Основы автоматики в энергетическом обеспечении сельскохозяйственного производства

А. С. Шандриков
Основы автоматики 
в энергетическом обеспечении 
сельскохозяйственного 
производства
Допущено Министерством образования Республики Беларусь  
в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования,  
реализующих образовательные программы среднего  
специального образования по специальности  
«Энергетическое обеспечение сельскохозяйственного производства»
Минск
РИПО
2022

УДК 631.171(075.32)
ББК 32.965:4я723
Ш20
А в т о р:
преподаватель УО «Витебский государственный колледж электротехники» 
 А. С. Шандриков
Р е ц е н з е н т ы:
цикловая комиссия преподавателей учебных дисциплин специального цикла  
УО «Городокский государственный аграрно-технический колледж» (А. М. Бендиков);
доцент кафедры 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.
Ш20
Шандриков, А. С.
Основы автоматики в энергетическом обеспечении сельскохозяйственного производства : учеб. пособие / А. С. Шандриков. – 
Минск : РИПО, 2022. – 296 с. : ил.
ISBN 978-985-895-036-1.
Описываются измерительные, усилительные 
Описываются измерительные, усилительные и 
и исполнительные элементы 
исполнительные элементы 
автоматики, дается их классификация, основные характеристики 
автоматики, дается их классификация, основные характеристики и 
и параметры, 
параметры, 
излагаются логические функции элементов теории релейной автоматики. Расизлагаются логические функции элементов теории релейной автоматики. Рассматриваются объекты регулирования 
сматриваются объекты регулирования и 
и регуляторы, статические, динамические 
регуляторы, статические, динамические 
и 
и нелинейные автоматические системы, системы телемеханики. Приводятся понелинейные автоматические системы, системы телемеханики. Приводятся понятия качества процесса регулирования 
нятия качества процесса регулирования в 
в автоматических системах 
автоматических системах и 
и надежности 
надежности 
их элементов.
их элементов.
Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образоваПредназначено для учащихся учреждений среднего специального образования по специальности «Энергетическое обеспечение сельскохозяйственного прония по специальности «Энергетическое обеспечение сельскохозяйственного производства».
изводства».
УДК 631.171(075.32)
ББК 32.965:4я723
ISBN 978-985-895-036-1 	
© Шандриков А. С., 2022 
	
© 
Оформление. Республиканский институт 
 
профессионального образования, 2022

ВВЕДЕНИЕ
Краткие исторические сведения 
С древних времен люди стремились управлять силами природы и предметами. В настоящее время множество задач управления в технических системах сводится к поддержанию заданных 
параметров, обеспечивающих достижение поставленных целей. 
Например, в транспортных системах требуется поддерживать заданный курс корабля, самолета, в технологических процессах – 
температуру в помещениях и устройствах нагревания и охлаждения, в электроэнергетике – частоту вращения генераторов и т. п. 
Решение данных задач может осуществляться без участия человека путем автоматизации процессов управления.
Термины «автоматика» и «автоматизация» – производные от 
слова «автомат», которое происходит от греческого слова αυτοµατος 
(автоматос – самодвижущийся). 
Автоматика – это отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы управления различными процессами 
и контроля их протекания без непосредственного участия человека.
Автоматизация – применение технических средств, экономико-математических методов и систем управления, частично или 
полностью освобождающих человека от непосредственного участия в процессе получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Автоматизации предшествовали работы по созданию различных автоматов для выполнения определенных действий. В начале I в. Герон Александрийский в работах «Пневматика» и «Механика» описал пневматический автомат для открывания дверей 
храма и зажигания жертвенного огня, водяной орга́н, прибор для 
автоматического измерения длины пути, автомат для продажи 
воды, механический театр кукол. Однако идеи Герона не нашли 
широкого применения в его эпоху.
Вместе с тем в середине I в. были созданы автоматы, подражающие определенным действиям человека. 
3

