ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСОИУ — КУРС ЛЕКЦИЙ

ПРИДНЕСТРОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Т.Г.ШЕВЧЕНКО

Инженерно-технический институт. Кафедра «Информационных технологий и автоматизированных систем управления»

Для студентов очной и заочной форм обучения по направлению 654600 – «Информатика и вычислительная техника»

Деткова А.В. — Проектирование АСОИУ: курс лекций. –

Тирасполь: ПГУ, 2010. – 6,5 п.л.: ил.

Предлагаемый курс лекций по курсу «Проектирование АСОИУ» подготовлен в соответствии с учебными планами специальностей направления 654600 «Информатика и вычислительная техника» ИТИ ПГУ. Данная работа имеет своей целью дать студентам материал для выполнения лабораторных работ по одноименному предмету, а также содержит теоретический материал для более глубокого усвоения новых понятий, облегчить преподавателям подготовку и проведение занятий.

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент Т.Д. Бордя

кандидат технических наук, доцент С.Г. Федорченко.

Одобрена и рекомендована к изданию на заседании кафедры ИТУ, протокол №__ от ___________

ISBN ã Деткова А.В. 2010 г.

Содержание

Введение………………………………………………………….	5
1. Введение в системы автоматического управления…..	6
1.1 Исторический экскурс…………………………………	6
1.2 Основные понятия и определения……………………	7
1.3 Классы САУ……………………………………………	8
1.4 Циклы управления…………………………………….	10
1.5 Основные функции САУ………………………………	13
2. Автоматизированное управление производственными и технологическими процессами……………………	14
2.1 Производственный процесс как объект управления…………………………………………………	14
2.2 Основные понятия об АСУ производственными и технологическими процессами……………………………	17
2.3 Классификация АСУ производственными и технологическими процессами………………………….	19
3. Понятие системы и её характеристики………………….	21
3.1 Способы классификации систем………………………	21
3.2 Информационная система…………………………….	22
3.3 Управляющие системы………………………………..	25
3.4 Информационное общество…………………………..	29
3.5 Индивидуальная информационно-справочная система…………………………………………………….	31
3.6 Информационно-поисковая система (ИПС)…………	31
4. Интеллектуальные системы автоматизированного проектирования…………………………………………………	34
4.1 Система автоматизированного проектирования (САПР)……………………………………………………………	35
4.2 Числовое программное управление………………….	37
5. Системный и функциональный подход к проектированию АСОИУ……………………………………..	40
5.1 Представление информации	42
5.2 Требования к разрабатываемым системам	49
6. Концепция построения комплексных Информационных систем…………………………………….	66
6.1 Функционал КИС как определяющий фактор выбора её структуры………………………………………	66
6.2 Создание инфосистем на основе системы автоматизации деловых процессов……………………….	69
6.3 Функциональные подсистемы КИС………………….	71
6.4 Средства стратегического планирования……………	76
7. Системный подход к проектированию. Понятие инженерного проектирования………………………………..	80
7.1 Принципы системного подхода………………………	81
7.2 Основные понятия системотехники………………….	83
7.3 Структура процесса проектирования…………………	86
7.4 Стадии проектирования……………………………….	88
8. Состав и структура АСОИУ………………………………..	90
8.1 Концепции АСОИУ……………………………………	94
9. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСОИУ………………………………….	102
9.1 Разработка функциональной модели АСОИУ……..	103
9.2 Исходные данные для проектирования, стандарты…	106
Приложение 1…………………………………………………… ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА	111
Приложение 2…………………………………………………… РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ЗАЩИТЫ ДАННЫХ	114
Список используемой литературы………………………………	117

ВВЕДЕНИЕ

Целью изучения дисциплины «Проектирование АСОИУ» явля­ется получение представления о системах обработки информации и управления, о проектировании систем, получение навыков разра­ботки программ, выяснение какие методики при этом использу­ются.

В последние годы всё большее распространение получают средства, позволяющие автоматизировать процессы проектирования, разработки и поддержки программных приложений. Современные системы применяются для управления конвейерными линиями, атомными электростанциями и автоматическими лифтами.

