Aktuální vydání

celé číslo

11

2021

Monitorování stavu zařízení, diagnostika, řízení údržby

Snímače a systémy řízení polohy a pohybu (motion control)

celé číslo

Kongres IFAC v Praze a některé současné problémy automatizace

číslo 3/2005

Kongres IFAC v Praze a některé současné problémy automatizace

Světový kongres mezinárodní federace automatického řízení – International Federation of Automatic Control (IFAC) – je vždy významnou událostí. K příležitosti konání 16. kongresu IFAC v Praze v červenci 2005 vyšlo několik článků, které mu dělají dobrou reklamu. Takový kongres však vybízí i k zamyšlení nad vývojem sdružené značky „automatic control„. Jakou informační hodnotu může mít takový kongres a co osobně může jednotlivým účastníkům přinést? Příspěvek uvádí na toto téma několik postřehů na podkladě historických souvislostí.

Problém č. 1: srozumitelnost příspěvků

Přednesené přednášky a jejich texty otištěné ve sborníku jsou stále hůře čitelné pro širší okruh čtenářů. Dokáže je přečíst stále méně lidí. Část příspěvků je připravována spíše pro příspěvky samotné, a ne z toho důvodu, že přinášejí něco nového. Vypracováním (a přednesením) příspěvku snažení autora(ů) končí a část příspěvků zůstane vůbec nečtena. Kolik asi příspěvků publikovaných v rámci kongresu přežije do toho příštího? A kolik autorů si bude pamatovat, co vlastně minule publikovali?

V dávné minulosti žádné kongresy nebyly. Přesto byla vymyšlena a zcela srozumitelně popsána zařízení značky automatic control, inspirovaná potřebami skutečného života. Jejich principy přežily dodnes. Přitom jde o mnoho století. Uveďme dva příklady.

Obr. 1.

Obr. 1. Plovákový regulátor přítoku vody do napáječky popsaný v 9. století (zdroj: Mayr, O.: The origins of Feedback Control. Scientific American, roč. 223, č. 4, s. 110–118)

Ve třetím století př. n. l. žil řecký mechanik Ktesibios, který pracoval v egyptské Alexandrii. Vymyslel vodní hodiny, které k dosažení konstantního průtoku používaly plovákovou komoru podobně jako automobilový karburátor. Obdobně byl plovákový ventil znovu použit v regulaci přítoku vody do napáječky pro zvířata navržené v různých knihách několika arabskými autory od 9. do 13. století (obr. 1).

Nezbývá než poučit se z této vzdálené historie a přát kongresu jasné a srozumitelné příspěvky a výsledky. Naproti tomu vyvstává oprávněná obava, zda je to vzhledem k používanému matematickému stylu vyjadřování hojnému na symboly vůbec možné. Stačí poslední léta otevřít časopis Automatica, oficiální periodikum IFAC, s rozhodně nemalým počtem málo srozumitelných teoretických prací se specifickými konstrukcemi určenými pro velmi úzký okruh lidí. Srozumitelný vyjadřovací jazyk inženýrů je přitom nahrazován obtížně srozumitelným jazykem snažícím se napodobit moderní matematické práce. To může mladou generaci a odborníky z praxe, které by kongres rád oslovil, spíše odradit. Zejména oni totiž na začátek potřebují něco srozumitelného k použití, aby se takzvaně chytli. Zdá se totiž, že čím více je teorie automatického řízení matematická, tím méně je použitelná.

Problém č. 2: vzdálenost praxe a teorie

Řeší současná teorie skutečně potřeby praxe? Část současné teorie působí dojmem teorie pro teorii. Potřebuje např. stále přesnější a přesnější modely, což praxe zhusta neumí nabídnout. Tak se v současnosti praxe do značné míry stává nezávislou na teorii a naopak. Jak jinak lze vysvětlit skutečnost, že navzdory vývoji značky automatic control naprostá většina regulátorů (uvádí se, že přinejmenším 95 %) použitých v průmyslu jsou PI (proporcionálně-integrační) nebo PID (proporcionálně-integračně-derivační) regulátory. To je velký paradox vzhledem k tomu, že v teorii automatického řízení je tomu, řekněme, právě naopak: 95 % je moderní či post-moderní teorie řízení nesouvisející s PI nebo PID regulací a pouze zbývajících 5 % s ní souvisí. Lze si tedy položit otázku, zda současné úlohy řešené v praxi vůbec dokážou absorbovat moderní nebo post-moderní teorii řízení tak velikého rozsahu. Kolik asi příspěvků přednesených na kongresu najde odezvu v praxi? Zdá se, že kongres od kongresu je jich čím dál méně.

