняющий обязанности заведующего кафедрой автоматизированных  

систем управления производством УО «Белорусский государственный  
аграрный технический университет» кандидат физико-математических  

наук, доцент Н. М. Матвейчук

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.

Б12

Бабёр, А. И.

Основы автоматики : учеб. пособие / А. И. Бабёр. – Минск : РИПО, 

2022. – 83 с. : ил.

ISBN 978-985-895-016-3.

В учебном пособии рассмотрены основы автоматического управления, общие 

сведения о системах автоматического управления, их классификация, сведения об 
элементах и устройствах автоматики. Изложен принцип действия основных элементов и устройств, освещаются возможности использования вычислительной техники 
в устройствах автоматики. Курс базируется на знаниях, полученных в результате 
изучения дисциплин «Электротехника», «Электропривод», «Основы схемотехники», «Техническая механика», а также ряда общеобразовательных дисциплин. 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образования 

по специальностям профиля образования «Техника и технологии», может быть полезно студентам вузов и специалистам, работающим в области автоматики.

УДК 681.5(075.32) 

ББК 32.965я723

ISBN 978-985-895-016-3 
 © Бабёр А. И., 2022
© Оформление. Республиканский институт

профессионального образования, 2022

ВВЕДЕНИЕ

Первые автоматические устройства промышленного назна
чения стали появляться в XVIII в. в связи с созданием паровых 
машин. И.И. Ползунов изобрел регулятор уровня воды в котле паровой машины, использовав принцип, который известен и 
широко применяется как принцип регулирования «по отклонениям». Английский изобретатель Дж. Уатт разработал центробежный регулятор скорости вращения вала. Ж. Жаккаром был 
разработан ткацкий станок с программным управлением. 

Во второй половине XIX в. появились устройства, основан
ные на применении электрической энергии. К.И. Константинов 
разработал электромагнитный регулятор скорости вращения паровой машины. П.Л. Шиллинг в 1830 г. изобрел электромагнитное реле – одно из важнейших устройств, до сих пор широко 
применяемое в автоматике. Создание электронных ламп вызвало 
быстрое развитие автоматических устройств и способствовало 
продвижению науки об автоматическом регулировании.

Первоначально работы по созданию автоматических систем 

в различных отраслях техники велись независимо друг от друга. 
В начале 40-х годов XX в. автоматика стала формироваться как 
наука, изучающая общие принципы регулирования и управления в технике независимо от области ее применения.

Еще в XIX в. английский математик Дж. Буль в расчете фор
мализовать процесс мышления разработал алгебру логики, которая тогда была воспринята как курьез. Через 100 лет этот раздел 
науки, развитый до теории автоматов, стал основным в теории 
автоматики и вычислительной техники.

Развитие автоматики происходило от создания отдельных ав
томатических устройств (ткацкий станок, автоматический регулятор скорости, уровня и др.) к автоматическим системам (энергетические системы, системы защиты от коррозии; автоматизация работы инженерных систем, в частности канализации и т. д.).

В 1944 г. была создана первая ЭВМ, а в 1948 г. Н. Винер 

(один из ее создателей) ввел термин «кибернетика», обозначив им 

Введение

теорию управления и связи. Кибернетика – греческое слово, обозначающее «искусство управления» (имелось в виду управление 
обществом). В настоящее время под этим термином понимают 
науку, которая занимается управлением, общими закономерностями процессов управления и передачи информации в технических и биологических объектах. Автоматика – один из разделов 
кибернетики.

С развитием науки, общей для разных областей знаний, по
явилась возможность проектирования систем, основываясь на 
общих принципах регулирования, что благоприятно сказалось 
на автоматизации во всех областях техники и науки. 

Качество разрабатываемых на разных этапах механизмов и 

устройств во многом зависело от таланта, уровня знаний разработчика (изобретателя) и его умения изготовить устройство. 
Создание научных знаний в области автоматики приводит к использованию этих знаний с уменьшением роли интуиции разработчика.

В настоящее время трудно найти область знаний, в которой 

не используются принципы автоматики: станки с ЦПУ (цифровым программным управлением), авиация, кораблестроение и 
навигация, передача управления на расстояния, связь, использование ВТ для управления объектами, интернет и его использование в промышленных объектах и т. д.

