5. Riadenie mechatronických sústav, automatizácia a riadiace systémy

5.1 Význam riadiacej techniky pre mechatroniku

Vlastnosti, kvalitu mechatronických sústav a systémov určuje spôsob ich riadenia. O dlhodobej spoľahlivosti, prevádzkovej schopnosti a servisných nákladoch rozhoduje riešenie ich technickej diagnostiky. Pre obidva odbory sa obvykle používa súhrnné pomenovanie riadiaca technika alebo automatické riadenie. Je jej venovaná táto a nasledujúca kapitola (5 a 6). Riadiaca technika je síce osobitým odborom, ale väčšinou je vnímaná ako súčasť odboru automatizácia alebo automatizačná technika. Niekedy je zasa termín automatizačná technika alebo automatizácia vnímaný ako rovnocenné pomenovanie (synonymum) pre riadiacu techniku. Nie je našim cieľom diskutovať o rozdieloch a súvislostiach medzi obidvomi termínmi. Príjmime automatizáciu ako odbor historicky starší, tematicky širší, ktorý „zastrešuje“ aj odbor riadiacej techniky.

Najprv sa veľlmi stručne zoznámime so súčasným stavom automatizácie a so základnými pojmami a princípmi riadiacej techniky. Je to univerzálny odbor. Mechatronika je len jedným z odborov, kde je aplikovaná. Preto budeme v texte hovoriť len o riadení a súvislosť s riadením mechatronických sústav tu nebudeme výslovne uvádzať, budeme ju ale mlčky predpokladať. Základné pojmy a princípy budú v tejto úvodnej kapitole vysvetlené veľmi stručne a heslovite, k niektorým sa neskôr vrátime podrobnejšie.

Fyzikálne prostriedky, ktoré riadenie realizujú sa obvykle nazývajú riadiace systémy, niekedy skrátene len systémy. Sú to univerzálne prístroje, dnes realizované takmer výhradne na elektronickom princípe – s využitím číslicovej techniky a najmodernejších mikroelektronických súčiastok, programovateľných logických polí, pamätí, mikroprocesorov, mikroradičov, signálových a komunikačných procesorov – súhrnne označovaných ako procesory alebo procesorové obvody, ktoré sú „srdcom“ riadiaceho systému. Väčšina súčasných riadiacich systémov obsahuje viac procesorov – sú riešené ako multiprocesorové.

Z použitia mikroprocesorov vyplýva, že riadiace systémy sú programovateľné. Ich program realizuje väčšinu funkcií riadiaceho systému. Niektoré sú realizované vnútorným programom procesora, ktorý je pre užívateľov obvykle nedostupný a systém sa javí ako uzavretý. Väčšina riadiacich systémov je ale riešena tak, aby svoje programovanie sprístupnila svojim užívateľom – sú užívateľsky programovateľné. Vnútorný program (niekedy sa používa označenie systémový program alebo firmware) vytvára súbor inštrukcií pre programovanie a spoločné základné funkcie systému – systémové, diagnostické a komunikačné služby. To dovoľuje veľkú prispôsobiteľnosť riadiacich systémov pri riadení najrôznejších sústav a pri riešení rôznorodých úloh. Prispôsobiteľnosť vyplýva aj zo stavebnicového prevedenia väčšiny riadiacich systémov. Podporujú ju aj komunikačné funkcie riadiacich systémov a kompatibilita s priemyslovými zbernicami a komunikačnými štandardmi. Tak je možné rôznorodé systémy navzájom spájať do sietí a vytvárať z nich rozsiahlejšie distribuované systémy, pripájať k nim moduly vzdialených vstupov a výstupov a špecializované prístroje. Existuje mnoho typov riadiacich systémov. V tejto kapitole uvedieme len stručnú charakteristiku najrozšírenejších kategórií.

Podrobnejšie sa tu budeme zaoberať programovateľnými automatmi. Často sú označované anglickou skratkou PLC, Programmable Logic Controller (programovateľný logický radič - systém). Dostupnosť pokročilých funkcií v moderných typoch programovateľných automatov, hlavne ich výpočtová univerzálnosť a výkon a komunikačné schopnosti sú niekedy zdôrazňované skratkou PAC Programmable Automation Controllers (programovateľný automatizačný radič, programovateľný systém pre automatizáciu). Programovateľné automaty sú najrozšírenejšími riadiacimi systémami a veľmi často sa používajú pre riadenie mechatronických sústav. Budú popísané typické kategórie programovateľných automatov, možnosti ich výstavby a programovania. Naznačené budú zásady programovania typických úloh logického typu a regulácia.

Pri riadení a technickej diagnostike sa stále častejšie používajú princípy umelej inteligencie – ide o inteligentné systémy alebo systémy, ktoré vykonávajú soft computing (nemá ustálený český ekvivalent). Mnohé z týchto princípov sú dostupné aj pre programovateľné automaty, predovšetkým fuzzy logika a neurónové siete. Niektoré inteligentné algoritmy sú výhodne realizovateľné vo vzájomnej komunikácii a spolupráci programovateľných automatov s počítačovými výpočtovými programami, napr. Matlab/Simulink. Takto sa dajú realizovať napr. neurónové siete a ich učenie alebo genetické algoritmy. Preto sú v šiestej kapitole stručne vysvetlené ich základné princípy.