Obr. 2.

Obr. 2. Wattův odstředivý regulátor (zdroj: autor, pořízeno v Muzeu H. Forda, Detroit, USA)

V historii kupodivu není nové, když praxe teorii nepotřebuje. Vezměme polovinu 18. století. Tu charakterizují přinejmenším tři významné aplikace automatického řízení, které naléhavě potřebovala průmyslová revoluce. Předně byl W. Salmonem v Anglii znovu vynalezen plovákový regulátor pro regulaci vodní hladiny v domácích cisternách s vodou. Dále byl navržen první prototyp termostatu pro regulaci teploty. Autorem byl původně holandský inženýr C. Drebbel v 17. století, avšak v 18. století systém regulace teploty vylepšili Reaumur a Bonnemain ve Francii. Současně s tím v Evropě v té době pracovalo mnoho větrných mlýnů, kde byla patrná snaha o regulaci otáček. Tady se nejvíce uplatnili J. Watt a jeho spolupracovníci, kteří navrhli regulátor na principu odstředivé síly (tzv. fly-ball governor), podobný tomu na obr. 2, a to pro regulaci rychlosti parních strojů. Šlo zřejmě o první použití automatického řízení v průmyslu.

První kongres IFAC se konal v Moskvě v roce 1960. Od té doby se uskutečnilo mnoho kongresů, a nezdá se, že by se našla teorie, která by vedla k nějakému poklesu počtu řešení s PI nebo PID regulátory. Dokonce i průkopník takové nosné teorie, jakou je např. stochastická teorie řízení, K. ách takových na praxi orientovaných autorů jako F. Shinskey nebo D. Seborg je odvolávek na příspěvky z kongresů skutečně jako šafránu. Nabízí se proto otázka, zda není někde v kongresech IFAC chyba a zda současný systém není překonaný. Přejme tedy pražskému kongresu, aby z tohoto pohledu vybočil ze zavedené praxe a deklarovaná podpora aplikační stránky automatického řízení se skutečně projevila odezvou v praxi.

Přitom, jak ukazuje historie, může být teorie praxi docela prospěšná. Třeba tím, že objeví stavy, o kterých nemá praxe ani tušení. Těmi jsou např. oscilace a různé další nestability.

Například v první polovině 19. stol. doznal na základě teorie zlepšení Wattův regulátor, neboť regulace rychlosti s tímto regulátorem mohla podlehnout oscilacím. J. Poncelet ve Francii a G. Airy v Anglii dokázali popsat pohyb Wattova regulátoru diferenciálními rovnicemi a pokoušeli se z nich odvodit podmínky pro to, aby regulace při jeho použití byla stabilní. V roce 1868 publikoval J. Maxwell článek, kde popsal, jak odvodit lineární diferenciální rovnice pro regulaci rychlosti při použití různých typů Wattova regulátoru, a ukázal, jak lze stabilitu určit z hodnot koeficientů těchto rovnic. Následovaly nutné a postačující podmínky stability lineárních systémů v pracích A. Hurwitze (Švýcarsko) a E. Routha (Anglie). Na konci 19. stol. ruský vědec A. Ljapunov publikoval dvě metody k vyšetření stability dynamických systémů popsaných nelineárními diferenciálními rovnicemi.

Na počátku 20. století již fungovala regulace teploty, tlaku, hladiny a rychlosti otáčení. S vývojem elektrotechniky přibyla regulace polohy prostřednictvím servomechanismů, regulace kmitočtu, napětí apod. Tyto aplikace vyžadovaly mnoho přístrojů pro měření, akčních členů a brzy také regulátorů. První PID regulátor byl instalován Američanem E. Sperrym v roce 1911. Úměrně s růstem počtu aplikací ovšem začaly růst problémy se stabilitou. A tady se projevila chybějící teorie regulace, resp. nedostatek takové teorie. V té době byl k dispozici pouze Routhův-Hurwitzův test, který byl založen na koeficientech diferenciálních rovnic. Ten však neposkytoval žádné meze stability a žádný návod k dosažení stabilní regulace.

To byla konkrétní výzva praxe pro teorii.

