Počítačová podpora automatického řízení - CAAC

Transkript

1 XXVI. AR '2001 eminar, Instruments and Control, Ostrava, April 26-27, 2001 Paper 47 Počítačová podpora automatického řízení - CAAC NAVRÁTIL, Pavel 1 & BALÁTĚ, Jaroslav 2 1 Ing., Institut Informačních Technologií, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Mostní 5139, Zlín, , Česká Republika, p_navratil@ft.utb.cz, 2 Prof. Ing., Drc., balate@ft.utb.cz, Abstract: This paper deals with a presentation of the system access to the building up of computation programs covering automatic control theory, algorithms for signal processing and operating algorithm programs so called CAAC (Computer Aided Automatic Control). This system access is illustrated by the presentation of a solving of some basic elements of so called Problem pecification of CAAC frame. In this paper is shown the part of CAAC system tree structure of two concrete programs areas - analysis and synthesis. Application of CAAC system is anticipated in pedagogical processes in area automatic control theory above all. Keywords: Analysis, ynthesis, E-learning, CAD C 1 Úvod Cílem je pokračovat v návrhu modulární sestavy dílčích problémových okruhů pro budování výpočetních programů zahrnujících teorii automatického řízení, algoritmy programů pro zpracování signálů a programů řídicích algoritmů. Článek se zabývá prezentací systémového přístupu k vytváření výpočetních programů pokrývajících automatické řízení. Pomocí stromové struktury je zpracována tzv. problémová specifikace v oblasti automatizace řízení a to pro dva konkrétní programové okruhy. Tento návrh programového systému CAAC (Computer Aided Automatic Control), rozpracovaný a upravovaný podle nejnovějších poznatků na Institutu informačních technologií ve Zlíně je synonymní s termínem CAD C (Computer Aided Design in Control ystem), který byl ve světové literatuře již několikrát použit. Využití CAAC se zejména předpokládá ve výuce v oblasti teorie automatického řízení, ale je možno jej použít i pro návrh řízení konkrétních technologických procesů. Pro jeho tvorbu se předpokládá využití pracovní kapacity při zpracování diplomových prací a disertačních prací v doktorandském studijním programu. Počítačová podpora nám může pomoci v následujících oblastech: - Analýza statických a dynamických vlastností řízených technologických procesů - Identifikace řízeného objektu - Analýza vlastností jednotlivých členů řídícího řetězce - yntéza automatického řídícího systému - imulace dynamických vlastností automatických řídících systémů - Nejvhodnější algoritmy testující výběr optimálního řízení pro konkrétní případy - Testování známých metod adaptivního řízení - Návrh a testování robustního řízení - 1 -

2 - Predikce časových řad - Příprava knihovny matematických metod používaných v oblasti automatického řízení - Vytvoření databáze realizovaných řešení konkrétních případů - Příprava knihovny hotových programů Ve všech oblastech jsou specifikovány dílčí úlohy, které jsou postupně připravovány pro uživatele takovým způsobem, aby je mohl využít pro navrhování řídicích systémů. Práce na tomto projektu byla započata již před několika lety. V té době byl problém s výběrem programovacího prostředí. Programové prostředí MATLABu se z doby před 7 lety ukázal jako vhodný pro řešení jednotlivých problémových oblastí automatického řízení (modelování, simulace, atd.). 2 Koncepce systémů CAAC truktura systému CAAC se prozatím ustálila na těchto 15-ti problémových okruzích (subsystémech): 1. Metody numerické matematiky 2. Zpracování signálů 3. Analýza 4. yntéza 5. Identifikace 6. imulace 7. Optimalizace 8. Technické prostředky automatizace 9. Prognózování 10. Adaptivní řízení 11. Robustní řízení 12. Logické řízení 13. Umělá inteligence 14. Zvláštní případy 15. Knihovna hotových programů truktura navrženého systému je zřejmá z obrázku 1. Jedná se o otevřený systém s možností formulovat další bloky. CAAC 1.Metody numerické matematiky 2.Zpracování signálů 3.Analyza 4.ynteza 5.Identifikace 6.imulace 7.Optimalizace 9.Prognozování 10.Adaptivní řízení 11.Robustní řízení 12.Logické řízení 13.Umělá inteligence 14.peciální případy 15.Knihovna hotových programů 8.Technické prostředky automatizace Parametry konkrétního aplilačního návrhu Obrázek 1 - Otevřená struktura systému CAAC - 2 -

3 3 Problémová specifikace Ve všech těchto oblastech je formulována tzv. problémová specifikace. Každý problémový okruh (subsystém) je rozčleněn na moduly, které se dále člení na submoduly, až do základních submodulů řešících problém na nejnižší úrovni hierarchického uspořádání obsahujících odborný popis, příklady i doporučenou literaturu. truktura systému CAAC včetně konkrétního příkladu je zobrazena na obrázku 2 ([4]). U B Y T É M ubmodul ubmodul ubmodul například: Analýza Nelineární systém tabilita systému Podle Ljapunovy teorie Obrázek 2 - truktura modulů a submodulů systému CAAC Příklady stromové struktury dvou bloků programových okruhů (subsystémů) systému CAAC jsou uvedeny na obrázcích 3 a 4 (následující dvě stránky). V [3] byly využity při řešení diplomové práce, která pomáhá uživateli při řešení regulačního obvodu Analýza, yntéza. 4 Informační systém CAAC na WEB stránkách Pro zpřístupnění již navržených stromových struktur a vypracovaných modulů systému CAAC byl zvolen způsob, který je umožněn využitím INTERNETU pomocí služeb WEB stránek. Osnova základního submodulu zpracovaná pro WEB stránky: - Název problému: (např. Algebraická kritéria) -Zaměření: (např. Analýza lineárního spojitého systému) - Popis řešeného problému - Doporučená literatura - Ukázkový příklad - Dostupný výpočetní program: název programu, téma, autor, pracoviště, datum poslední modifikace, programové prostředí, návod na spuštění, autorské právo. - Datum zápisu WEB stránky, autor, kontaktní adresa. Daná osnova WEB stránky může být zpracována ve dvou verzích: 1. e 100% informací v případě, že obsahem základního submodulu je celé řešení 2. K názvu problému a zaměření bude přiřazen popis řešeného problému s odkazem v němž bude uvedený kontakt na autora, který daný submodul řešil - 3 -