Výklad je miestami hrubo zjednodušený a má skôr encyklopedický charakter. Súčasne sa snaží vysvetliť význam často používaných termínov a skratiek a zjednotiť českú terminológiu. Poslaním kapitoly 5 a 6 nie je, aby sa ich čitateľ stal špecialistom v odbore riadiacej techniky, projektantom automatizovaných systémov alebo programátorom riadiacich systémov. To vlastne nie je ani cieľom študijného odboru mechatronika. Cieľom bolo poskytnúť základné informácie a prehľad, aby sa mohol orientovať v náročnom a dynamicky sa vyvýjajúcom odbore. Preto tu uvádzame len taký rozsah látky, ktorý je vo výuke zvládnuteľný a ktorý absolventom umožní dobré uplatnenie vo svojej profesii, na ktorú sa pripravujú – pri návrhu, prevádzke a údržbe mechatronických zariadení. Pre absolventa odboru mechatronika je predovšetkým dôležité aby:

·mohol zariadenie kvalifikovane obsluhovať, diagnostikovať a opravovať
·vedel rozhodnúť, ktoré funkcie je vhodné riešiť na mechanickom princípe a ktoré riadiacim systémom a jeho programom
·vedel kvalifikovane formulovať požiadavky na riadenie
·mohol s porozumením komunikovať a spolupracovať s konštruktérmi, projektantmi, programátormi a s dodávateľmi riadiacej techniky
·mohol kvalifikovane rozhodovať o výbere ponúkaných mechatronických systémov a výrobkov a vedel posúdiť kvalitu dodaných produktov
·vedel, čo je jednoduché a čo obtiažne, čo lacné a čo neúnosne drahé
·nemusel byť príliš závislý na cudzích názoroch a mal tak dostatočnú slobodu v rozhodovaní a posudzovaní
·v prípade záujmu mohol pokračovať v štúdiu zameranom na automatizáciu a riadiacu techniku

5.2 Riadenie a automatizácia v našom živote

Skôr ako sa budeme venovať princípom a spôsobom realizácie riadiacich a diagnostických funkcií sa stručne zoznámime so súčasným stavom odboru automatizácie, do ktorého patrí aj riadiaca technika a technická diagnostika. Už v samotnom pomenovaní automatizácia sa dá vycítiť, že sa jedná o priebežný proces premeny, o automatizovanie, kedy je tradičné ručné riadenie nahradzované automatickým riadením. Podobne bola v historicky dávnejších dobách mechanizácie procesom, v ktorom bol obmedzovaný podiel ľudskej práce vo výrobnom procese. Sila a práca ľudských svalov bola nahradzovaná najrôznejšími mechanickými pohonmi stále dômyselnejších strojov.

Pri automatizácii je predovšetkým odstraňovaná ubíjajúca stereotypná práca a uľahčovaná náročná psychická práca, oslabujúca stresujúca pracovná aktivita, niekedy je ešte zmierňovaná aj fyzická námaha. Postupne je obmedzovaná účasť človeka na procese riadenia, často je človek z procesu riadenia vylúčený. Automatizácia nie je lacná. Viditeľnými prínosmi sú úspory v dôsledku zrušených pracovných miest. Významným dôsledkom je zvýšenie produktivity a objemu výroby, zvýšenie kvality a opakovateľnosti výroby. Dochádza aj ku zlepšeniu spoľahlivosti a bezpečnosti, obmedzeniu havárií, nehôd a úrazov, pretože človek (ľudský faktor) je často nejmenej spoľahlivým a najviac zraniteľným prvkom výrobného procesu. Mnohé prínosy automatizácie sa dajú obtiažne vyčísliť, no napriek tomu sú zjavné.

Dnes je automatizácia riadenia natoľko rozšírená, že návrat k ručnému riadeniu už nie je možný. Asi ťažko si dokážeme predstaviť, že by sme každý stroj alebo technologický proces riadili ručne. Už by sme ani nezohnali dostatok ľudí, ktorí by boli schopní a ochotní túto prácu vykonávať. Nie je to možné ani pri jednoduchých domácich spotrebičoch. Predstavme si, že by sme napríklad ručne vypínali rýchlovarnú kanvicu pri dosiahnutí varu, ručne udržiavali potrebnú teplotu chladničky, rúry alebo miestnosti, že by sme kontrolovali a spúšťali každú pracovnú fázu práčky alebo iného domáceho pomocníka.

Automatické riadenie nahradzuje človeka aj pri riadení pomerne komplikovaných strojov a výrobných procesov alebo aspoň nevyžaduje jeho trvalú prítomnosť. Menujme napr. bezobslužné výrobné stroje, plne automatizované výrobné linky a technologické procesy, výmenníkové stanice a kotolne, klimatizáciu a vzduchotechniku v budovách, vodárenské zariadenia a čističky odpadových vôd. Mnohé priemyslové a energetické procesy sú natoľko komplikované, že ich ručné riadenie je pre človeka už nezvládnuteľné a bez náročnej riadiacej techniky sa už nedajú prevádzkovať (napr. riadenie rakiet a raketoplánov). Vďaka automatizácii sa dajú bezobslužne riadiť technológie s nebezpečným a nezdravým prostredím (napr. hútnicke a chemické prevádzky, lakovne a chladiarenské prevádzky). Niektoré úkony sú pre človeka nedostupné, napr. manipulácia s ťažkými alebo objemnými predmetmi (karosérie alebo zváracie hlavice). Alebo pohyby s požadovanou rýchlosťou a presnosťou a opakovateľnosti po zadanej priestorovej v priestore. Inokedy sú pre človeka naopak nezvládnuteľné extrémne jemné a presné operácie (napr. osadzovanie elektronických súčiastok pri povrchovej montáži na plošné spoje). Niekedy je automatizované riadenie jediným možným riešením, pretože prítomnosť človeka v danom prostredí nie je možná (napr. v aktívnych zónach jadrových elektrární, pri riadení rakiet, družíc a kozmických sond bez posádky alebo riadenie vozidla na Marse). Podobnou situáciou je aj riadenie pyrotechnického alebo požiarného robota (aj keď tu býva inteligencia riadiaceho systému kombinovaná s diaľkovým riadením).