Ve dvacátých a třicátých letech 20. století H. Nyquist pracoval na zesilovačích s malým šumem pro telefonní přenos. Jeho práce vedla k vývoji záporné zpětné vazby a k porozumění fungování zpětnovazebních systémů založenému na frekvenčním přístupu. Ten umožnil vznik jednoduchých grafických prostředků pro analýzu a návrh zpětnovazebních systémů. Ve stejné době C. Mason vyvinul pneumatický zpětnovazební zesilovač, který se stal nástrojem široce používaným v průmyslu. Vznikly také první analogové počítače (někdy se jim říkalo diferenciální analyzátory), hlavně zásluhou V. Bushe z MIT (Massachusetts Institute of Technology), na kterých bylo možné simulovat dynamické systémy a řešit diferenciální rovnice.

Takové výsledky použitelné v praxi silně podněcovaly vznik teoretických studií a zrod odborníků v oboru automatického řízení. V roce 1936 ASME (American Society of Mechanical Engineers) založila novou sekci pro automatické řízení. Vrcholem bylo, když v roce 1942 J. Ziegler a N. Nichols publikovali v ASME Transactions článek formulující první systematický přístup k nastavování PI a PID regulátorů. Následovala první kniha věnovaná teorii a praxi regulačních systémů, kterou napsal E. Smith. Poté několik dalších o lineárních systémech, zpětnovazebních zesilovačích, regulaci procesů, servomechanismech. Rozvoj značně urychlila druhá světová válka. Obrana proti rychlým letadlům a raketám V1 dala dohromady elektrotechnické a strojní inženýry při vývoji radaru pro automatické sledování letících objektů, propojeného s protiletadlovými děly.

Obr. 3.

Obr. 3. Analogový regulátor Notron (zdroj: M. Neuman, ZPA Nová Paka)

Během doby se v teorii i praxi ustálilo používání takových technik, jakými jsou blokové diagramy, přenosové funkce a použití Laplaceovy transformace k řešení diferenciálních rovnic. Začaly vznikat první práce řešící problémy se šumem a nelinearitami. A všechen tenhleten vývoj se nyní označuje souhrnným termínem klasické systémy regulace. Zatím šla stále teorie ruku v ruce s praxí. A nutno poznamenat, že „klasické“ analogové PI nebo PID regulátory navržené v této době časem opravdu získaly na dokonalosti, a ještě dodnes existují průmyslová řešení, kde fungují. Příkladem takového analogového PID regulátoru může být např. regulátor Notron, používaný až do osmdesátých let 20. století (obr. 3).

Problém č. 3: méně by možná bylo více

Klasická regulace se v praxi považuje za dobrou, vykazuje-li nízké hodnoty kritéria, např. integrální absolutní chyby (Integral Absolute Error – IAE), je robustní a chrání akční členy. Přitom zřejmě k dobré regulaci neexistuje jeden typ regulátoru pro všechny procesy. Teorie automatic control nabízí mnoho různých přístupů a postupů, jak navrhnout regulátor. Taková rozmanitost je prospěšná do té míry, dokud lze bez nějakých větších potíží přejít od jednoho přístupu k jinému, jestliže nějaký regulátor nepracuje dobře. Současná hloubka teoretických konstrukcí však působí spíše opačně. Je velmi obtížné přejít z jedné teoretické konstrukce na jinou a často ani autoři nedokážou posoudit, zda to bude ku prospěchu. Teoretické skupiny rozvíjející danou konstrukci jsou navíc stále méně početné, neboť se vzrůstající hloubkou teorie roste i počet směrů. Kolik článků na kongresu asi bude obsahovat na první pohled zřejmá znamení o hodnotě kritéria, robustnosti, ochraně akčních členů, stupně složitosti v porovnání s PI regulací, potřebné informaci atd.

V nedávné historii toho přitom ještě nebylo třeba. Spolu s prvním kongresem IFAC v Moskvě se v oboru automatického řízení objevilo několik nových důležitých směrů. Práce R. Bellmana, L. Pontrjagina a M. Athanse o optimálním řízení a práce R. Kalmana a R. Bucyho o optimálním řízení a filtraci, ústící do tzv. Kalmanova-Bucyho filtru, stejně tak jako předcházející práce N. Wienera rozvinuly zájem o stavovou reprezentaci systémů. Ta např. dovolila řešit vícerozměrové problémy v rámci jednotné teorie. Ve stejné době pokrok v číslicových počítačích umožnil takovou teorii i použít v praxi.

Optimální řízení vyžadovalo přesné modely regulovaných systémů. Tato potřeba vedla k rozvoji identifikace a různých estimátorů s pozoruhodnými pracemi K. émy jsou velmi citlivé na změny parametrů modelů a také na šum. Proto se začal hledat určitý kompromis mezi výkonem a robustností. Začaly se rozvíjet adaptivní techniky. Rozvoj mikroelektroniky ale umožňoval provádět stále více a více výpočtů. To vedlo k rozvoji teorie tzv. inteligentních přístrojů a regulátorů používajících fuzzy množiny, neuronové sítě, genetické algoritmy atd.

