Aktuální vydání

celé číslo

08

2021

Digitální transformace a konvergence provozních, informačních a inženýrských systémů

Výzkum, vývoj a vzdělávání v automatizaci

celé číslo

Laboratoř počítačů odboru automatizace ÚAI

číslo 3/2003

Laboratoř počítačů odboru automatizace ÚAI

Nezbytnou součástí každého pracoviště na vysoké škole je v současné době počítačová laboratoř. Nejinak je tomu na odboru automatizace, jednom ze tří odborů tvořících Ústav automatizace a informatiky (ÚAI) Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně. V počítačové laboratoři odboru (obr. 1) je k dispozici osm osobních počítačů a server, na kterém jsou umístěny také webové stránky odboru automatizace.

Hardware a software

Všechny počítače jsou zapojeny v síti a studenti mají možnost pracovat s internetem. Server s paměťovou kapacitou 20 GB uchovává všechna potřebná data a současně slouží jako stanice pro komunikaci s centrálním serverem fakulty. Jde o počítač s procesorem Intel Pentium III 133 MHz. Ostatní počítače v laboratoři jsou postaveny na procesorech MMX Intel Pentium 166 MHz (pět počítačů), Intel Pentium 150 MHz, AMD Duron 600 MHz a Intel Pentium II 300 MHz (po jednom) s pevnými disky s kapacitou od 1,2 až do 30,7 GB. Počítač s největší kapacitou paměti je určen pro ukládání dat studentů.

Obr. 1.

Z programů je možné využít úplný Microsoft Office (Word, Excel, Access, PowerPoint), takže např. pomocí programu PowerPoint si studenti mohou připravovat své prezentace bakalářských a diplomových prací. Pro ty, kteří programují, jsou k dispozici Microsoft Visual C++ 6.0 a Borland Delphi 6.

Současná teorie automatického řízení umožňuje řešit složité úlohy související s mo- delováním, řízením a simulací dynamických závislostí. Mezi nejpoužívanější z nástrojů k řešení úloh z oblasti matematiky, modelování a identifikace, filtrace a zpracování signálů, statistických metod a optimalizace, využívajících také metody modelování a řízení založené na využití fuzzy množin a neuronových sítí, patří programový systém Matlab. Proto bylo v první polovině 90. let minulého století zakoupeno a dále průběžně inovováno programové prostředí Matlab a jeho nadstavba Simulink. V současné době jsou studentům k dispozici Matlab v. 5.3. a Simulink v. 3.1.

S použitím programu Simulink a jeho grafického editoru vytvářejí posluchači modely lineárních, nelineárních, v čase diskrétních nebo spojitých systémů pouhým přesouváním funkčních bloků myší. Simulink je také používán k vytváření modelů dynamických systémů, které jsou následně využívány k numerickému řešení nelineárních diferenciálních rovnic algoritmy systému Matlab. Umožňuje studentům rychle a snadno vytvářet modely dynamických soustav v podobě blokových schémat a rovnic.

Využití laboratoře

Laboratoř je využívána zejména pro výuku. Všichni posluchači 3. ročníku magisterského studia, tj. asi 450 až 500 studentů v každém školním roce, procházejí při studiu předmětu automatizace a technická měření všemi laboratořemi ústavu, a tedy i počítačovou. V ní se, s použitím programu sestaveného již dříve jako řešení diplomové práce, studenti seznamují s dynamickým chováním spojitých lineárních systémů a vykreslují přechodové a frekvenční charakteristiky regulačních členů.

Obr. 2.

Dále je pro 4. a 5. ročník magisterského studia oboru inženýrská informatika a automatizace v počítačové laboratoři zajišťována např. výuka předmětu teorie automatického řízení (ve 4. ročníku). V tomto předmětu se studenti poprvé seznamují s programem Simulink, s jeho grafickým editorem blokových schémat a s rozsáhlou knihovnou funkčních bloků. Jsou využívány především spojité signály (derivace, integrace, stavový prostor atd.), zdroje signálů (generátor signálů, sekvence signálů, skoky, pulsy atd.), práce se signály (slučování, konverze, průsečíky aj.) a výstupy (např. displej, osciloskop, do souboru). Z těchto prvků jsou následně sestavovány lineární či nelineární obvody spojité v čase. Jako příklad lze uvést úlohu spočívající ve sledování a porovnávání průběhu regulačního pochodu v jednoduchém a rozvětveném regulačním obvodu s použitím pomocné akční veličiny (obr. 2).