Система управления технологическим процессом объединяет в себе компьютеры, программное обеспечение и механические устройства, осуществляющие связь с внешним миром, которые обычно взаимодействуют не с оператором, а с реальными объектами, причем темп взаимодействия задается сменой событий в окружающей среде. Именно благодаря своей способности должным образом реагировать на огромное множество поступающих извне данных такие системы управления находят широкое применение.

Однако управление технологическими процессами — это лишь одна область, где быстродействие и точность компьютеров эффективно используются для решения всё более сложных проблем современного общества. Когда универсальные компьютеры вошли в нашу жизнь, их начали применять для решения очень многих задач. Сначала большинство программ использовалось в режиме пакетной обработки: запросы вводились в машину не сразу в момент поступления, а спустя некоторое время.

Однако в ряде случаев чрезвычайно важно иметь точную сиюминутную информацию. Для этого необходимо иметь компьютерную систему и программное обеспечение, позволяющее многим пользователям одновременно читать и изменять содержимое большой базы данных непосредственно в процессе работы. Любые изменения заносятся в базу данных и тут же становятся доступны всем пользователям. Такой тип взаимодействия реализуется в так называемых диалоговых системах запросов. В таких системах — в отличие от систем пакетной обработки, где запросы вводятся с некоторой задержкой, — запросы можно вводить путем непосредственного диалога с компьютером.

1. ВВЕДЕНИЕ В СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

1.1 Исторический экскурс

В 1765 г. Впервые установлен автоматический регулятор И.И. Ползуновым на Барнаульском заводе для поддержания заданного уровня воды в паровом котле. В 1785 г. Уатт использовал центробежный регулятор на паровой машине. В 1868 г. Д. Максвелл опубликовал основополагающую работу «О регуляторах», где применил линеаризацию динамической задачи. В 1873-1877 математик Рауз нашел необходимые и достаточные условия для получения отрицательных значений действительной части корней характеристических уравнений n-ой степени. 70-80-е годы этого же столетия ознаменованы оригинальными работами П.Л. Чебышева. В 1871 г. Выходит его работа «О центробежном уравнителе». В 1877 г. М.А. Вышегородским — профессором технологического института (г. Санкт-Петербург) написана работа «О регуляторах прямого действия», где впервые получено графическое представление области устойчивой работы системы двигатель-регулятор. М.А. Вышегородского справедливо считают основоположником теории регулирования. В 1896-1900 г. появляются труды Я.И. Груина, А.В. Тречанинова. В 1892 г. А.М. Ляпунов опубликовал свою знаменитую работу «Общая задача об устойчивости движения», ставшей фундаментом в теории устойчивости систем. В 1893-1894 г. увидели свет труды профессора А. Стодолы. В 1895 г. А. Гурвиц нашел критерии сходимости, которые совпали с ранее полученными критериями Рауза (в виде неравенств), поэтому их стали называть критериями сходимости Рауза-Гурвица. В 1905 году в Берлине увидело свет первое издание книги М. Толле «Регулирование двигателей», в которой излагалась линейная теория регулирования. В 1903 г. Задачами регулирования и управления стал заниматься Н.Е. Жуковский. Его лекции «Теория регулирования хода машин», прочитанные в ТВТУ были изданы в 1909 г. В этих лекциях излагалась нелинейная теория регулирования. В 1938-1939 гг. опубликованы работы А.М. Михайлова — частотные методы в теории автоматического регулирования. Важные для промышленности работы в области автоматизации и автоматического регулирования двигателей внутреннего сгорания были проделаны в НАМИ профессором

Г.Г. Каличным.

1.2 Основные понятия и определения

Изучение и обобщение закономерностей управления в живой природе, технике и обществе привело к формированию науки — кибернетики.

Кибернетика — это наука об управлении связи и переработке информации.

Основным объектом изучения этой науки являются сложные (кибернетические) системы. Ядро кибернетики — теория информации, теория алгоритмов, исследование операций, теория оптимального управления, распознавание образов.

Техническая кибернетика — это отрасль науки, изучающей технические системы управления, используя идеи и методы кибернетики.

Техническая кибернетика является научной основой автоматизации производства. Важнейшее направление — это создание, разработка автоматических и автоматизированных систем управление, а также автоматических устройств и комплексов для передачи, переработки и хранения информации.

