APLIKACE KYBERNETIKY

1. APLIKACE KYBERNETIKY LOGICKÉ, ANALOGOVÉ A DISKRÉTNÍ ŘÍZENÍ

2. Logické řízení – aplikace jednoznačnévazby mezi operandem a obrazem • Toto řízení se realizuje na bázi dvouhodnotových (binárních) veličin, jejichž dvě hodnoty, konvenčně označované 0, 1, jsou rozlišením dvou protichůdných alternativ. • Jsou dvojího původu: • Představují dva jedině možné protikladné stavy nebo činnosti, z nichž jedna je popřením druhé. • Vymezují dvě množiny stavů splňující a nesplňující určitou podmínku (např. že hodnota spojitě proměnné je větší/menší než stanovená mez). Příklad: Sepnutí bočního airbagu • Spínač bočního airbagu je aktivován (obraz=1) v případě bočního nárazu o dostatečně velkém impulzu síly (dostatečně velkou rychlostí nárazu). Otázkou je, kdy má dojít k sepnutí daného airbagového spínače? Odpověď přináší jednoznačnost vazby mezi operandy a obrazem. (tj. velikost deformace po nárazu, obsazení místa, kterému je přiřazen airbag a místo deformace přestavují vstupy (operandy), stav sepnutého/rozepnutého spínače představuje obraz (výstup) z logického řízení.

3. Logické řízení – aplikace jednoznačné vazby mezi operandem a obrazem • Naplněný airbagy jednak chrání cestující proti vniknutí předmětům do vnitřního prostoru a jednak je posune mimo nebezpečnou zónu nárazu. Tím je tělo cestujícího méně namáháno energií nárazu. Bočními airbagy je výrazně snižováno riziko poranění pánve a oblasti hrudníku.

4. Logické řízení – aplikace jednoznačné vazby mezi operandem a obrazem • ITS - Inflatable Turbular Structure • Hlavové airbagy ITS ve spojení s bočními airbagy poskytují cestujícím jedinečnou ochranu při bočních nárazech. Hlavové airbagy ITS přitom zabraňují nebezpečnému nárazu hlavy o dveře nebo vniknutí předmětu do prostoru v okolí hlavy.

5. Logické řízení – typická formulace úlohy • Na automatickém plnícím zařízení se plní vyrobená Coca-Cola do Pet lahví současně až třemi plnícími hlavami napojenými na společný zásobník tekutiny. Tento menší zásobník hlav je doplňován z velké nádrže čerpadlem. Vzhledem k omezenému výkonu čerpadla je potřeba zabezpečit jeho sepínání tak, aby běželo vždy, kdy výška hladiny Coca-Coly v zásobníku nedosahuje minimální referenční hladiny anebo, když alespoň dvě ze tří plnících hlav jsou v současném provozu. Ve všech ostatních situacích je čerpadlo zastaveno.

6. Logické řízení – ilustrativní příklad • Pro slovní formulaci úlohy zde zavedeme celkem pět binárních proměnných: • Plnící hlava • Výška hladina • Motor čerpadla M Logické řízení čerpadla tedy požaduje, aby jeho zapínaní bylo odvozeno od současných hodnot P1,2,3a výšky hladiny H.

7. Sekvenční logické řízení – aplikace více-jednoznačné vazby mezi operandem a obrazem • Společným znakem logických funkcí je jejich explicitní (kombinační) charakter: jejich obraz (výstup) byl dán je určitou kombinací vstupu (právě jedním operandem). • V některých typech logického řízení nastane situace, kdy výstup (obraz) je závislý nejen na současné hodnotě operandu (vstupů), ale i také na své dosavadní hodnotě. • Běžným požadavkem je, aby obraz na své hodnotě zůstal, i když jeho operand zanikne (tj. aby existovala paměť). U vícejednoznačného (implicitního) řízení je tedy hodnota obrazu závislá nejen na operandu (kombinaci vstupů), ale i na předešlé hodnotě obrazu yp. • Příklad realizace vícejednoznačné vazby: • Termostat běžné žehličky pracuje tak, že udržuje topné těleso zapnuté až do okamžiku, kdy jeho teplota dosáhne tzv. vypínací teploty. Po jejím dosažení se topení vypne a zůstane v tomto stavu až do vychladnutí na spínací teplotu. Označme:

8. aplikace (více)jednoznačné vazby • Řádky tabulky jsou zadány v určitém časovém pořadí, • které jsou pro hodnotu výstupu závazné. • Téže kombinace vstupu potom může odpovídat různému výstupu. • Počet řádků není omezen hodnotou 2n, řádky tvoří zpravidla • opakující se cyklus.

9. aplikace více-jednoznačné vazby • Příklad dekompozice vícejednoznačné vazby • Manipulační zařízení na palety PET lahví pracuje tímto způsobem: • Po válečkové trati V1 přicházejí nepravidelně jednotlivé palety s PET lahvemi. Přítomnost palety na plošině zvedacího zařízení A indikuje tlakový spínač S0 logickou hodnotou 1. • Na signál spínače S0 reaguje zvedák A poháněný pneumotorem zdvihnutím palety na úroveň výše položené trati V2. • Na tuto vyšší trať V2 je paleta přesunuta pneumotorem B. Po provedení úkonu 3 se má nejprve pneumotor A vrátit do dolní polohy a potom se vrátí do původní polohy B. Všechny čtyři krajní polohy pneumotorů A,B jsou signalizovány krajními spínači S1, S2, S3, S4 tak, že dosažená krajní poloha je indikována logickou 1. Pneumotory A, B jsou (přes rozvaděče) ovládány signály yA, yB jejichž logická 1 znamená v obou případech stav vysunutí.