V 5. ročníku v předmětu simulace využívají studenti své znalosti získané dříve a následně si je rozšiřují. Učí se zacházet zejména s nástroji pro simulaci (řešení diferenciálních a diferenčních rovnic), nastavovat parametry simulace (délka simulace, délka kroku, vstupy a výstupy) a pracovat s grafickým ladicím programem (zobrazení pořadí vykonání funkcí simulovaných bloků, ladění rozsáhlých modelů). Vytvářejí již náročnější obvody lineární i nelineární, v čase diskrétní nebo spojité.

Obr. 3.

Na jiné typy obvodů je zaměřen předmět aplikovaná elektronika. Zde studenti sestavují a simulují elektrické obvody a elektromechanická zařízení (motory, generátory, transformátory atd.) při využití rozsáhlé knihovny bloků reprezentujících elektrické zdroje, pasivní součástky (cívky, transformátory apod.), výkonové elektrické prvky (diody, tyristory aj.), měřicí přístroje a mnoho jiných. Řešenou úlohou je např. ovládání synchronního motoru při použití pulsní šířkové modulace. Řeší se i problémy identifikace systémů: nástroj pro odhad matematického modelu dynamických soustav a nastavení vnitřních parametrů modelu tak, aby se výstupní data z matematického modelu co nejlépe shodovala s výstupy ze skutečného systému.

Náplní předmětu vyšší formy řízení jsou především návrh regulátorů a simulace jejich chování, a to pro spojité lineární řízení (PID regulátory) i diskrétní řízení (PSD regulátory). Nejenže se zde navrhují hodnoty parametrů regulátorů, ale také jsou sestavovány regulátory různých konstrukčních principů. S výhodou se využívá průzkumník dat a signálů, který studentům usnadní orientaci v rozsáhlých úlohách a zároveň nabízí jednotné prostředí pro práci s daty, signály a parametry. Z bloků se používají všechny dosud zmíněné a z nových především subsystémy (jestliže, spínač, zatímco, přepínače aj.).

Nutné je jmenovat také předmět automatizace energetických systémů, vyučovaný pro posluchače Energetického ústavu. V něm mají studenti v programu Simulink již připravené modely elektrárny, s nimiž dále pracují. Jako příklad je na obr. 3 ukázán regulační obvod výšky hladiny vody v kotli, u kterého posluchači nastavují regulátory s cílem dosáhnout optimální kvality regulace.

Kromě výuky v rámci magisterského studia probíhá v počítačové laboratoři také výuka bakalářů studujících obor aplikovaná informatika a řízení, který ve 2. a 3. ročníku navštěvuje vždy asi po 50 studentech. Ve 2. ročníku se studenti při laboratorních cvičeních konaných v rámci výuky předmětu automatizace a regulace seznamují s dynamickým chováním spojitých lineárních systémů a vykreslují přechodové a frekvenční charakteristiky regulačních členů (viz shora zmínka o výuce 3. ročníku magisterského studia). Ve 3. ročníku je součástí bakalářského studia předmět počítače a telekomunikace seznamující posluchače s mobilní komunikací a s přenosem dat po počítačové síti. S programem Matlab, popř. Simulink, pracují posluchači bakalářského studia pouze individuálně, je-li to nutné k řešení jejich bakalářské práce.

V době, kdy v ní neprobíhá výuka, slouží počítačová laboratoř studentům magisterského studia oboru inženýrská informatika a automatizace a bakalářského studia oboru aplikovaná informatika a řízení ke zpracovávání závěrečných projektů a diplomových, popř. bakalářských prací. Možnosti pracovat na všech počítačích s internetem využívají studenti ve volných hodinách k individuální práci.

Výhled

Další rozvoj počítačové učebny odboru automatizace ÚAI by měl směřovat především k širšímu využití programů Matlab a Simulink ve výuce, zejména v rámci bakalářského studia, a k seznámení posluchačů magisterského studia také s dalšími nástroji programového prostředí Matlab, jako jsou např. Neural Network Toolbox, System Identification Toolbox, Optimalization Toolbox aj. Cílem je naučit studenty používat Matlab a počítačovou podporu návrhu regulace, protože komplexní programový systém Matlab je, jak již bylo zmíněno, vhodný k řešení širokého spektra úloh v praxi. Proto je jeho znalost potřebná a mnohé firmy ji od absolventů také vyžadují.

Ing. Olga Davidová,
Ing. Petr Gahura,
Ústav automatizace a informatiky,
Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně

Inzerce zpět