Теория автоматического управления — это раздел технической кибернетики, изучающей принципы построения систем автоматического управления и закономерности, протекающих в них процессов.

В теории автоматического управления абстрагируются от природы и конструкционных особенностей составных частей САУ: вместо реальных объектов рассматриваются их адекватные математические модели.

Система автоматического управления (САУ) — это комплекс устройств, предназначенный для автоматического изменения одного или нескольких параметров объекта управления с целью установления требуемого режима его работы.

Понятие управления является одним из наиболее фундаментальных и всеобъемлющих в повседневной практике структур любых уровней и особенно в современных системно-кибернетических науках, приближаясь по своей значимости к философским категориям.

Под управлением в технике понимают целенаправленное изменение состояния или параметров машины, системы, процесса в соответствии с требуемым алгоритмом функционирования.

Алгоритм — это точное описание способа решения задачи (выполнение математических расчетов, проектирование технических объектов, проведение научных исследований и т.п.), устанавливающее какие операции (работы) и в какой последовательности выполнять, чтобы получить результат, однозначно определяемый исходными данными.

Изменение состояния технического объекта достигается в результате воздействий, оказываемых на объект либо непосредственно человеком (ручное управление), либо автоматическим управляющим устройством по программе составленной на основе алгоритма функционирования (автоматическое управление). Таким образом, сущностью автоматизации управления является освобождение человека от выполнения управленческих операций и полная (или частичная) передача функций управления автоматам.

Объектом управления называют ту часть окружающего мира, состояние которой представляет интерес для субъекта в данной ситуации и на которую он может воздействовать целенаправленно.

Так как множество объектов существуют одновременно и взаимодействуют между собой то им всегда присуще множество различных целей.

Цели — это желаемые результаты:

1) взаимодействия субъектов с внешней средой;

2) удовлетворения их потребностей;

3) поддержания состояния или направленного развития.

1.3 Классы САУ

На раннем этапе автоматизации управление техническим объетом сводилось лишь к поддержанию постоянства его параметров (автоматическое регулирование).

Автоматическое регулирование (АР) — это автоматическое поддержание постоянства или изменение по заданному закону некоторой физической величины, характеризующей технический процесс.

Позднее функции управления расширились и соответственно появились системы программного управления, следящие системы, системы экстремального регулирования, системы оптимального управления, самоприспосабливающиеся системы. В основе любого управления лежат процессы передачи и преобразования информации.

Программное управление — это управление режимом работы (состоянием) объекта по заранее заданной программе.

Например: игрушка «Луноход», станки с ЧПУ.

Следящая система — это система автоматического управления, в которой выходная величина при помощи обратной связи воспроизводит с определенной точностью входную (задающую) величину, характер изменения которой заранее неизвестен.

Например: системы наведения зенитных ракет, следящие электроприводы (сервомеханизмы), антенны радиолокационных станций.

Системы экстремального регулирования – это такие системы, в которых целевая функция принимает значения минимума или максимума.

Например: автоматические системы пожаротушения.

Оптимальное управление — это раздел математики, методы которого позволяют достичь желаемого результата наилучшим образом в соответствии с критерием оптимизации.

Например: оптимальные алгоритмы управления станками с ЧПУ.

Самоприспосабливающаяся (адаптивная) система — это система автоматического управления, которая в процессе функционирования способна изменять свое поведение или состояние (приспосабливаться) при непредвиденном изменении свойств управляемого объекта, цели управления или условий окружающей среды, сохраняя свою работоспособность.

По способу адаптации эти САУ подразделяются на самонастраивающиеся, самообучающиеся и самоорганизующиеся системы. В технике наибольшее распространение получили самоприспосабливающиеся системы. Их применение позволяет оптимизировать режим функционирования управляемого объекта, облегчает задачу унификации систем управления, сокращает время на испытания и наладку управляющих устройств, позволяет снизить технологические требования на изготовление ряда узлов, устройств управления, освобождает обслуживающий персонал от трудоемких операций настройки.

Самонастраивающаяся система — это такая система управления, процесс адаптации которой состоит в автоматическом изменении собственных характеристик для компенсации действующих на систему возмущений (случайно изменяющихся внешних или внутренних условий функционирования).