V zložitých prípadoch je prítomnosť človeka ešte stále nevyhnutná, ale je mu tu obvykle zverená rola kvalifikovaného operátora, kontroly, dozoru alebo experta. Aj z týchto postov je človek stále viac vytlačovaný, alebo je aspoň obmedzovaná zodpovednosť a rizikovosť jeho zásahu. Prispieva k tomu rastúca chytrosť riadiacich a informačných systémov i využívanie princípov umelej inteligencie ( expertné a poradné systémy, trenažéry a simulačné modely, adaptácia, automatické učenie a prispôsobovanie systémov meniacim sa podmienkam, rozpoznávanie obrazov a diagnostických stavov, ich predvídanie, komunikácia s operátorom v prirodzenom jazyku a pod.).

Bežnými sa už stali automatizované riadiace, monitorovacie a dokumentačné systémy celých výrobných prevádzok. Tie sú stále častejšie prepojované s informačnými systémami podnikov. Automatizácia tak postupne prirastá ako informačné podhubie všetkými výrobkami, výrobnými prostriedkami, ľudskými sídlami a ich vybavením, domácimi spotrebičmi a hračkami, dopravnými prostriedkami. Sieť internet a vyspelé bezdrôtové komunikačné technológie ju sprístupňujú aj pre riadenie veľmi rozľahlých sústav, napr. elektrizačných, vodárenských, teplárenských a plynárenských sietí a dopravných systémov. V tejto súvislosti sa najnovšie používa termín telematika alebo telematické systémy – najmä v súvislosti s dopravnými systémami a ich riadením. Slovo telematika vzniklo zlúčením slov telekomunikácia a informatika, ale má súčasne i význam prostriedku pre riadenie rozľahlých systémov. Automatizácia tak doprevádza väčšinu ľudských aktivít a všetko navzájom prepojuje do jednotného automatizovaného supersystému našej globálnej spoločnosti.

Súčasná riadiaca technika v mnohých oboroch opúšťa svoj pôvodný účel- automatizovať, odľahčiť človeku od namáhavej a ubíjajúcej rutinnej práve. Stále častejšie sa uplatňuje tam, kde sa človek nikdy neuplatňoval. Riadiaca technika sa stáva neoddeliteľnou súčasťou výrobkov, ktorým poskytuje chytrosť a vyspelé funkcie. Mnohé výrobky bez nej nemôžu dosiahnuť potrebnú kvalitu a úžitkové vlastnosti. Napríklad u moderných automobilov sa odhaduje, že podiel elektronických systémov činí desiatky percent z celkovej ceny a bez nich nie je automobil schopný fungovať. Automatizácia už nemusí len automatizovať to, čo bolo dosiaľ ručne riadené, ale povyšuje výrobok na kvalitatívne vyššiu úroveň. Táto situácia je typická i pre mechatroniku.

5.3 Programovateľnosť riadiacich systémov a jej dôsledky
Základným a výkonným prvkom automatizačnej techniky je riadiaci systém. V súčasnosti je srdcom riadiaceho systému takmer vždy niektorý z mikroprocesorov, mikroradičov, signálových procesorov, alebo zabudovaný priemyslový počítač. Jeho program realizuje súbor funkcií a určuje vlastnosti riadiaceho systému. Väčšinu riadiacich systémov tvoria užívateľsky programovateľné riadiace systémy (typu PLC, CNC alebo priemyslové počítače). Programujú sa v prostredí a v jazyku, ktorý je prispôsobený prevažujúcim úlohám a mentalite užívateľov. Jazyk užívateľského programovania je človeku bližší a zrozumiteľnejší, než jazyk skrytého mikroprocesoru. Programom mikroprocesorov sú potom realizované všetky inštrukcie, systémové a komunikačné služby a diagnostické funkcie, ktoré slúžia programátorovi na užívateľskej úrovni. Užívateľský program riadiaceho systému beží nad programom vnútorného mikroprocesoru alebo počítača.

Z programovej realizácie vyplýva, že všetky spracovania vo vnútri riadiaceho systému prebiehajú v číslicovej forme. Všetky úkony sú prevádzané v nespojitých časových okamihoch. Niekedy bývajú vykonávané v najkratšom dostupnom intervale (obvykle pripomínajú premenné dĺžky), ktorý je určený dobou prebehnutia slučky programu- dobou programového cyklu. Mnohé operácie sa prevádzajú v podstatne pomalších taktoch a s pevným intervalom spracovania. Jeho dĺžka zodpovedá typu riešenej úlohy a býva zadaná ako parameter programu. Väčšinou sa jedná o úlohy číslicového charakteru, obvykle regulácie a filtrácie. Presnosť a stabilita v dodržaní intervalu aktivácie ovplyvňuje presnosť číslicových úloh. Pre riadenie rýchlych mechanizmov a pre reguláciu rýchlych procesov býva volený interval v desatinách, jednotkách až desiatkach milisekúnd, pre reguláciu teplôt a ďalších pomalých dejov postačuje interval v jednotkách až desiatkach sekúnd, pre úlohy optimalizácie a adaptácie sa používajú podstatne dlhšie intervaly. Túto vlastnosť programových riadiacich systémov nazývame nespojitosť v čase.