Введение
В XIII в. немецкий философ-схоласт и алхимик Альберт фон 
Больштадт построил «железного человека» – механизм для открывания и закрывания дверей. 
В XVIII в. швейцарские часовщики Пьер Дро и его сын Анри 
создали механического писца, выводившего гусиным пером фразы на бумаге, механического художника, рисовавшего головы и 
фигуры людей, механическую пианистку, исполнявшую на фисгармонии музыкальную пьесу, и ряд других автоматов. 
В XVIII в. русский механик-самоучка Иван Петрович Кулибин 
создал театр-автомат, помещенный в часах величиной с яйцо (в настоящее время хранится в Государственном Эрмитаже в Санкт-Петербурге). Каждый час в корпусе часов распахивались дверцы 
и под музыку кантат, сочиненных И.П. Кулибиным, крохотные 
куколки-артисты разыгрывали мистерию. 
В конце XVIII – начале XIX в. в Европе автоматику начали внедрять в производство. В 1765 г. появился автоматический 
регулятор уровня воды в котле паровой машины Ивана Ивановича Ползунова, в 1784 г. – регулятор скорости паровой машины 
Джеймса Уатта, в 1804–1808 гг. – система программного управления ткацким станком от перфоленты Жозефа Мари Жаккарда. 
Этот этап связывают с возникновением теории автоматического 
управления (регулирования) как самостоятельной науки. 
В публикациях Джеймса Кларка Максвелла («On Governors», 
1868) и Ивана Алексеевича Вышнеградского («Об общей теории регуляторов», 1876) было предложено научное обоснование некоторых проблем автоматизации, в частности устойчивости динамических систем.
В середине XX в. развитие технического оснащения всех отраслей человеческой деятельности изменило облик теории автоматического регулирования. В этом немалую роль сыграли кибернетика и развитие средств вычислительной техники. Кибернетика как наука о связи и управлении выдвинула на передний 
план информационную сторону исследуемых динамических систем как процессов обмена и обработки информации. В результате возникла необходимость более интенсивного развития математического аппарата для их описания и удобства временны́х 
методов исследования систем. Аналитическое (математическое) 
описание динамических процессов является ключевой особенностью современной теории автоматического управления как науки, объединившей ряд положений, развитых ранее в механике и 
4

Введение 
математике в работах Ж. Лагранжа, Л. Эйлера, В.Р. Гамильтона, 
А. Пуанкаре, А.М. Ляпунова и др. 
В XXI в. теория автоматического управления стала основной 
кибернетической дисциплиной, тесно связанной с новейшими 
достижениями математики и информатики.
Основные термины и понятия
Объект управления – технологическое оборудование (станок, 
машина), реализующее физические, химические, биологические 
и иные процессы, связанные с движением массы, энергии и информации, в которых один или несколько физических параметров (показателей) должны изменяться по заданным законам при 
любых возможных внешних условиях. 
Объект регулирования – частный случай объекта управления, когда ход технологического процесса обеспечивается путем 
стабилизации одного или нескольких параметров в пределах заданных значений. 
Устройство управления – устройство, осуществляющее воздействие на объект управления в целях обеспечения требуемого 
режима его работы без непосредственного участия оператора.
В современном мире автоматика и автоматические системы – это основа эффективного управления любыми технологическими процессами во всех сферах человеческой деятельности – 
от домашнего быта до космических технологий. 
Автоматическая система – система, под которой в зависимости от назначения в общем случае следует понимать системы 
автоматического управления (САУ), регулирования (САР) и контроля (САК).
Автоматическая система представляет собой совокупность 
объектов и устройств управления, взаимодействующих между 
собой. 
САУ – система, осуществляющая воздействие на объект управления в соответствии с заданной программой без непосредственного участия человека в целях обеспечения требуемого поведения 
или изменения характеристик такого объекта. Осуществляется 
с помощью устройств управления – технических средств (датчиков, анализаторов, преобразователей, ЭВМ и  др.), обеспечивающих автоматический сбор и обработку данных о состоянии 
объекта управления и формирование необходимых управляющих 
воздействий на его исполнительные органы (формирователи, 
усилители, преобразователи, регуляторы и др.).
5

