Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Laboratoře teorie automatického řízení katedry řídicí techniky FEL ČVUT v Praze

číslo 7/2002

Laboratoře teorie automatického řízení katedry řídicí techniky FEL ČVUT v Praze

Důležitou součástí výuky je ověření teoretických znalostí na příkladech z praxe a využití získaných zkušeností při řešení samostatných úloh. Významnou součást výuky předmětů teorie řízení proto tvoří cvičení na různě složitých fyzikálních modelech dynamických systémů. Kromě dostupnosti zařízení je třeba také zajistit jejich jednoduché univerzální připojení k aplikačnímu softwaru, které ale také musí umožnit studentům úlohy snadno modifikovat. Je zapotřebí zajistit i odpovídající dokumentaci pro seznámení s modelem. Příspěvek se snaží postihnout současný stav vybavení laboratoří teorie automatického řízení katedry řídicí techniky FEL a zaměřuje se na způsoby použití modelů při výuce. Zároveň vytyčuje trendy podpory samostatné práce studentů.

1. Úvod

V minulosti měla výuka předmětů patřících do oblasti automatického řízení na FEL ČVUT převážně teoretický charakter. Podíl na tom měl špatný stav laboratoří, nedostatek přístrojů, ale i absence vhodných fyzikálních modelů pro výuku. Změny začaly rekonstrukcí interiéru laboratoří na přelomu let 1988/89. Další podstatná modernizace se uskutečnila v roce 1998 při centrální výměně elektroinstalace, kdy byla též převedena počítačová síť na moderní 100Mb rozvody.

Současně s modernizací laboratoří začalo i budování vhodných fyzikálních modelů. V souvislosti s přestavbou koncepce studia po roce 1989 se zvýšil důraz na praktickou stránku výuky, která je v dalších ročnících využívána jako základ pro specializovanou teoretickou výuku. Novou koncepci prosazoval především doc. Ing. Petr Horáček, CSc. (viz např. [1]), kterému se podařilo získat finanční prostředky v rámci projektu EU Tempus. Prostředky byly použity na nákup modelů a výpočetní techniky. Na první projekt navázaly další, které spolu s prostředky ze státního rozpočtu zajišťují pravidelnou obnovu a zdokonalování potřebné techniky. Do tohoto období spadá i rozhodnutí orientovat se při výuce na programový systém Matlab (The MathWorks, Inc., USA).

2. Určení a vybavení laboratoří

Laboratoře teorie automatického řízení jsou určeny k práci studentů na laboratorních cvičeních, semestrálních projektech, semestrálních a diplomových pracích. Díky kartovému přístupovému systému mohou studenti pracovat v laboratořích ve vyhrazených hodinách i mimo pravidelnou výuku. Největší objem výuky připadá na předměty bakalářské etapy třetího ročníku studia, které seznamují se základy modelování a řízení jednoduchých dynamických systémů a které navštěvuje přibližně 180 studentů. Pro účely výuky v těchto předmětech se používají jednoduché modely většinou s jedním vstupem a výstupem. Dvojice studentů popisují a řídí alespoň jeden dynamický systém statického a jeden astatického nebo nestabilního charakteru. Nejrozsáhlejším předmětem z inženýrské etapy studia je Moderní teorie řízení v pátém ročníku studia, ve které studenti většinou pracují se složitějšími systémy (alespoň dva vstupy a dva výstupy nebo výrazná nelinearita) a u nichž navazují na zkušenosti se systémy ze základní etapy. Jelikož jde o předmět povinně volitelný, absolvuje jej přibližně šedesát studentů. Počty studentů v ostatních specializovaných předmětech, jako jsou např. Nelineární systémy nebo Optimální řízení a rozhodování, již nejsou tak velké. Mimo výuku slouží laboratoře k ověřování výsledků výzkumu na modelech fyzikálních systémů.

Počítače v laboratoři jsou vybaveny operačním systémem Windows NT a běžné aplikace jsou volány z centrálního serveru pomocí systému NAL (Novell Application Launcher). Lokálně je instalována poslední verze systému Matlab 6.1 se Simulinkem a základním balíkem programu Femlab verze 2.2. Pro připojení fyzikálních modelů se používají převážně karty ISA, popř. PCI (Advantech), pro řízení složitějších systémů s inkrementálními čidly karty MF604 (Humusoft). Některé modely mají své specializované karty (např. pro snímání obrazu). Starší typy modelů využívají jako rozhraní pro obsluhu a připojení k počítači analogový počítač MEDA 50 z produkce bývalé české firmy Aritma.