Program môže spracovávať len číslicové údaje. Tie sú už zo svojej podstaty nespojité. Tejto vlastnosti programovateľných systémov sa hovorí nespojitosť v hodnote. Jemnosť či hrubosť rozlíšenia hodnôt závisí od formátu v ktorom sú čísla uložené a spracované. Binárne logické premenné rozlišujú 2 stavy: nie- áno (0 -1. informácia 1 bitu, tj. rozsah jednej dvojkovej číslice). U čísiel vo formáte s pevnou rádovou čiarkou v dĺžke 8 bitov (1 byte) sa dá rozlíšiť 256 hodnôt, pri dĺžke 16 bitov (2 byte, word) sa dá rozlíšiť 65 536 hodnôt, vo formáte s plávajúcou rádovou bodkou je rozlíšenie ešte jemnejšie. Nespojitosť v hodnote nebýva významná. Často si ju ani neuvedomujeme a číslicový údaj vnímame ako spojitý.

5.4 Riadiaci systém a komunikácia s okolím
Riadiaci systém je schopný svojim programom vykonávať všetky požadované riadiace a diagnostické funkcie. Informáciu o stave stroja alebo technologického procesu (riadené sústavy) získava prostredníctvom vhodne volených senzorov, ktoré sú pripojené k jeho výstupom. Prevádzajú hodnoty sledovaných veličín do formy signálov, ktoré sa dajú ďalej prenášať a spracovávať. Najčastejšie sú to elektrické signály- obvykle elektrické napätie alebo prúd. Niektoré senzory predávajú len dvojhodnotovú informáciu (binárne senzory) typu zapnuté- vypnuté, poloha (hladina, teplota) dosiahnutá- nedosiahnutá. Na vstupnej strane riadiaceho systému sa pripájajú na dvojhodnotové (binárne) vstupy. Niekedy sa v tejto súvislosti používa prívlastok číslicové alebo digitálne, ktorý je však mätúci a nedoporučujeme jeho používanie- nejde o čísla, ale o dvojhodnotové logické premenné. Často sa používajú analógové senzory, ktoré hodnoty spojitých veličín prevádzajú na zodpovedajúce hodnoty spojitého signálu, ktorý sa privádza na analógové vstupy systému. To je vo vstupnom analógovo- číslicovom prevodníku (A/D) transformovaný na zodpovedajúcu číselnú hodnotu vstupnej premennej v potrebovanom formáte (obvykle v pevnej radovej čiarke dĺžky 8,12 alebo 16 bitov). Pred ďalším výpočtom prevádza program riadiaceho systému ešte predspracovanie vstupných údajov, napr. prevedenie údaja prečítaného z prevodníka na údaje vyjadrené v obvyklých inžinierskych jednotkách., filtráciu a potlačenie šumu, overenie vierohodnosti a platnosť údajov, rozpoznanie zmien a trendov.

Takto je napríklad v odporovom teplomere prevedený údaj o aktuálnej teplote na hodnotu odporu a následne na hodnotu elektrického napätia, ktoré je privedené na vstup riadiaceho systému. Tu je mu priradená zodpovedajúca číselná hodnota v jednotkách, s ktorými sa ľahšie počíta (napr. na ľudský údaj o teplote v 0,1 stupňoch celzia). Jednoduchou filtráciou sadá previezť výpočtom kĺzavých priemerov (napr. ako súčet posledných 4 po sebe idúcich hodnôt delených štyrmi) alebo ako medián (výberom prostrednej hodnoty z posledných troch alebo piatich meraných vzorkov). Tak sa dajú obmedziť náhodné šumy a kolísanie hodnôt. Ďalej je účelné skontrolovať, či sa údaj nachádza v stanovenom tolerančnom pásme, inak nepokračovať vo výpočte a ohlásiť chybu.

Stále častejšie sú dnes používané múdre senzory (smart), ktoré v sebe obsahujú analógové číslicové prevodníky a predávajú číslicový údaj o meranej hodnote, prípadne už predpracovaný a skontrolovaný. Chytré senzory obvykle ďalej poskytujú kontrolu komunikácie a správneho doručenia údajov, kontrolu správnej funkcie senzoru, jeho diaľkové nastavenie a pod. Číselné údaje sú prenášané prostredníctvom sériovej komunikácie rozhraním a komunikačným protokolom niektorej z priemyslových zberníc (AS Interface, Profibus DP, CAN, Device Net, Interbus), v poslednej dobe i prostredníctvom priemyslovej verzie Ethernet.

Prostredníctvom priemyslovej zbernice sa dajú k systému pripojiť i moduly vzdialenostných vstupov a výstupov a špecializované prístroje, napr. snímače sily a vážiace zariadenia, frekvenčné meniče, čítacie zariadenia kariet, snímače čiarových kódov a iných identifikačných prvkov (odtlačok palca). Priemyslovou zbernicou komunikujú i operátorské panely a ďalšie spolupracujúce systémy. Na strane systému sa zbernica pripája na špecializované svorky alebo konektory. Používané sú i prostriedky bezdrôtovej komunikácie. Číslicové údaje sa dajú prenášať podstatne ľahšie a bezpečnejšie než analógové. Jednou sériovou komunikačnou linkou sa dajú prenášať údaje z viac zdrojov (podľa typu priemyslovej zbernice).