Например: системы калибровки приборов, системы стартовой проверки АСУД.

Самообучающиеся системы – это САУ, которые в процессе функционирования изменяют алгоритм действия (обучаются).

Например: роботы, работавшие на расчистке завалов Чернобыльской аварии.

Самоорганизующиеся системы – это такие системы, которые способны в процессе функционирования генерировать новые алгоритмы действия за счет накопления большого объема информации и обнаружения в этой информации функциональных логических связей.

Например: экспертные системы.

С усложнением объектов управления и соответственно алгоритмов функционирования, возникла необходимость переработки большего количества информации за ограниченный промежуток времени и все чаще функции управляющих устройств стали выполнять ЭВМ. Использование последних позволяет существенно повысить качество и точность управления сложными объектами, создавать автоматические и автоматизированные системы управления не только технологическими процессами, но и промышленными предприятиями в целом, целыми отраслями, энергетическими системами, транспортными средствами, научными экспериментами и так далее.

1.4 Циклы управления

Для осуществления цели управления, с учетом особенностей управляемых объектов, на них подаются управляющие воздействия, которые предназначены также для компенсации внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить нормальное функционирование объекта. Управляющие воздействия вырабатываются устройством управления. По типу управления САУ подразделяются на замкнутые, в которых цепь прохождения сигналов образует замкнутый контур, включающий устройство управления и управляемый объект. Отклонение управляемой величины от желаемых значений компенсируется воздействием через обратную связь вне зависимости от причин, вызвавших это отклонение. Такое управление носит название управлением по отклонению.

В разомкнутых САУ управление ведется по жесткой программе без анализа и учета каких либо факторов в процессе работы управляемого объекта — на устройство управления не поступают сигналы, несущие информацию о текущем состоянии объекта управления. Иногда измеряются и компенсируются лишь главные из возмущений (помех). Такое управление называют управлением по возмущению. В комбинированных САУ используются оба принципа управления (по отклонению и возмущению).

Рисунок 1-Замкнутый цикл

Рисунок 2-Разомкнутый цикл

Рисунок 3-Комбинированный цикл

На рисунке приняты следующие обозначения:

УУ — управляющее устройство;

УВ — управляющее воздействие;

Y — выходные координаты;

X — задающее воздействие;

F — помехи;

ОУ — объект управления.

Структурная схема — схема, предназначенная для уяснения принципа действия различных элементов.

Функциональная схема — чертеж в условных обозначениях с указанием связей между элементами САУ и служащий для уяснения принципа действия САУ в целом.

Всякая САУ имеет систему автоматического измерения, которая включает в себя датчик (ЧЭ), усилители, линии связи и измерительный прибор. Для САУ автоматического контроля необходимо наличие задающего элемента и элемента сравнения. Измерения бывают прямыми и косвенными.

Рисунок 4- Обобщённая схема САУ

ЧЭ — чувствительный элемент;

ПЭ — преобразовательный элемент;

Д — датчик;

У — усилитель;

ЛС — линия связи;

ИП — измерительны1й прибор;

ЭС — элемент сравнения;

ЗЭ — задающий элемент.

1.5 Основные функции САУ

Автоматическая работа отдельных машин и агрегатов, соблюдение режимов технологических процессов без участия человека, обеспеченная приборами и устройствами, выполняет следующие функции:

1) получение информации о состоянии процессов, механизмов и агрегатов (чувствительные элементы (ЧЭ), датчики);

2) формирование удобного вида информации: по физической сущности, объему и форме (вторичные приборы измерительной системы, усилители);

3) использование информации для обеспечения воздействия на машины, агрегаты, технологический процесс (исполнительные устройства);

4) передачу информации на расстояние (применение телемеханики).

Контрольные вопросы:

1. Исторические предпосылки возникновения систем автоматического управления (САУ).
2. Понятие кибернетики и технической кибернетики.
3. Предмет изучения теории автоматического управления.
4. Объясните понятие управления в узком и широком смысле.
5. Цели и задачи автоматизации.
6. Понятие автоматического регулирования.
7. Перечислите основные классы САУ.
8. На какие типы управления подразделяются САУ.
9. Обоснуйте основные функции САУ.