Автоматизированные информационно-управляющие системы

 
 
 
И. В. РЯБОВ 
 
 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ  
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ  
СИСТЕМЫ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
1 

УДК 681.5:658.5 
ББК 32.965 
 
Р98 
 
Рецензенты: 
доктор физико-математических наук, профессор, проректор 
по научной работе МарГУ Леухин А. Н.; 
кандидат технических наук, доцент ПГТУ Чернышев А. Ю. 
 
 
 
 
Рябов, И. В. 
Р98  
  
Автоматизированные информационно-управляющие системы : учебное пособие / И. В. Рябов. – Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2023. – 208 с. : ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-1374-9 
 
Рассмотрены теоретические основы построения распределенных иерархических информационно-управляющих систем, автоматизированных систем управления технологическими процессами. Даются рекомендации по выбору технических средств при 
разработке указанных систем.  
Для студентов, обучающихся по специальности «Управление 
и информатика в технических системах». Может быть полезно 
научным работникам, инженерам, аспирантам. 
 
УДК 681.5:658.5 
ББК 32.965 
 
 
Печатается в авторской редакции 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1374-9 © Рябов И. В., 2023 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
............................................................................ 6 
ВВЕДЕНИЕ 
..................................................................................... 7 
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ................................................... 12 
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ 
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ............................... 14 
1.1. Понятие об управлении. Роль информации  
в управлении .................................................................................. 14 
1.2. Объект автоматического управления ................................... 15 
1.3. Принципы автоматического управления 
.............................. 18 
1.4. Функциональная схема САУ 
................................................. 20 
2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ 
УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯМИ (АСУП) 
...................... 23 
3. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ 
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ ...... 28 
3.1. Общая характеристика автоматизированных 
информационно-управляющих систем 
........................................ 28 
3.1.1. Системный анализ задач управления ........................... 28 
3.2. Особенности и классификация автоматизированных  
информационно-управляющих систем 
........................................ 42 
3.2.1. Основные особенности АИУС ...................................... 42 
3.2.2. Критерии эффективности .............................................. 45 
3.2.3. Принципы разработки  
информационно-управляющих систем .................................. 46 
3.2.4. Классификация АИУС ................................................... 49 
3.3. Структура автоматизированных 
информационно-управляющих систем 
........................................ 53 
3.3.1. Общая характеристика автоматизированных систем 
организационного управления ................................................ 53 
3.3.2. Общая характеристика автоматизированных 
систем-управления технологическим процессом 
.................. 56 
4. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ  
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 
................ 61 
4.1. Методологическая основа проектирования ......................... 61 
3 

4.2. Начальные этапы разработки ................................................ 62 
4.3. Организация разработки автоматизированных  
информационно-управляющих систем 
........................................ 65 
4.4. Рабочая документация по проектированию 
......................... 71 
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ 
СИСТЕМ ....................................................................................... 78 
5.1. Структуризация работ проектирования ............................... 78 
5.2. Информационно-управляющие аспекты 
проектирования АИУС ................................................................. 81 
5.3. Этапы проектирования АИУС .............................................. 83 
5.3.1. Начальные этапы разработки и диагностический  
анализ ........................................................................................ 84 
5.3.2. Внешнее и внутреннее проектирование 
....................... 85 
5.3.3. Определение потоков 
..................................................... 86 
6. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ 
ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 
.......... 95 
6.1. Формализация целей и параметров....................................... 95 
6.1.1. Структуризация целей ................................................... 95 
6.1.2. Особенности проектирования АИУС  
в соответствии с поставленными целями 
............................... 98 
6.1.3. Модель организационной структуры АИУС ............... 99 
6.1.4. Формализация параметров .......................................... 100 
6.2. Комплекс технических средств (КТС)................................ 103 
6.2.1. Обоснование выбора КТС ........................................... 105 
6.2.2. Выбор системы сбора и передачи информации ........ 107 
6.3. Информационное обеспечение АИУС ............................... 110 
6.4. Выбор математического и программного обеспечения 
.... 111 
6.5. Расчет потребности в вычислительных средствах ............ 114 
6.5.1. Классификация задач ................................................... 114 
6.5.2. Предварительный расчет состава и количества 
вычислительного оборудования ........................................... 118 
6.6. Модель экономической эффективности АИУС................. 121 
6.6.1. Показатели эффективности капиталовложений ........ 122 
4 