Výsledkom spracovania hodnôt vstupných premenných programom riadiaceho systému sú hodnoty výstupných premenných. Niektoré majú význam dvojhodnotových logických premenných. Systém ich predáva svojimi dvojhodnotovými výstupmi. Bývajú riešené ako polovodičové spínače, často ako kontakty relé. Sú určené pre ovládanie akčných členov (aktorov) dvojhodnotového charakteru, najčastejšie elektromagnetické spojky, elektropneumatické prevodníky, ventily, elektrické kúrenia, elektromotory, svietidlá a pod. Číslicové výstupné premenné sú vo výstupných číslicovo analógových prevodníkoch (D/A) transformované na analógové výstupné signály, ktoré ovládajú analógové akčné členy, napr. servopohony, frekvenčné meniče, výkonové zosilovače. Výstupy systému bývajú s výhodou prenášané na sériovú komunikáciu prostredníctvom niektorej z priemyslových zberníc, Ethernetu alebo bezdrôtovo. Pre vybavenie riadeného objektu senzormi, akčnými členmi, prípadne i riadiacim systémom, sa používa zjednocujúce pomenovanie inštrumentácia procesov alebo len inštrumentácia. Niekedy používané poľná inštrumentácia vzniklo násilným prekladom.

Ku komunikácii riadiaceho systému s človekom- operátorom (obsluhou), zoraďovačom alebo opravárom (diagnostikom)- je určené operátorské rozhranie, niekedy označované skratkou HMI alebo staršie MMI. Niekedy je operátorské rozhranie riešené ako neoddeliteľná súčasť riadiaceho systému, častejšie ako samostatný prístroj, ktorý je s riadiacim systémom spojený sériovou komunikačnou linkou (obvykle zase niektorou z priemyslových zberníc). Prevedenie operátorského rozhrania je podriadené situácii na danom pracovisku, počtu a rozsahu zadávaných a zobrazovaných údajov, kvalifikácii operátora, početnosti a závažnosti jeho zásahov, ale i cene. Niekedy je riešené ako skromný operátorský panel s niekoľkými tlačítkami a možnosťou zobrazenia niekoľkých číslic a krátkych textov. Niekedy sú to komfortné operátorské panely s klávesnicou a grafickou obrazovkou, často dotykovou, niekedy priamo priemyslové počítače v panelovom prevedení. Ako komfortné operátorské rozhranie bývajú použité štandardné počítače vo riadiacich centrách alebo na dispečerských pracoviskách. Obvykle sú vybavené špecializovaným programovým systémom – vizualizačným systémom- pre názorné zobrazovanie stavu riadených procesov, pre ich ovládanie, dokumentovanie ich vývoja a archiváciu významných údajov. Často je pre ne používaná skratka SCADA/HMI. Pre riešenie operátorského rozhrania bývajú používané i prenosné počítače taškového (notebook) alebo vreckového formátu (paltop), prípadne kombinované prístroje pre mobilnú komunikáciu.

5.5 Typy a algoritmy riadenia
5.5.1 Riadená sústava
Riadiaci systém spracováva informácie o riadenej sústave. Niekedy sa hovorí o riadenom technologickom objekte (technologickom objekte). Informácie získava prostredníctvom údajov zo senzorov. Spolu s nimi spracováva ešte údaje, ktoré zadal operátor. Vyčísľuje hodnoty výstupných premenných. Niektoré majú význam pre operátora a zobrazuje ich prostredníctvom operátorského rozhrania. Tie, ktoré sú určené pre ovládanie riadenej sústavy – akčné veličiny, akčné zásahy- sú ako výstupné signály predávané akčným členom na sústave.

5.5.2 Algoritmus riadenia
Pri zadávaní a popise činnosti programu riadiaceho systému sa často používa termín algoritmus. Zjednodušene ho môžeme chápať ako popis činnosti, postup, ktorý sa má pre daný spôsob riadenia vykonať- v podstate prepis, podľa ktorého má byť vytvorený odpovedajúci program riadiaceho systému. Podľa prevažujúcich algoritmov bývajú označené i typy riadiacich systémov, ktoré ich realizujú., napr. ako číslicové alebo logické systémy, regulačné systémy (regulátory) a pod. Veľakrát sme svedkami terminologickej nedôslednosti, keď pomenovanie algoritmus a systém bývajú zmiešavané, napr. číslicový algoritmus i číslicový systém, spätnoväzbový algoritmus i spätnoväzbový systém.

5.5.3 Dopredné a spätnoväzbové riadenie
Riadenie sa obvykle rozlišuje na dopredné a spätnoväzbové. Pri doprednom riadení alebo tiež ovládaní pôsobí riadiaci systém na sústavu priamo, bez toho aby zisťoval jej stav po zásahu, napr. keď je potrebné rozsvietiť svietidlo, spustiť motor, otvoriť ventil alebo aktivovať iný jednoduchý elektrický spotrebič, ktorého aktivitu je nutné kontrolovať, prípadne to nie je možné alebo účelné ( bolo by zbytočne drahé inštalovať senzory s väčším počtom výstupov). Dopredné riadenie je často využívané ako prostriedok ručného riadenia, keď človek – operátor ovláda sústavu prostredníctvom riadiaceho systému s využitím komfortu jeho operátorského rozhrania. Dopredné riadenie v tejto najjednoduchšej forme je vlastne riadením bez kontroly, len na základe dôvery, že sa požadovaná aktivita vykonala. Veľakrát je predpokladané, že po uplynutí stanovenej doby sa dá požadovaná akcia považovať za vykonanú. Neexistujúcu informáciu o prevedení akcie alebo o zmene riadenej sústavy pôsobením akčnej veličiny ,môžeme nahradiť informáciou, získanou z modelu riadenej sústavy, ktorý je realizovaný programom systému.