Výsledkem toho všeho je něco, co započalo dejme tomu na prvním kongresu IFAC v Moskvě a co je označováno jako moderní systémy řízení.

Počáteční snahu o dobrou aplikovatelnost a komunikativnost mezi jednotlivými směry prohlubující se teoretické výsledky značně omezily. Slovo moderní kopíruje moderní dobu. Lidé spolu stále méně mluví. Na kongresu se vzájemně příliš neposlouchají, neboť pro neporozumění ani nemohou. Pořadatelé to sice dohánějí různými tutoriály a zvanými přednáškami, které se snaží srozumitelně mapovat určitý směr, avšak přednášející to nemají lehké. Často totiž po srozumitelném úvodu skončí u tabulek typu „tenhle problém se řeší v té a té práci„, což je sice přínosné, ovšem daná práce může být stejně málo čitelná jako ty ostatní. Tuto tabulku navíc zájemce velmi snadno získá např. použitím Web of Science s vhodnými klíčovými slovy.

Z účastníků kongresu se tak stávají spíše turisté. Přednesou svůj referát před nepočetným publikem a věnují se společenským a poznávacím akcím. Množina přednášejících je téměř totožná s množinou účastníků. Z takového kongresu se tak stává především dobrý „business„ pro organizátory. Lidem, kteří na kongresu nepřednášejí, nemá kongres co říci a podobně to může být s lidmi, kteří tam přednášejí. Ti posledně jmenovaní nepřijdou ovšem zkrátka. Mají někde čárku za publikaci. Co na tom, že je poněkud draze a neefektivně vykoupená. Platilo se vložné na kongres, aby vyšel sborník publikací, z nichž nemalá část zůstane nečtena. A kruh se uzavře. Spokojený je jak přednášející za tu čárku a „turistiku„, tak organizátoři, kteří vydělali na vložném, a rovněž tak vydavatel, který vydal sborníky. A je na světě spousta teorie pro budoucnost. A IFAC uspořádal megaakci, která v počtu účastníků předčila ty předchozí.

Takhle úplně absolutní to samozřejmě není. Nezbytně nutná je např. teorie pro nové směry automatizace. Míra teorie pro teorii je však podle soudu autora příliš vysoká. Snad by do budoucnosti bylo dobré přijmout trochu pokory a v poněkud větší míře se vrátit k reálné použitelnosti, kde by teorie asi měla lepší místo.

Problém č. 4: „morální“ a skuteční organizátoři

Kongres IFAC 2005 hostí Praha. Skuteční organizátoři jsou známí. Existují však také „morální“ organizátoři, bez nichž by tady kongres zřejmě nebyl. Jde o početnou skupinu lidí a výsledků tvořících něco, co by bylo možné nazvat „česká automatizace„. Kongresy totiž nebývají na zelené louce. O morálních organizátorech se články a rozhovory, které zatím o kongresu vyšly, málo zmiňují. Zkusme to trochu napravit, neboť to budou také oni, kdo na kongresu, sice pomyslně, budou přítomni – resp. jejich myšlenky. Zmiňme alespoň několik z nich, ostatní nechť prominou.

Obr. 4.

Obr. 4. Titulní stránka publikace Trends and Progress in System Identification, editované P. Eykhoffem (vlevo), a seznam kapitol; všichni čeští autoři – V. Peterka, V. Strejc a A. Vaněček – byli z ÚTIA (zdroj: autor)