6.6.2. Экономическая эффективность АИУС ...................... 124 
6.6.3. Показатели экономической эффективности АИУС .... 126 
7. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ  
УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ  
ПРОЦЕССАМИ ......................................................................... 128 
7.1. Общие принципы построения и функционирования  
АСУТП ......................................................................................... 128 
7.1.1. Примеры автоматизированных систем  
управления технологическими процессами 
......................... 128 
7.2. Отличие автоматических систем управления  
от систем автоматического управления .................................... 131 
7.3. Классификация АСУТП 
....................................................... 133 
7.4. Основные функции АСУ ..................................................... 136 
7.5. Разновидности структур АСУТП 
........................................ 137 
7.6. Этапы проектирования АСУТП .......................................... 139 
7.7. Характеристики технологического процесса 
как объекта контроля и управления 
........................................... 142 
8. ПОДСИСТЕМА СБОРА И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ 
ИНФОРМАЦИИ .......................................................................... 145 
8.1. Устройства распределенного сбора данных ...................... 146 
8.2. Выбор модулей подсистемы сбора и первичной 
обработки аналоговых сигналов ................................................ 149 
8.2.1. Выбор датчика .............................................................. 152 
8.2.2. Выбор АЦП 
................................................................... 154 
8.2.3. Выбор микроконтроллера 
............................................ 155 
8.3. Первичная обработка информации 
..................................... 157 
8.3.1. Проверка на достоверность ......................................... 157 
8.3.2. Сглаживание ................................................................. 159 
8.3.3. Экспоненциальное сглаживание 
................................. 161 
8.3.4. Пересчет в технические единицы ............................... 165 
8.3.5. Проверка на технологические границы...................... 167 
9. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ 
............................... 169 
9.1. Общие сведения о технологических процессах................. 169 
9.2. Структура локальной системы управления ....................... 171 
9.3. Алгоритмы формирования управляющих воздействий 
.... 173 
9.3.1. ПИД закон управления. Расчет параметров 
с использованием современных программных пакетов ..... 173 
5 

10. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 
АВТОМАТИЗАЦИИ ................................................................. 177 
10.1. Общие сведения о задачах автоматизации 
....................... 177 
10.2. Требования к оформлению функциональных схем 
......... 178 
10.3. Изображение технологического оборудования 
и коммуникаций........................................................................... 179 
10.4. Буквенные условные обозначения приборов 
и средств автоматизации (ГОСТ 21.404-85) ............................. 180 
11. АДАПТИВНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ 
............... 185 
11.1. Особенности задач проблемы управления 
при неполной информации о математической модели 
динамических объектов .............................................................. 185 
11.2. Математические модели объектов управления ............... 192 
11.3. Целевые условия в адаптивных системах ........................ 194 
11.4. Алгоритмы адаптивного управления 
................................ 197 
11.5. Этапы синтеза адаптивных систем ................................... 198 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................... 201 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
................................... 202 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Важным направлением современного этапа научно-технического прогресса является комплексная автоматизация. Происходит 
переход от автоматизированной работы отдельных установок, 
линий, участков к автоматизации цехов и предприятий в целом.  
В настоящее время создаются автоматизированные системы 
управления предприятиями и объединениями. 
Основной задачей данного учебного пособия является ознакомление студентов с основными методами построения систем 
автоматического (САУ) и автоматизированного (АСУ) управления.  
В данном учебном пособии приведены основные принципы 
и классификация АИУС различного назначения, определены 
основные принципы построения САУ и АСУ. 
Данное учебное пособие в основном предназначено для бакалавров, студентов и магистров специальности 220400 «Управление в технических системах», но может оказаться полезным и 
студентам других специальностей. 
Авторы выражают глубокую признательность рецензентам – профессору МарГУ А. Н. Леухину и доценту ПГТУ  
А. Ю. Чернышеву за ценные советы по уточнению содержания 
и улучшению изложения материала в книге. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 Первые автоматические устройства промышленного назначения были разработаны в связи с появлением паровых машин. 
Изобретение первого в мире промышленного регулятора было 
осуществлено знаменитым русским механиком И. И. Ползуновым в 1765 году. Это был регулятор, автоматически поддерживающий уровень воды в котле паровой машины. Предложенный 
И. И. Ползуновым принцип регулирования по отклонению является одним из основных принципов построения различных автоматических систем. 
 Во второй половине XIX века появились автоматические 
устройства, основанные на использовании электрической энергии. Одним из первых таких автоматов был электромагнитный 
регулятор скорости вращения паровой машины, разработанный 
русским ученым К. И. Константиновым. 
 Теоретические основы проектирования автоматических регуляторов были разработаны русским ученым И. А. Вышнеградским и английским ученым Дж. К. Максвеллом. Для создания и 
развития математического аппарата, используемого в исследовании автоматических систем, много сделали выдающиеся отечественные ученые А. М. Ляпунов, П. Л. Чебышев, Н. Е. Жуковский. 
 Длительное время работы по созданию автоматических систем в механике, теплотехнике, электротехнике велись независимо друг от друга, и только в 40-х годах XX века автоматика 
сформировалась в качестве самостоятельной научной дисциплины, изучающей методы анализа и синтеза систем автоматического управления в технике независимо от их физической 
природы.  
В эти же годы возникла новая научная дисциплина – кибернетика (от гр. kibernetike – искусство управления). В 1948 г. американский ученый Н. Винер определил кибернетику как науку об 
управлении и связи в живой и неживой природе. Одно из основ8 