Častejšie a bezpečnejšie je spätnoväzbové riadenie, kde je spätne kontrolované vykonanie zadaných povelov. Niekedy je spätná väzba len dvojhodnotová (binárna, logická), sprostredkovaná binárnym čidlom vo význame prevedené- neprevedené. Spätnú väzbu môže tvoriť kompletná číselná informácia o hodnote riadenej veličiny. Niekedy je informácia spätnej väzby získavaná nepriamo, len podľa následkov akčného zásahu (ušetria sa senzory i vstupy systému). Napríklad na zapnutí vyhrievacieho telesa sa dá usudzovať z narastajúcej teploty alebo zo zvýšeného odberu elektrickej energie. Spätná väzba je mnohokrát získavaná až spätne, na základe informácie o vykonaní požadovanej akcie. Napríklad pri požiadavke na presunutie pomocného mechanizmu do požadovanej polohy sa nezískava informácia o spustení pohonu, ani o jeho aktuálnej polohe alebo rýchlosti pohybu, ale predáva sa až údaj koncového spínača dosiahnutie cieľovej polohy. Podobne pri požiadavke na napustenie alebo vypustenie nádrže nebýva zisťovaný stav ventilu či čerpadla ani prietok kvapaliny, ale až údaj senzoru dosiahnutia požadovanej hladiny. Dôvodom sú opäť úspory na inštrumentácii, niekedy však len pohodlnosť a konzervativizmus. Ak je v systéme dostupný aktuálny číselný údaj o polohe mechanizmu alebo o výške hladiny, potom sa dá ľahko vyhodnotiť jeho zmenu ako informáciu o aktivite pohonu. Naviac sa dá priebežne vypočítavať rýchlosť pohybu. Ktorá môže byť cennou dodatočnou informáciou, napr. pre riešenie diagnostiky.

Ak je dopredné riadenie realizované pri osobnej účasti operátora, jedná sa vlastne tiež o spätnoväzbové riadenie s tým, že funkciu spätnej väzby realizuje človek. V praxi sa obvykle stretávame so zložitejšími a kombinovanými prípadmi. Napríklad zapnutie obyčajného spotrebiča môžeme zo svojho pohľadu považovať za akciu dopredného riadenia. Aktivita spotrebiča je ale vnútorne realizovaná ako spätnoväzbový proces, pri ktorom je udržiavaná nastavená teplota a naviac je tepelnou poistkou strážené prekročenie bezpečnej teploty. Podobne je roztočenie motoru prostredníctvom frekvenčného meniča realizované ako pomerne zložitý spätnoväzbový proces. Obrábanie v ručnom režime sa dá považovať za jednoduché dopredné riadenie, ale v skutočnosti sú aktivované spätnoväzbové procesy ktoré zaisťujú požadovanú rýchlosť posuvov a otáčania vretena, prípadne konštantnú reznú rýchlosť pri meniacom sa polomere obrábania. Záleží teda na uhle pohľadu a na rozlišovanej úrovni.

Veľmi rozšíreným typom spätnoväzbového riadenia je regulácia. Pri nej sa priebežne porovnáva žiadaná hodnota riadenej veličiny s jej skutočnou hodnotou a z ich rozdielu ( regulačnej odchýlky) je vypočítaná hodnota akčnej veličiny. Tá je výstupom z riadiaceho systému a pôsobí na riadený objekt tak, aby sa skutočná a žiadaná hodnota vyrovnali v čo možno najkratšom čase, alebo aby ich rozdiel bol čo možno najmenší. V tejto súvislosti sa často používa slovo algoritmus riadenia či riadiaci alebo regulačný algoritmus (regulačný zákon).

5.5.4 Číslicové, logické a hybridné algoritmy
Pri riadení, ale aj v iných úlohách sa stretávame s dvoma typmi algoritmov- s číslicovými a logickými. Základom číslicových algoritmov je matematický vzťah (formula, vzorec), ktorý je predpisom ako z číselných hodnôt vstupných veličín vypočítavať číselné hodnoty výstupných premenných. Takto sú najčastejšie realizované mnohé typy regulačných algoritmov, ale i číslicových filtrov a modelov, optimalizácie procesov, adaptácie modelov, štatistické výpočty atď.

V mnohých prípadoch, napr. pri regulácii sú číselné hodnoty výstupných premenných prevádzané na výstupný analógový signál akčnej veličiny. Z pohľadu vstupov a výstupov sa taký číslicový systém javí ako analógový, pretože do neho vchádzajú analógové vstupy a vychádzajú opäť analógové výstupy.

Naproti tomu je logický algoritmus popísaný ako súbor pravidiel alebo logických výrazov. Niekedy sa nazýva ako pravidlový systém. Vyčíslením pravidiel alebo výrazov sa získajú pravdivostné hodnoty výstupných premenných. Najčastejšie majú dvojhodnotový charakter a význam akčných zásahov typu chladenie vypnúť- zapnúť, kúrenie zapnúť- vypnúť, alebo diagnostických signálov porucha zistená- nezistená. Pri logických systémoch sa obyčajne mlčky predpokladá, že ich logické premenné (vstupné, výstupné aj vnútorné) majú dvojhodnotový (binárny) charakter. Ich pravdivostné hodnoty sa obvykle vyjadrujú dvojkovými číslicami 0 (nepravda) a 1 (pravda). Pre popis a metodiku návrhu dvojhodnotových systémov sa často používa matematický aparát Booleovej algebry a teórie konečných automatov.