4 ANALÝZA Lineární spojité systémy Nelineární systémy Diskrétní (Impulsní) systémy Dynamické vlastnosti členů regulačních obvodů Vnější popis Typy dynamických členů regulačních obvodů Proporcionální Bez setrvačnosti e setrvačností Integrační Bez setrvačnosti e setrvačností Derivační Bez setrvačnosti e setrvačností Dopravní zpoždění systémů Zapojení členů v systémech Algebra přenosu ignálové diagramy tabilita systémů Kritéria Vnitřní popis Algebraická kritéria Frekvenční kritéria Přímý výpočet kořenů Typy nelinearit Nasycení pásmem necitlivosti hysterezí Reléová Kombinovaná Řešení nelineárních systémů Metody linearizace Grafické metody Metoda stavové roviny a prostoru Metoda ekvivalentních přenosů Numerické metody tabilita systémů tavové trajektorie; rovnovážné stavy Frekvenční metody Metoda ekvivalentních přenosů Podle Ljapunovovy teorie Vzorkování Tvarování signálů Amplitudová modulace Šířková modulace Kmitočtová modulace tabilita systémů Algebraická kritéria Geometrická kritéria Algoritmy řízení Obrázek 3 - tromová struktura bloku Analýza - 4 -

5 YNTÉZA Jednoduché JEDNOROZMĚROVÉ REGULAČNÍ OBVODY Volba typ regulátoru pojité Proporcionální Integrační Derivační Proporcionálně Integrační Proporcionálně Derivační Proporcionálně Integračně Derivační Diskrétní Rozvětvené ( RRO) s pomocnou regulovanou veličinou s pomocnou akční veličinou s měřením poruchové veličiny s modelem regulované soustavy družené eřízení regulátoru Ze stupně stability Podle kritického zesílení Ziegler-Nicholsova metoda Modifikace Zieglera-Nicholsa Funkce standardního tvaru Whiteleyova metoda Naslimova metoda Integrální kritérium Minimální lineární regulační plocha Minimální kvadratická regulační plocha Kritérium optimálního modulu Geometrické místo kořenů Metoda inverze dynamiky Frekvenční metody Brown-Campbellova konstrukce Nicholsův diagram LAFCH v logaritmických souřadnicích Polynomiální metoda MNOHOROZMĚROVÉ REGULAČNÍ OBVODY Způsob popisu Řízení se zpětnovazebním regulátorem FB (1 DOF) Kombinace přímé a zpětné vazby FBFW (2 DOF) Autonomnost a invariantnost Kanonické tvary stavových rovnic oustava diferenciálních rovnic tavové rovnice Obrázek 4 - tromová struktura bloku yntéza - 5 -

6 5 Využití Využití systému CAAC se předpokládá zejména pro didaktické účely, ale je možno jej využít i pro návrh řízení konkrétních technologických procesů. Předpokládá se, že studenti, kteří se dílčím způsobem podíleli na budování CAAC, budou při své praktické činnosti systém CAAC využívat. Pomoc ve využití systému CAAC pro didaktické účely lze nalézt v dnešní době v použití WWW stránek Internetu, kde prvky jednotlivých programových okruhů (viz. obrázek 1 bloky 1-14) budou podrobně popsány v základních submodulech. amotné hotové programy, které budou řešit problémy v daném okruhu budou uloženy v bloku (subsystému) "Knihovna hotových programů" (viz. obrázek 1 blok 15.) Na obrázku 5 je naznačené, jak se budou zavádět informace do informačního systému CAAC. Vyřešený úkol projde oponenturou, která doporučí nebo nedoporučí zařadit vyřešený úkol do systému CAAC. V případě kladného posouzení vyřešeného úkolu bude tento zpřístupněn uživatelům pomocí služby WEB stránek. Uživatelé pak mohou podle svých zkušeností připomínkovat řešení prostřednictvím autora. PŘÍTUP K AUTORŮM ZADÁNÍ ÚKOLU PRODUKT ŘEŠITELE O P O N E N T U R A CAAC W E B T R Á N K Y UŽIVATEL UŽIVATEL PŘÍTUP K AUTORŮM Obrázek 5 Informační toky systému CAAC 6 Závěr Cílem byla ukázka systémového přístupu k počítačové podpoře v oblasti automatického řízení pro návrh regulačního obvodu v konkrétních podmínkách a také ukázka tzv. "Problémové specifikace" 2 konkrétních subsystémů otevřeného systému CAAC (Analýza, yntéza). 7 Literatura [1] BALÁTĚ, J., KLOTERMANN, T., HLAVIZNA, K., YALA, T. Počítačová podpora automatického řízení, borník nové trendy v automatizácii a v merani, TU Bratislava Kočovce, R, 1996 [2] KLOTERMANN, T. Počítačová podpora automatického řízen, Diplomová práce, FT Zlín, Zlín, 1996 [3] NAVRÁTIL, P. Počítačová podpora automatického řízen-caac, Diplomová práce, FT Zlín, Zlín, 2000 [4] NGUYEN, T.C.P. Počítačová podpora automatického řízení-caac, Diplomová práce, FI v Brně,