Автоматизированные информационно-управляющие системы

И. В. РЯБОВ






        АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ



Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

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

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 основ

8

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. 3. 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 (инфор-мационно-управляющие) системы управления.
    В системах автоматического управления (САУ), состоящих из объекта управления и управляющего устройства (управ

9

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

    Подобный подход позволяет создать именно такую АИУС, которая будет полностью соответствовать его назначению, решать комплексно все задачи управления, а само проектирование и внедрение АИУС будет осуществлено с наименьшими затратами.
    На начальном этапе, перед написанием технических заданий, проводится аналитическое исследование функционирования предприятия и его подразделений с целью постановки задач проектирования.
    В постановку задач проектирования входит разработка модели функционирования предприятия. Из практики известно, что при исследовании любых сложных объектов с целью дальнейшего построения АИУС необходимо вначале разработать математическую модель. Исследование модели математическими методами позволяет получить рекомендации относительно поведения реального объекта.
    Цель моделирования функционирования предприятия и его подразделений многосторонняя. Это получение обоснованного представления о характеристиках объектов исследования, поведении при действии возмущающих и управляющих воздействий, а также при изменении структуры объектов.
    Постановка задачи, отвечающая цели предприятия, формализация условий функционирования, достаточно полная математическая модель функционирования приведут к такому техническому заданию, в котором будут учтены требования автоматизации не только реального времени, но и перспективного развития.
    Дальнейшая реализация пилот-проекта АИУС будет непосредственно связана с выполнением условий технического задания.
    Для внедрения и эксплуатации АИУС необходимо создание современных технических средств сбора, организации передачи и обработки информации, а также специально подготовленных кадров.

11

    Традиционная концепция создания систем управления производственными процессами предусматривает ограниченну формализацию этапов проектирования автоматизированных ин-формационно-управляющих систем (АИУС), считая их творческими актами, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала. Однако современные компьютерные средства и технологии позволяют создавать высокоэффективные по точности, быстродействию и широте решаемых задач системы управления производством.

12

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

АСУ - автоматизированные системы управления;
АСУТП - автоматизированные системы управления технологическими процессами;
АСУП - автоматизированные системы управления предприятием;
АСОД - автоматизированные системы обработки данных;
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
Д - датчик;
КТС - комплекс технических средств;
ЛАЧХ - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика;
НЦУ - непосредственное цифровое управление;
ОУ - объект управления;
ПДО - планово-диспетчерский отдел;
РТК - расчетно-технологическая карта;
САУ - система автоматического управления;
ТПП - технологическая подготовка производства;
УСО - устройство сопряжения с объектом;
УО - управляемый объект;
ФЧХ - фазочастотная характеристика;
ЧПУ - числовое программное управление;
ЭВМ - электронно-вычислительная машина.

13

1.  ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1. Понятие об управлении.
Роль информации в управлении

    Для осуществления различных технологических и производственных процессов необходимо, чтобы величины, которые характеризуют эти процессы, удовлетворяли определенным условиям.
    Так, например, в энергосистемах должны поддерживаться на постоянном уровне величины напряжения и частоты, в космонавтике необходимо обеспечить движение космического корабля в пространстве по заданной траектории.
    Создание условий, обеспечивающих требуемое протекание процесса, называется управлением. Управление направлено на достижение определенной цели.
    Агрегат, машина, аппарат, комплекс машин, в которых протекает процесс, подлежащий управлению, называется объектом управления.
    Если все элементы процесса управления осуществляет человек, то такое управление называют ручным.
    Однако в целом ряде случаев человек не в состоянии управлять процессом. Так, человек при помощи своих органов чувств не может получать информацию, необходимую для управления. Человек без приборов не может измерить напряжение электрического тока, температуру расплавленного металла, интенсивность радиоактивного излучения и другие физические величины.
    Поэтому для получения информации о результатах управления необходимо использовать специальные технические устройства (датчики, измерительные приборы и т. д.). Большие скорости протекания управляемых процессов требуют соответствующей скорости обработки информации и принятия управ

14