V praxi sa ale môžeme stretnúť s logickými systémami, ktorých premenné majú viac pravdivostných hodnôt- potom sa hovorí o viachodnotových logických systémoch. Pre ich popis sa používajú algebry viachodnotovej logiky. Obvykle sa používajú logiky s rozlíšením 3 až 7 pravdivostných hodnôt- v reálnych logických systémoch sú pravdaže kódované ako kombinácie hodnôt binárnych premenných, podobne ako čísla. Napríklad v trojhodnotovej logike sa dajú rozlíšiť pravdivostné hodnoty 0 (nepravda), 0,5 (neviem) a 1 (pravda), alebo v päťhodnotovej logike 0-0,25-0,5-0,75-1. pravdivosť sa často vyjadruje v percentách, napr. 0℅-25℅-50℅-75℅-100℅.

Môžeme sa ale stretnúť s logickými systémami, kde pravdivosť ich premenných môže nadobúdať akékoľvek číselné hodnoty medzi 0 (0℅, nepravda) a 1 (100 percent, pravda). Sú nimi fuzzysystémy. Matematickým základom pre ich popis je teória fuzzy- logiky. Prívlastok fuzzy (neostrý, rozmazaný) tu vyjadruje neurčitosť informácie. Tá môže vyplývať zo samej podstaty javu. Jablko môže byť čiastočne zrelé a čiastočne nezrelé, trocha sladké, trocha kyslé. Vodu môžeme hodnotiť ako trochu horúcu, trochu vlažnú, rovnako neostrý je rozdiel napr. medzi významami dospievajúci a dospelý, úspešný a neúspešný, malý a veľký, zdravý a nezdravý. Zdrojom neurčitosti môže byť meranie a spôsob získavania informácie, vierohodnosť meraných údajov, ale aj názory rôznych ľudí na hodnotenie rovnakého problému, hodnotenie očitých svedkov k prežitej udalosti, posudzovanie znalostí maturanta členmi skúšobnej komisie. Z neurčitých údajov môžeme získať len neurčité výsledky, napríklad závery o bezporuchovom stave alebo o veľkosti akčného zásahu. Určitý výrok môže mať len čiastočnú pravdivosť ( napr. riziko závady je 35 percent), nenulovú pravdivosť môžu mať aj protikladné výroky (napr. bezchybný stav = 60 percent, závada = 35 percent, havária = 5 percent). Fuzzy logika je využívaná aj k obsiahnutiu prirodzenej neurčitosti ( vágnosti) ľudského myslenia a vyjadrovania. Podobne ako s fuzzy premennými možno zachádzať aj s viachodnotovými premennými. V praxi riadiacej techniky sa často stretávame so systémami, ktorých chovanie je popísané kombináciou algoritmov číslicového a logického typu. Obvykle sa označujú ako hybridné. Môžu to byť napr. číslicové systémy, ktoré pre rôzne situácie (stavy) používajú odlišné matematické stavy pre výpočtové algoritmy. Pri zmene stavu dôjde k zmene štruktúry alebo parametrov algoritmu číslicového podsystému, ktorý je aktivovaný. Aktuálny stav je vyčísľovaný pravidlami alebo výrazmi logického podsystému. V tomto prípade sa jedná o systém s premennou štruktúrou. Pokiaľ sú pravidlá vyhodnocované v binárnej alebo viachodnotovej logike, jedná sa o systém so skokovo- premennou štruktúrou, pri použití fuzzy logiky sa jedná o spojitú zmenu štruktúry. Existujú aj podstatne zložitejšie typy hybridných systémov.

5.5.5 Statické a dynamické, kombinačné a sekvenčné systémy
Niektoré algoritmy (systémy) reagujú len na súčasnosť, na aktuálnu situáciu. Okamžité hodnoty vstupných premenných prevádzajú na zodpovedajúce hodnoty výstupných premenných. Číslicové algoritmy (systémy) s touto vlastnosťou sa označujú prívlastkom statické. Stretávame sa s nimi napr. pri prevode meraného údaja z jednotiek A/D prevodníka na údaj v inžinierskych jednotkách, pri linearizácii snímača alebo korekcii jeho chýb. Logické algoritmy, ktorých výstupy sú závislé len na okamžitej kombinácii vstupných premenných sa označujú ako kombinačné (typickými predstaviteľmi sú prevodníky kódov).

V praxi sa ale omnoho častejšie stretávame so systémami, ktorých výstupy naviac závisia od predchádzajúceho vývoja systému, na situácii, v akej sa nachádza systém alebo riadený objekt- na stave. Číslicové systémy s touto vlastnosťou sa označujú ako dynamické. Patria sem obvykle regulačné algoritmy, algoritmy filtrácie, algoritmy pre modelovanie spojitých riadených sústav a pre predpovedanie ich očakávaného vývoja.

Podobnú vlastnosť vykazujú i sústavy spojitého charakteru. Typické pre ne je zotrvačné chovanie a vlastná dynamika chovania pri prechodoch medzi rôznymi stavmi (pri zapnutí alebo vypnutí, pri zmene požadovanej hodnoty, pri zmene podmienok v okolí), kde žijú svojim životom. Ich veličiny sa menia podľa vlastných pravidiel, niekedy môžu kmitať alebo nekontrolovane rásť (u nestabilných sústav). Príčinou vlastnej dynamiky sústav(samotných i riadených) je akumulácia energie alebo média (napr. nahromadenie tepla či chladu v murive alebo v objeme vzduchu vykurovanej miestnosti, zaplnenie nádrže kvapalinou, roztočenie zotrvačníka, stlačenie pružiny, nabitie kondenzátoru), vzájomná premena rôznych typov energie (napr. kinetickej na potenciálnu a späť pri kyvadle, elektrickej a magnetickej pri elektrických obvodov) alebo oneskorenie pri transporte média (napr. vzdušiny či kvapaliny v potrubí, uhlí na dopravníkovom páse).