Laboratoře teorie automatického řízení katedry řídicí techniky tvoří dvě laboratoře.

Obr. 1.

Základní laboratoř K23 (laboratoř Allen-Bradley na ČVUT)
Jsou zde umístěny převážně fyzikální modely pro základní výuku, které je možné též řídit pomocí distribuovaného řídicího systému (DCS) firmy Rockwell Automation. Řídicí systém a jeho využití je popsáno v příspěvku [2]; oproti uvedenému stavu byl systém v roce 2000 doplněn o řadu nejnovějších modulárních automatů ControlLogix a nové účelové programové vybavení. Toto spojení dává možnost vyzkoušet řízení modelu přímo pomocí průmyslového automatu.

V laboratoři jsou tyto základní modely: kulička na tyči UTIA, spojené nádoby (vodárny), rychlý servopohon Amira, polohový servopohon a nově zaváděný rychlý tepelný systém. Kromě toho se zde nacházejí speciální přípravky pro průmyslový řídicí systém a vícerozměrový model soustavy s dopravním zpožděním – vodní elektrárna.

Specializovaná laboratoř K26
V laboratoři K26 se kromě základních modelů nacházejí modely od firem TQ, Humusoft a Amira. Dále jsou zde i experimentální modely inverzního kyvadla, poloupoutané helikoptéry nebo nově vyvíjené modely rotačního kyvadla, portálového jeřábu a neupoutané helikoptéry. Pro základní výuku se využívají obdobné modely jako v předchozí laboratoři. Pro pokročilejší výuku jsou mimo již uvedené experimentální modely k dispozici modely vázaných pohonů, kulička na ploše, kulička v obruči TQ, magnetická levitace Amira, tepelný sytém TQ (pomalý) nebo parní stroj TQ.

Tab. 1. Webový rozcestník

Diskusní skupina teorie automatického řízení http://controlnews.felk.cvut.cz
Přednášky a příklady k předmětu SRI (doc. John) http://dce.felk.cvut.cz/sri2
Matlab Web Server katedry řídicí techniky FEL ČVUT http://mws.felk.cvut.cz
Katedra řídicí techniky FEL ČVUT http://dce.felk.cvut.cz
Stránky předmětu Systémy a řízení http://dce.felk.cvut.cz/sri
Stránky předmětu Systémy a modely http://dce.felk.cvut.cz/sam
Stránky laboratoře Allen-Bradley na ČVUT http://dce.felk.cvut.cz/ab
Společnost The MathWorks, Inc., USA http://www.mathworks.com
Společnost Humusoft, spol. s r. o., Praha http://www.humusoft.cz
Advantech, Inc., Tchai-wan http://www.advantech.com
Rockwell Automation http://www.rockwellautomation.com
http://www.ab.com
Amira, SRN http://www.amira.de

3. Stručný popis modelů a řízení

Při popisu modelů budu velmi stručný a soustředím se především na jejich použití v základní výuce. Zájemce o detailnější popis odkazuji na webové stránky předmětů Systémy a modely nebo Systémy a řízení (viz webový rozcestník). Obě stránky předmětů jsou přístupny i z webu katedry řídicí techniky.

Obr. 2.

Modely jsou většinou druhého až čtvrtého řádu.

Spojené nádoby
Do pravého válce je zubovým čerpadlem dopravována voda, která na principu spojených nádob přetéká do dalších válců. Měřit lze výšky hladiny ve všech válcích. Další čerpadlo je možné použít pro generování poruchy ve výstupním válci. Ventily mezi válci lze většinou pouze nastavit na otevřeno a zavřeno. Systém je statický a nelineární s výraznými omezeními. Je spolehlivý, jeho nevýhodou je doba ustálení až dvacet minut.

Kulička na tyči
Úkolem je nastavit kuličku do žádané polohy na tyči, což je komplikováno astatickým chováním systému. Vstupním napětím je řízen pomocí servomechanismu náklon tyče. Měření polohy tyče i kuličky je kontaktní (odporové) se všemi z toho plynoucími problémy. Přesné řízení kuličky znemožňuje suché tření kuličky na tyči a vůle v převodech servomechanismu. Jinak jde o rychlý a vděčný systém simulující např. stabilizaci rakety.

Obr. 3.