Интересно, что автоматическое управление используется не 

только в важных и сложных промышленных и научных объектах, но и в устройствах, не представляющих особой важности 
(например, детские игрушки). Более того, разработки в несущественных сферах иногда опережают, а затем переносятся в важные сферы. Примером могут служить квадрокоптеры, которые из 
области игрушек перешли в важную составляющую промышленности, науки и военной техники.

Особую роль в области автоматики играет вычислительная 

техника, с помощью которой успешно решаются не только сложные задачи проектирования систем автоматики, но и конкретные 
задачи управления. Неоценимую роль в автоматических системах управления играют микроконтроллеры, которые заменяют 
большое количество регулирующей аппаратуры. Системы становятся компактными и более простыми в управлении.

Теоретические основы регуляторов разработаны А.И. Выш
неградским, Дж.К. Максвеллом; большой вклад в развитие на

уки об автоматическом регулировании внесли Н.М. Ляпунов, 
П. Лаплас, Дж. Карсон, О. Хевиссайд, Л. Эйлер, А.В. Михайлов, Ю. Неймарк, В.С. Кулебакин, В.В. Солодовников, А.Н. Колмогоров и многие другие.

Родившись как инструмент расчетов в отдельных дисципли
нах, автоматика преобразовалась в самостоятельную науку, используемую во всех отраслях знаний.

Раздел 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

О СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Основные понятия и определения автоматики

Любое устройство, в том числе и автоматическое, состоит из 

отдельных элементов, каждый из которых выполняет свою функцию. Действия элементов в автоматических системах должны 
подчиняться определенным законам, в соответствии с которыми 
осуществляется их работа. Современная автоматика строится на 
основе теории автоматического регулирования (ТАР), которая и 
содержит необходимые для управления сведения. Довольно часто в современных системах просто регулирования недостаточно: 
необходимо не только регулировать, но и управлять, например 
путем передачи определенных сведений в систему. Поэтому более 
широкой теорией является ТАУ – теория автоматического управления. Целью регулирования является поддержание на заданном 
уровне или изменение по заданному закону некоторых величин, 
которые часто называют выходными величинами. Выходные параметры изменяются в соответствии с изменением входных величин. 
Входные и выходные параметры могут отличаться. Отличие их 
определяется ошибкой регулирования. Чем меньше ошибка, тем 
точнее система.

Объектом регулирования (управления) могут быть разные 

устройства: двигатель, турбина, паровой котел, дроссельная заслонка и т. д. Объекты регулирования могут быть простыми, но 
могут быть и достаточно сложными (паровой котел, турбина, генератор).

При регулировании система подвергается влиянию возмущений (возмущающих факторов). Возмущения представляют собой любые воздействия на систему, которые стремятся исказить 
результат регулирования. Возмущающие факторы бывают как 
внешними, так и внутренними. Внешние возмущающие факторы 
создаются средой, в которой находится оборудование, внутрен

1.1. Основные понятия и определения автоматики

ние – качествами самой системы, которые не могут быть заранее 
учтены (износ, нестабильность источников питания, температурные влияния и т. д.).

В систему регулирования входят объект регулирования (ОР) 

и элементы, необходимые для регулирования. Регулируются различные величины: скорость, давление, температура, расход, влажность и т. д.

Регулирование может производиться вручную или без уча
стия человека – автоматически. В последнем случае система называется системой автоматического регулирования (САР) или системой автоматического управления (САУ). Взаимодействие между элементами устройства описывается с помощью структурной 
схемы, в которой составные части изображаются в виде прямоугольников, взаимосвязи между ними – стрелками. Существуют 
некоторые правила изображения структурных схем, которые становятся понятными из примеров. 

Замкнутая и разомкнутая системы
На рисунке 1 изображены структурные схемы замкнутой 

(а, б) и разомкнутой (в) систем регулирования. В замкнутых системах выходная величина измеряется и сравнивается с входной 
величиной. Возникает возможность определить отклонение выходной величины от входной и произвести необходимые действия, чтобы уменьшить либо вообще уничтожить отклонения. 

В разомкнутых системах такой возможности нет.

а
З

З

ЭС

ЭС

З
У

У

У

Д

Д

ОР

ОР

ОР
РО

Q

k(∆x)
∆x

∆x
k(∆x)

k(xз)

xз

xз

xз

б

в

у

у

у

хвозм

хвозм

хвозм

y′

y′

Рис. 1. Структурные схемы систем регулирования

Раздел 1. Общие сведения о системах автоматического управления

1.2. Структурные схемы систем регулирования. 