Введение
САР – система осуществляющая поддержание в заданных 
пределах частный случай автоматического управления, целью 
которого является поддержание в заданных пределах значения 
некоторой величины, характеризующей процесс или изменение 
процесса по заданному закону, осуществляемое путем изменения 
состояния объекта управления или компенсации действующих 
на него возмущений и воздействия на регулирующий орган объекта. САР представляет собой разновидность САУ, обеспечивающей постоянство какой-либо физической величины (группы величин) объекта управления.
Устройство регулирования (регулятор) – устройство, автоматически поддерживающее некоторую величину или изменение 
регулируемого параметра в заданных пределах.
САК – система, состоящая из комплекса измерительных 
устройств, осуществляющих автоматический контроль различных технологических параметров, сведения о которых необходимы при управлении объектами, их измерение и регистрацию. 
Воздействие (сигнал) – причина(ы) изменения параметров 
объекта управления: электрические сигналы, давление, температура и т. п. При этом различают воздействие:
y
y задающее – команда, поступающая от задающего устройства на устройство управления (регулирования);
y
y управляющее – воздействие, целенаправленно изменяющее 
состояние объекта управления (регулирования) в соответствии с 
заданными свойствами;
y
y возмущающее (возмущение) – случайное внешнее воздействие на объект и (или) устройство управления (регулирования), 
нарушающее состояние процесса и изменяющее параметры объекта управления. 
Параметры характеризуют количественную, показатель – качественную, характеристику объекта управления. 
Регулируемая величина (регулируемый параметр) – физическая величина, автоматически изменяющаяся по заданному закону или поддерживающаяся неизменной, или находящаяся в заданных пределах в ходе технологического процесса.
Элемент автоматики – часть устройства автоматической системы, в которой происходят качественные или количественные 
преобразования физических величин. 
6

Введение 
Задающее устройство (задатчик) – устройство, вырабатывающее заданный закон изменения физических параметров (показателей) объекта управления.
Классификация систем автоматического управления
САУ классифицируют по различным признакам. 
По цели управления различают САУ стабилизации, программного управления и следящие системы. 
По принципу действия САУ могут быть разомкнутыми, замкнутыми либо комбинированными. 
По возможности контролируемых изменений свойств САУ 
разделяют на адаптивные (способные автоматически приспосабливаться к изменению внешних условий и свойств объекта) и 
неадаптивные. 
Адаптивные системы в свою очередь классифицируют в зависимости от объема адаптационных изменений: 
y
y на экстремальные – меняются только управляющие воздействия; 
y
y самонастраивающиеся – меняются управляющие воздействия и параметры САУ; 
y
y самоорганизующиеся – меняются управляющие воздействия, параметры и структура системы; 
y
y обучающиеся – меняются управляющие воздействия, параметры и структура системы, алгоритм функционирования, 
а в случае самообучения – и целевая функция. 
По характеру сигналов в цепи управления различают САУ 
непрерывные и дискретные, в которых коммутация цепи воздействий осуществляется через дискретные промежутки времени. 
Дискретные САУ в свою очередь разделяют на импульсные 
(коммутация цепи воздействий происходит принудительно и 
периодически), релейные (прерывистое, ступенчатое изменение 
сигналов при непрерывном характере входного сигнала) и цифровые (квантование сигналов происходит как по времени, так и 
по уровню). 
По виду математического описания различают САУ линейные (все элементы описываются линейными дифференциальными и алгебраическими уравнениями) и нелинейные (хотя бы 
один элемент описывается нелинейным уравнением). 
По вел и ч и не ош ибк и Δ(∞) в установившемся режиме САУ 
разделяют на статические (Δ(∞) ≠ 0) и астатические (Δ(∞) = 0).
7