Hlavním morálním organizátorem je zejména Ústav teorie informace a automatizace (ÚTIA), neboť zde vznikl patrně největší díl toho, co je na české automatizaci z pohledu teorie nejlepší. ÚTIA sice figuruje mezi organizátory, ovšem zdaleka ne s takovou váhou, na kterou by měla morální nárok. Především to byl V. Strejc z ÚTIA, který byl také u zrodu IFAC. Právem, neboť to byla patrně jeho původní myšlenka, kterou publikoval v padesátých letech minulého století, a sice nahradit dynamiku procesu dynamikou prvního řádu s dopravním zpožděním. Jde o celkem geniální strategii, neboť nahradím něco složitého něčím, co na první pohled sice vypadá velmi jednoduše, ale ve skutečnosti je díky dopravnímu zpoždění ještě složitější než to původní. Dále je to současný předseda IFAC V. Kučera, který v ÚTIA pracoval dlouhé roky a je možné říci, že mu ústav spolu s tamním prostředím velmi pomohl k úspěšné kariéře. Jeho algebraická teorie řízení přenesla poměrně složité vyjadřovací prostředky teorie v časové oblasti do daleko srozumitelnější lineární algebry. Najednou bylo možné problémy formulovat docela jednoduše. Nicméně se také ukázalo, že uvedený přenos není zadarmo, a že potřebuje poměrně přesné modely, aby byly výsledky přenositelné zpět do časové oblasti. Ideálem pro automatické řízení potom byl dlouholetý pracovník ÚTIA V. Peterka. Ideálem proto, že velmi dobře kombinoval matematické myšlení s inženýrským. Příkladem může být např. legendární „žlutá kniha„, kde byla teorie pod jeho vedením dotažena až k algoritmům pro tehdy celkem jednoduché (z dnešního pohledu) mikroprocesory. Byl to také patrně jeho originální nápad, dívat se na identifikaci jako na sled podmíněných pravděpodobností. Stále je radostí číst jeho články, které, ač na první pohled matematické, působí inženýrům radost. V neposlední řadě to byl i J. Maršík, také dlouholetý pracovník ÚTIA, který přišel s tak originálními a jednoduše použitelnými myšlenkami na adaptivitu regulace, že snad dodnes zůstávají nedoceněny. A bylo by možné dále pokračovat, neboť ÚTIA měla významné autory pro mnoho dalších směrů automatizace. Doklad o významném postavení ÚTIA v oboru např. v osmdesátých letech minulého století ukazuje obr. 4. Jde o titulní strany uznávané knihy Trends and Progress in System Identification, editované P. Eykhoffem (Pergamon Press, 1981, ISBN 0-08025683-X). Tři z deseti kapitol napsali tehdejší pracovníci ÚTIA V. Peterka, V. Strejc a A. Vaněček.

Na tomto místě bude asi rozumné skončit. Smyslem bylo říci, že česká automatizace má také slušné výsledky, na které lze navázat. I díky nim je dobré, že se kongres v Praze koná. Vůbec by bylo přínosné svázat tu zhruba desítku významných prací české automatizace v angličtině z dob, kdy byla teorie srozumitelnější (1950–1990), opatřit nadpisem např. Česká škola automatizace a dát to k dispozici účastníkům kongresu.

Na závěr: stane se teorie znovuobjevná?

Závěrem snad jen krátký postřeh naznačující, že na uvedených problémech asi něco bude. V roce 1989 poprvé vyšla v praxi ceněná kniha D. Seborga a spoluautorů s názvem Process Dynamics and Control. Podruhé byla vydána v roce 2004. Čtenář by očekával, že se v novém vydání odrazí výsledky devadesátých let minulého století a vůbec moderní teorie řízení. To se stalo, avšak velmi zanedbatelným způsobem. Jako by v tom obrovském množství teorie v uplynulých letech pro praxi ani nic objevného nebylo. Nebo snad bylo? Je upřímným přáním autora, aby letošní kongres IFAC v Praze dal na tuto otázku přesvědčivou odpověď. Aby teorie automatického řízení existovala a vyvíjela se dál. Abychom v ní byli schopni také vidět objevy a hlavně byli schopni o nich diskutovat. A to autorovi na současné teorii chybí nejvíce.

Literatura:
[1] –: Automatizace ve slepé uličce. Automa, 2002, roč. 8, č. 1, s. 45–46.
[2] ŠULC, B.: Překoná 16. světový kongres ten letošní v Barceloně? Automatizace, 2002, roč. 45, č. 10, s. 659.
[4] ŠEBEK, M.: Světový kongres Mezinárodní federace pro automatické řízení: IFAC Barcelona 2002. Automa, 2002, roč. 8, č. 12, s. 53.
[5] KUČERA, V.: IFAC se připravuje na světový kongres 2005 v Praze. Automatizace, 2003, roč. 46, č. 8, s. 490–494.
[6] KUČERA, V.: International Federation of Automatic Control. Automa, 2003, roč. 9, č. 10, s. 56–60.
[7] –: Přípravy na 16. světový kongres IFAC jsou v plném proudu. Automatizace, 2004, roč. 47, č. 11, s. 668–669.
[8] BARTOŠÍK, P.: Aktuální oblasti výzkumu a vývoje v automatizační technice. Automa, 2004, roč. 10, č. 12, s. 54–55.

Petr Klán,
Ústav informatiky Akademie věd ČR
(pklan@cs.cas.cz)