ных положений кибернетики состоит в том, что управление – это 
процесс переработки информации.  
 Методы кибернетики находят применение не только при 
исследовании процессов управления в неживой природе, но и 
при исследовании процессов управления в живых организмах и 
в обществе. Поэтому автоматику теперь рассматривают как раздел кибернетики, посвященный изучению систем автоматического управления в технике (техническая кибернетика). 
 В настоящее время автоматические системы находят широкое применение во всех областях деятельности человека – в 
промышленности, на транспорте, в системах связи, в научных 
исследованиях. 
 
В развитии трудов теории автоматического управления велика роль трудов А. А. Андронова, Н. Н. Боголюбова, Б. В. Булгакова, И. Н. Вознесенского, П. С. Гольдфарба, А. Н. Колмогорова, А. А. Красовского, Н. М. Крылова, В. С. Кулебякина,  
А. В. Михайлова, Б. П. Петрова, Е. П. Пугачева, В. В. Солодовникова, А. С. Шаталова, А. А. Фельдбаума, Я. З. Цыпкина и 
многих других российских ученых. 
 
Рост числа производственных и информационных связей 
между отдельными предприятиями и учреждениями, повышение эффективности производства, перепрофилирование предприятий в условиях рынка сопровождаются ростом сложности 
процессов управления и систем управления. Увеличение объема 
информации, охватывающей все стороны производства, с ростом самого производства приводит к значительному усложнению задач управления. 
 
Системой управления называется система, в которой реализуется процесс управления путем взаимодействия объекта 
управления и управляющей части. 
Различают автоматические и автоматизированные (информационно-управляющие) системы управления.  
В системах автоматического управления (САУ), состоящих из объекта управления и управляющего устройства (управ9 

ляющей части), человек непосредственного участия в процессе 
управления не принимает. 
В автоматизированных системах управления (АСУ) 
предполагается обязательное участие людей в процессах управления. Сбор, анализ и преобразование информации в информационно-управляющих системах выполняется с помощью вычислительной техники. 
Эффективное решение задач управления в настоящее время 
немыслимо без привлечения средств вычислительной техники и 
всевозможных автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), в число которых входят автоматизированные системы управления технологическими процессами 
(АСУТП). 
АИУС и АСУТП создаются для совершенствования управления отраслями и отдельными предприятиями на основе применения математических методов, современных средств вычислительной техники и средств связи для наилучшего использования производственных фондов, увеличения выпуска продукции, 
снижения ее себестоимости, повышения производительности 
труда, рентабельности производства и роста прибылей. 
Проектирование АИУС требует постановки задачи проектирования в различных аспектах: информационном, техническом, математическом и эргономическом. Следует отметить, что 
нет единого подхода к решению подобных задач и не существует специализированного программного продукта, наиболее 
адаптированного к нуждам конкретных предприятий. Разработка АИУС начинается с постановки задачи проектирования, решения исследовательских задач. 
Решение задачи создания АИУС состоит из многих этапов: 
– аналитического исследования функционирования предприятия; 
– подготовки технических заданий; 
– создания пилот-проекта АИУС; 
– внедрения АИУС. 
10