Основные элементы

В схемах, показанных на рисунке 1, приведены устройства, 

работа которых описана ниже.

С помощью задатчика (З) задается закон xз(t) изменения 

выходной величины y(t). В качестве задатчика могут использоваться различные устройства: потенциометр, генератор частоты, 
регулируемый источник напряжения или тока и т. д. Величина 
xз(t), заданная с задатчика, является входной величиной. Входная 
величина может иметь разную физическую природу: напряжение, ток, сила, частота и т. д. На выходе – выходная величина 
y(t) – величина, для управления которой создана система регулирования. Выходной величиной может быть скорость, давление, 
напряжение, уровень жидкости в резервуаре и т. д. В зависимости 
от назначения системы входная величина xз(t) может изменяться с течением времени t или быть постоянной. Зависимость от 
времени обеих величин показана в их обозначениях – в виде 
функции от времени. Если xз(t) постоянная величина, выходная 
величина y(t) тоже будет постоянной и система будет называться 
стабилизирующей. Стабилизирующих систем много: стабилизатор напряжения, стабилизатор тока, стабилизатор высоты, стабилизатор давления и т. д. Если величина xз(t) изменяется, она 
отклоняется от некоторого среднего значения и задается в виде 
приращений к среднему значению. Приращения могут быть как 
положительными, так и отрицательными. Тогда выходная величина y(t) также отклоняется от некоторого среднего значения. 

Зависимость y(x) определяется в одни и те же моменты вре
мени. Для простоты входную величину обозначают символом x 
(а не x(t), что было бы точнее), выходную – y, подразумевая их 
зависимость от t. Часто входную величину обозначают xвх, а выходную xвых.

Усилитель У служит для усиления мощности, воздействую
щей на объект регулирования (ОР). Усилитель имеет коэффициент усиления k, его выходная величина k(∆x). Воздействие на ОР 
осуществляется с помощью регулирующего органа (РО). Например, расход воды или газа регулируется заслонкой или вентилем, 
напряжение – регулируемым усилителем, автотрансформатором 
или магнитным усилителем и т. д. Регулирующее воздействие 
k(∆x) на РО, поступающее от усилителя У, изменяет состояние РО 

1.2. Структурные схемы систем регулирования. Основные элементы

так, чтобы изменить воздействие величины Q на ОР в необходимом направлении. Например, если ОР является электродвигатель 
постоянного тока, выходной величиной y может быть скорость 
вращения. Регулирование производится, например, изменением 
напряжения, подаваемого на якорь двигателя. РО может служить 
тиристорный преобразователь напряжения. На него поступает 
управляющее воздействие k(∆x), изменяющее напряжение выхода 
тиристорного преобразователя, поступающего на якорь двигателя. В этом случае под Q можно понимать напряжение сети или 
максимальное напряжение преобразователя.

Если ОР – паровой котел, выходная величина y – темпе
ратура пара, а РО – вентиль, через который в топку подается 
топливо, например газ. Под Q можно понимать давление поступающего газа, которое является постоянным. При необходимости повысить температуру пара следует больше открыть вентиль 
(РО), чтобы увеличить количество топлива, поступающего в топку. Система должна быть спроектирована так, чтобы увеличению 
k(∆x) соответствовало большее открытие вентиля и большее поступление топлива. 

В замкнутых системах выход объекта регулирования связан 

с его входом. В изображенном примере выход связан со входом 
с помощью датчика Д, измеряющего выходную величину. Передача выходной величины на вход называется обратной связью 
(ОС). Выходная величина y сравнивается с входной х посредством элемента сравнения (ЭС). Датчик, кроме измерения, должен преобразовать выходную величину так, чтобы на ЭС входная 
и выходная величины могли быть подвергнуты сравнению. Например, если входная величина x поступает в виде напряжения, 
а выходная y представляет собой угловую скорость, сравнить их 
можно, преобразовав угловую скорость в соответствующее ей напряжение. Поэтому на рисунке 1 на ЭС поступает преобразованная выходная величина y′. Подавляющее число промышленных 
САР относятся к замкнутым системам.

С помощью ОС образуется контур регулирования. Систе
мы бывают одноконтурными, если регулируется одна выходная 
величина по одному каналу регулирования. Если регулируется 
несколько величин (например, для двигателя: скорость, момент, 
величина перемещения, сила тока), то системы могут быть двухконтурными и более. При этом каждая регулируемая величина 
входит в свой контур регулирования. Контуры регулирования