U logických systémov odpovedajú dynamickým systémom sekvenčné logické systémy. Ich výstupy sú závislé nielen na okamžitej kombinácii vstupných premenných, ale aj na ich postĺpnosti (sekvencii)teda na stave, ktorý je výsledkom doterajšieho vývoja. Stav je najčastejšie vyjadrený ako kombinácia vnútorných (stavových) premenných alebo ako zapamätaná postĺpnosť vstupných premenných- vstupná pamäť.

5.5.6 Príklady regulačných algoritmov
Pre ilustráciu číslicových a logických algoritmov uveďme niekoľko jednoduchých príkladov. Najjednoduchším číslicovým regulačným algoritmom je proporcionálna regulácia (P regulátor). Platí pre ňu, že akčný zásah je úmerný regulačnej odchýlke podľa vzťahu:
U=k.e=k(w-y)
Kde
e=w-y
je regulačná odchýlka, w je žiadaná hodnota regulovanej veličiny a y je jej skutočná hodnota.

Napr. pre reguláciu teploty pri vykurovaní platí, že čím je skutočná teplota viacej vzdialená od požadovanej, tím väčšia bude hodnota akčnej veličiny. Tou môže byť poloha ventilu(veľkosť otvorenia alebo uzavretia) alebo napätie, ktoré ovláda výkon spoločne regulovaného tepelného zdroja. Pokiaľ je v miestnosti chladno(skutočná teplota y je nižšia, ako žiadaná w), je regulačná odchýlka e kladná. Akčná veličina u bude rovnako kladná a bude pôsobiť tak, aby sa úmerne zvýšilo množstvo privedeného tepla(viac sa otvorí ventil, zvýši sa výkon vykurovania). Pokiaľ je miestnosť prekúrená , bude regulačná odchýlka záporná a akčná veličina bude pôsobiť na úmerné znižovanie privádzaného tepla. Pokiaľ je dosiahnutá požadovaná teplota, odchýlka bude nulová a nebude sa meniť ani množstvo privádzaného tepla. Pretože hodnota akčnej veličiny sa spoločne menia, musí spoločné zmeny dovoliť aj akčný člen, ktorý má dodávku tepla do miestnosti(servopohon, ktorý ovláda polohu ventilu alebo regulátor výkonu kúrenia).

V praxi sa obvykle používajú zložitejšie regulačné algoritmy, najčastejší regulácia typu PID(proporcionálne- integračne- derivačné), ktorý je v princípe analógový(tradične sa realizoval analógovými obvodmi alebo na mechanickom princípe). Pre jeho číslicovú obdobu sa niekedy používa pomenovanie regulácie PSD(proporcionálne- sumačne- diferenčné). Vzhľadom k tomu, že nemôže dôjsť k zámene(analógové regulátory sa používajú len v historických aplikáciách), do poručujeme používať zavedené označenie PID. Akčná veličina u sa tu vypočítava ako súčet troch zložiek. Proporcionálna je úmerná okamžitej hodnote regulačnej odchýlky e, diferenčná zložka je úmerná jej diferencii Δ ek = ek –ek -1 (rozdielu súčasnej a minulej vzorky odchýlky ako číslicovej náhrady derivácie) a sumačnej je úmerná postupne načítaným hodnotám polohovej odchýlky sek = ek + sek -1(ako číslicová náhrada integrálu). Podrobnejšie bude tento typ regulátoru popísaný neskôr.

Sám regulačný algoritmus je jednoduchý a hádam ho realizovať veľmi ľahko, často jedinou špecializovanou inštrukciou alebo aktivovaním podprogramu či systémovej služby. Problémom je pravdaže nastavenie jeho parametrov- koeficientov zosilnenie jeho troch zložiek v závislosti na vlastnostiach riadenej sústavy a na ich vlastnej dynamike. Pri nesprávnej voľbe parametrov má regulačný proces(prechodný dej) nevhodný priebeh- buď je zbytočne pomalý, alebo je rýchly, ale prekmitávajúci, prípadne môže byť aj nestabilný(trvalo kmitajúci alebo nekontrolovateľne rastúci).

Najjednoduchším regulačným algoritmom logického typu je dvojstavový(dvojpolohový) regulátor- v prípade regulácie teploty sa nazýva termostat. Jeho činnosť je popísaná pravidlami: ak e>0 ,tak zapni kúrenie,
ak e≤ 0 ,tak vypni kúrenie.

V tomto prípade má akčná veličina(akčný zásah) dvojhodnotový charakter (zapni- vypni kúrenie) a k jeho predaniu stačí jediný dvojhodnotový výstup systému. Zjednoduší sa aj prevedenie akčného člena- hádam použiť ventily s dvoma stavmi alebo relé alebo stýkač, ktorý spína kúrenie alebo ventilátor.

Častým typom logického regulačného algoritmu je trojstavový(trojpolohový) regulátor, s pravidlami: ak e> 0, tak zapni kúrenie, vypni chladenie,
ak e= 0, tak vypni kúrenie, vypni chladenie,