Kulička na ploše
Kulička na ploše je zdvojenou variantou předchozího modelu. Poloha kuličky se snímá kamerou. Plošina je naklápěná pomocí krokových motorů. Systém má dva vstupy a dva výstupy.

Servomechanismus Amira
Má dva vstupy na stejnosměrné motory, přičemž jeden z nich je ve funkci zátěže – generátoru. Měří se proudy protékající motorem a výstupní rychlost (tachogenerátorem nebo inkrementálním čidlem IRC). Systém je velmi rychlý, s dobou ustálení do desítek milisekund. Výrobcem je německá firma Amira.

Servomechanismus
Model má dva kotouče. Levý kotouč je přes převodovku poháněn malým stejnosměrným motorem. Pravý může sloužit pro zadávání žádané polohy. Poloha je snímána i zadávána potenciometrem s přerušenou drahou. Výstupní rychlost lze měřit tachodynamem. Signál ze snímače polohy je nutné filtrovat.

Doba ustálení je do jedné sekundy. Lze současně řídit reálný a simulovaný systém a porovnávat jejich chování. Používá se jako polohový servomechanismus.

Obr. 4.

Upoutaná helikoptéra
Výrobcem je firma Humusoft. Systém má dva vstupy: napětí na motorech hlavního a pomocného rotoru. Hlavní rotor ovlivňuje především elevaci těla helikoptéry a pomocný úhel natočení – azimut. Obě vrtule ale ovlivňují i druhé veličiny. Před návrhem regulátoru je třeba tento vliv odstranit zavedením opačné křížové vazby – především pro vliv hlavního rotoru na azimut. Jelikož v plné verzi jde o složitý nelineární systém, je v základním kursu aretací znemožněna změna elevace a hlavní rotor se při pokusech otáčí konstantní rychlostí. Doba ustálení systému je řádově v sekundách.

Magnetická elevace
Magnetická elevace je přípravek firmy Amira. Je poměrně rychlý a s dostupným hardwarem je možné jej identifikovat pouze v uzavřené smyčce. V základním kursu jej proto nepoužíváme.

Složitější systémy, které jsou využívány pouze pro experimenty diplomantů a pro účely semestrálních prací, zde podrobně popisovat nebudu.

4. Připravené softwarové modely pro základní výuku

Pro první verze RT toolboxu pro Matlab pod operačním systémem DOS bylo nutné napsat skripty pro obsluhu vložené karty převodníků. Nevýhodou byl i dávkový způsob práce. Situace se příliš nezlepšila s příchodem Windows 3.11, kde jsme i nadále pro některé úlohy využívali připravené skripty pro měření přechodových charakteristik a klasické řízení. Přes snahu o jejich názornost a dobré zdokumentování činilo studentům potíže využít je při samostatné práci. Výrazné zlepšení bylo umožněno až po vybavení laboratoří kvalitní výpočetní technikou a vznikem RT toolboxu 3.0 před přibližně dvěma roky spolu s příchodem Matlabu 5.3 pod Windows 9x a NT. Nyní lze pro komunikaci s kartou v PC využít přímo RT knihovnu v Simulinku, což je pro studenty daleko přehlednější a dovoluje jim to i snadněji modifikovat úlohy.

5. Experimenty po internetu

Dalším krokem v zpřístupňování programového vybavení katedry je využití možností Matlab Web Serveru k řešení připravených úloh bez nutnosti mít vlastní kopii Matlabu. Na adrese http://mws.felk.cvut.cz běží ve zkušebním provozu server katedry řídicí techniky. Počet úloh se bude dále rozšiřovat, a dokonce se pro některé bezpečné úlohy počítá s využitím webové kamery při přímém spouštění úloh na reálných modelech.

Důležitou součástí každé činnosti je zpětná vazba. Proto dalším krokem bylo spuštění diskusní skupiny k problémům výuky teorie automatického řízení pod názvem ControlNews. Kromě podpory výuky je cílem pomoci při vytváření webové učebnice základů teorie automatického řízení. Projekt vede doc. Ing. Jan John, CSc.

Literatura:

[1] HORÁČEK, P. – FUKA, J.: Systémy a modely. Skripta. Praha, ČVUT FEL 1996.

[2] FUKA, J.: Experimenty s průmyslovými řídicími systémy, Perspektívy výučby v odbore automatizácia. Sborník STU Bratislava, 1999.

Ing. Jindřich Fuka,
katedra řídicí techniky FEL ČVUT
(fuka@control.felk.cvut.cz)

Inzerce zpět