Введение
В статических САУ на управляемый процесс воздействует 
возмущение, в результате чего регулируемая величина отклоняется от заданного значения, которое не восстанавливается. Астатические САУ после возмущения восстанавливают заданное значение регулируемой величины.
По характеру параметров различают стационарные (параметры постоянны) и нестационарные САУ (параметры меняются). 
Каждый из этих классов подразделяют на системы с сосредоточенными и распределенными параметрами.
По количеству управляемых величин выделяют одномерные (одна управляемая величина) и многомерные САУ (таких 
величин несколько). 
В зависимости от принадлежности источника энергии, 
при помощи которого создается управляющее воздействие, системы могут быть прямого и непрямого действия. 
В САУ прямого действия используется энергия объекта 
управления. К ним относят простейшие системы стабилизации 
(уровня, расхода, давления и т. п.), в которых воспринимающий 
элемент через рычажную систему непосредственно действует на 
исполнительный орган (заслонку, клапан и т. д.). В системах непрямого действия управляющее воздействие создается за счет 
энергии дополнительного источника. 
По виду используемой энергии выделяют электрические, гидравлические, пневматические, электрогидравлические и 
электропневматические САУ. 
Допускается классифицировать САУ и по другим признакам.
Понятие об автоматическом  
управлении технологическим процессом
Автоматизированная система управления технологическим 
процессом (АСУТП) – человеко-машинная система управления, 
обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления объектом 
управления в соответствии с принятым критерием.
За критерий управления АСУТП принимают соотношение, 
характеризующее качество функционирования объекта управления в целом и имеющее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.
Основные задачи большинства АСУТП: 
y
y повышение производительности труда;
8

Введение 
y
y снижение затрат труда персонала и трудоемкости производства;
y
y экономия энергетических ресурсов, вспомогательных материалов, тары и т. п.;
y
y обеспечение безопасности функционирования объектов 
управления;
y
y повышение или стабилизация качества выпускаемой продукции либо обеспечение заданных значений параметров готовых изделий;
y
y достижение оптимальной загрузки оборудования;
y
y оптимизация режимов работы технологического оборудования. 
При постановке задач оптимизации наряду с критериями 
должны быть заданы ограничения всех параметров и переменных технологического процесса. 
Объекты управления и АСУТП функционируют совместно, 
образуя программно-технический или управляющий вычислительный комплекс. 
Обобщенная функциональная структура АСУТП, иллюстрирующая организацию ее работы, приведена на рисунке.
Объекты управления
Датчики
Вычислительная
сеть предприятий
УСО
Контроллеры,
регуляторы,
вторичные
приборы
Исполнительные
механизмы
АРМ
Другие сети,
Интернет
БД
Нижний уровень
Средний уровень
Верхний уровень
Структурная схема АСУТП
Нижний уровень – технологический, уровень датчиков и исполнительных механизмов. Задачами технологического уровня 
являются:
y
y сбор информации об измеряемых технологических параметрах процесса;
y
y выработка управляющих воздействий на технологический 
процесс в целях поддержания технологических параметров на заданных значениях или изменения их по определенным законам;
y
y сигнализация о выходе параметров за заданные пределы;
9

Введение
y
y блокировка ошибочных действий персонала и управляющих устройств;
y
y противоаварийная защита процесса по факту аварийных 
событий.
Средний уровень –  уровень производственного участка. На 
данном уровне находятся локальные средства автоматизации, которые вместе с техническими средствами нижнего уровня образуют локальную подсистему управления.
Задачами производственного уровня являются:
y
y сбор, обработка и хранение информации, поступающей 
с нижнего уровня;
y
y выработка управляющих сигналов на основе анализа информации;
y
y передача информации о производственном участке на более высокий уровень;
y
y вычисление неизмеряемых параметров, в частности показателей качества продуктов, технико-экономических показателей;
y
y сведение материальных балансов;
y
y архивирование информации;
y
y генерация отчетов;
y
y диагностика и защита от сбоев в элементах подсистем нижнего уровня;
y
y определение настроек устройств управления локальных регуляторов подсистем нижнего уровня;
y
y изменение структуры локальных подсистем (переконфигурирование, включение/выключение, переход на ручное управление);
y
y передача информации о производственном участке на более высокий уровень.
Информационный обмен среднего уровня с нижним осуществляется через устройства связи с объектом (УСО), представляющие собой специальные усилители, преобразователи и т. д.
Выработку управляющих сигналов на уровне производственного участка осуществляют регуляторы и управляющие контроллеры, которые связаны непосредственно с верхним уровнем 
управления.
Участие человека в реализации автоматизированных функций системы управления обеспечивает автоматизированное рабочее место (АРМ), оборудованное специальными средствами. 
АРМ представляет собой проблемно-ориентированный комплекс 
технических, программных, лингвистических (языковых) и дру10