Основы информатики: Введение

• Информатика — это наука об информации и автоматизированной обработке информации с помощью вычислительной техники.

Основные разделы информатики

• Теоретическая информатика занимается разработкой теории информации, алгоритмов и структур данных.
• Вычислительная техника изучает принципы построения и функционирования компьютеров и вычислительных систем.
• Программирование охватывает методы и языки разработки программного обеспечения.
• Информационные системы занимаются проектированием, разработкой и внедрением систем управления информацией.

Информация

• Информация — это сведения, уменьшающие неопределенность (энтропию) о состоянии некоторого объекта или явления.
• Свойства информации включают актуальность, полноту, достоверность, точность и доступность.

Представление информации в компьютере

• Вся информация в компьютере представляется в двоичном коде (0 и 1).
• Бит — это минимальная единица информации, принимающая значение 0 или 1.
• Байт — это группа из 8 бит (1 байт = 8 бит).
• Для представления текстовой информации используются таблицы кодировки, такие как ASCII и Unicode.

Алгоритмы

• Алгоритм — это четкая последовательность действий, приводящая к решению поставленной задачи.
• Свойства алгоритма включают детерминированность (определенность), конечность (завершаемость), массовость (применимость к разным входным данным) и результативность (достижение цели).
• Алгоритмы могут быть представлены словесным описанием, блок-схемой, псевдокодом или языком программирования.
• Основные алгоритмические структуры: последовательность, ветвление, цикл.

Структуры данных

• Структура данных — это способ организации и хранения данных, обеспечивающий эффективный доступ и модификацию.
• Основные типы структур данных: массивы, списки, стеки, очереди, деревья, графы.

Языки программирования

• Язык программирования — это формальный язык, предназначенный для записи алгоритмов, исполняемых компьютером.
• Классификация языков программирования:
  • По уровню: высокого уровня (C++, Java, Python), низкого уровня (Assembler).
  • По парадигме: императивные (C, Pascal), объектно-ориентированные (Java, C++), функциональные (Haskell), логические (Prolog).
• Основные этапы разработки программного обеспечения: анализ требований, проектирование, кодирование, тестирование, отладка, внедрение, сопровождение.

Системы управления

• Система управления (СУ) - это совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для управления объектом в соответствии с заданной целью.
• Объектом управления может быть технологический процесс, предприятие, экономическая система и т.д.
• Основные элементы системы управления:
  • Объект управления (ОУ): процесс или система, на которую направлено управление.
  • Управляющее устройство (УУ): устройство, формирующее управляющие воздействия на объект управления.
  • Датчики (сенсоры): устройства, измеряющие параметры объекта управления.
  • Исполнительные механизмы: устройства, реализующие управляющие воздействия.

Типы систем управления

• Ручные системы управления: управление осуществляется человеком без использования автоматических устройств.
• Автоматизированные системы управления (АСУ): управление осуществляется с участием человека и автоматических устройств.
• Автоматические системы управления (САУ): управление осуществляется полностью автоматически без участия человека.

Принципы управления

• Принцип обратной связи: использование информации о текущем состоянии объекта управления для корректировки управляющих воздействий.
• Принцип разомкнутого управления: управление осуществляется без учета текущего состояния объекта управления.
• Принцип иерархического управления: система управления разделяется на несколько уровней, каждый из которых решает свою задачу управления.
• Принцип адаптивного управления: система управления адаптируется к изменяющимся условиям работы объекта управления.

Математическое описание систем управления

• Математические модели используются для описания поведения объекта управления и системы управления.
• Типы математических моделей: дифференциальные уравнения, передаточные функции, уравнения состояния.
• Теория автоматического управления занимается разработкой методов анализа и синтеза систем управления.
• Устойчивость системы управления: способность системы возвращаться в состояние равновесия после воздействия возмущений.

Автоматизированные системы управления (АСУ)

• АСУ — это комплекс технических и программных средств, предназначенных для автоматизации процессов управления.
• Основные функции АСУ: сбор, обработка, хранение и передача информации, планирование, управление, контроль, анализ. Классификация АСУ:
  • По уровню управления: АСУТП (технологическим процессом), АСУП (предприятием), АСУЭ (энергетикой).
  • По типу задач: системы управления производством (MES), системы управления ресурсами предприятия (ERP), системы управления взаимоотношениями с клиентами (CRM).

Этапы разработки АСУ

• Техническое задание: определение целей и задач АСУ, требований к системе, критериев оценки эффективности.
• Технический проект: разработка архитектуры системы, выбор технических и программных средств, разработка алгоритмов и программ.
• Внедрение: установка и настройка оборудования и программного обеспечения, обучение персонала.
• Сопровождение: техническое обслуживание и модернизация системы.

Промышленные контроллеры

• Программируемый логический контроллер (ПЛК) - это специализированный компьютер, предназначенный для управления технологическими процессами в реальном времени.
• Основные функции ПЛК: сбор данных с датчиков, обработка данных, управление исполнительными механизмами.
• Языки программирования ПЛК: Ladder Diagram (LD), Function Block Diagram (FBD), Structured Text (ST), Instruction List (IL), Sequential Function Chart (SFC).

SCADA-системы

• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) - системы диспетчерского управления и сбора данных.
• Функции SCADA: визуализация технологического процесса, сбор и хранение данных, управление исполнительными механизмами, сигнализация о нештатных ситуациях.
• Архитектура SCADA: сервер SCADA, операторские станции, контроллеры, датчики и исполнительные механизмы.

Распределенные системы управления

• Распределенная система управления (РСУ) - система управления, в которой управляющие устройства распределены по территории объекта управления и связаны между собой сетью передачи данных.
• Преимущества РСУ: повышение надежности, масштабируемости и гибкости системы управления.
• Примеры РСУ: системы управления энергетическими сетями, транспортными системами, системами автоматизации зданий.