10. Schéma manipulátoru palet • Manipulace probíhá ve 4 krocích: • Zvednutí plošiny pneumotorem A • (vyvolané stavem S0 = 1 – příchod palety). • Podmíněno S1=S3 =1. • Vyzdvižení palety • (A) - yA=1 a přesunutí palety • (při S2=1, (B), yB =1). • Spuštění plošiny – vyvolané • stavem S4=1. Provede A signálem • yA=0. • Návrat přesouvání- • vyvolané stavem S1=1 (plošina dole). To provede • pneumotor B, anulováním yB =0. S3 S4 Paleta lahví B v2 v1 S2 Paleta lahví S1 S0 A

11. Blokové schéma manipulátoru palet S0 (přítomnost palety) S1= S3=1 • Logické funkce pro • jednotlivé kroky: • Ovládající signály • yA a yB, ajejich vybavovací • (set) a mazací (reset) jsou • signály sA,B, rA,B. • Krok: • Krok: • krok: • Krok: 1.zvednutí yA=1, A↑ S2=1 2.přesunutí yB=1, B→ Ovládací signály S4=1 3.spuštění yA=0, A↓ S1=1 4.zasunutí yB=0, B←

12. Analogové řízení • Logické řízení, založené na binárním hodnocení stavových parametrů objektu a binárním zasahování do jeho činnosti, je vhodné tam, kde kauzální vztahy mezi řídícím a řízeným objektem nejsou příliš náročné z hlediska dynamiky. Logické řízení je nepoužitelné u: • Procesů spojených s přenosem, resp. transformaci energie s velkým výkonem. • Řízení, které představuje dynamicky náročný problém, řízený objekt je náchylný k nežádoucímu rozkmitání apod. • Cíle řízení jsou stanoveny velmi přesně (např. frekvence 50 Hz elektrické sítě s tolerancí několika setin Hz).

13. Analogové řízení - příklad • Řízení dynamické stability vozidla DSC (dynamic safe system) • DSC — dynamická kontrola stability vozidla v kritických situacích automaticky cíleně přibrzdí jednotlivá kola a navede vozidlo do správné stopy. Řídicí jednotka vyhodnocuje mimo jiné momentální rychlost vozidla, úhel natočení volantu, příčné zrychlení vozidla a míru jeho relativního svislého natočení. Na základě těchto údajů dokáže systém DSC rozpoznat už v počátcích přetáčivost nebo neotáčivost vozidla při průjezdu zatáčkou a včas je korigovat cíleným přibrzďováním jednotlivých kol. Je třeba si však uvědomit, že tento systém nemůže popírat fyzikální zákony. Odpovídající způsob jízdy je tedy plně v odpovědnosti řidiče.

14. Diskrétní (číslicové) řízení • Regulační obvod je charakteristický tím, že vytváří trvalou vazbu mezi spojitým pohybem regulované veličiny y(t) a z ní odvozené akční (řídící) veličiny u(t). • Nepřetržitost funkce zpětné vazby ale není z hlediska chodu regulace nezbytná. Otázkou je: jak dlouho si nesledování můžu dovolit?  perioda vzorkování času. • Technická realizace: • Řízení (vyvozování akční veličiny) je prováděno počítačem. Proto je nutné zajistit mezi číslicovým řídícím počítačem a spojitě pracujícím objektem transformace signálů. Tato transformace se děje v tzv. DDC regulační smyčce (Direct Digital Control).

15. Diskrétní řízení: realizace smyčky DDC y u Řízený objekt Vzorkování Akční člen čas čas y Kvantování + tvarování Kvantování AD převod čas DA převod digitalizace u(k) Počítač (výpočet) y(k) Dekódování kódování časování řídící veličina

16. Diskrétní řízení: realizace smyčky DDC • Zpětná vazba začíná spojitým výstupem y(t) (např. teplotou nebo otáčkami motoru). Tato hodnota je snímána vzorkováním jen v okamžicích tk, (k = 1,2,3,…). • Kvantování a kódování – k vytvoření číslicového údaje je nutné analogovou veličinu digitalizovat (tzn. změřit ji a tuto hodnotu vyjádřit počtem jednotkových kvant). Tento číselný údaj je dále zakódován (vyjádřen binárním způsobem přes 1 a 0). S tímto údajem už umí pracovat počítač. • Fáze kódování a vzorkování jsou realizovány společně (neodděleně) a označují souhrnnou transformaci analogovo-digitální, resp. AD převod. • Dekódování a tvarování – binárně zakódovaný výsledek výpočtu počítače je nutné pro aplikaci akčního orgánu nejdříve dekódovat a porovnáním s jednotkovými kvanty vyjádřit v podobě analogové veličiny. Takto by vznikly jen krátké impulzy, proto je výsledný signál ještě nutné tvarovat (tj. udržet tuto hodnotu po celou dobu jedné periody časového vzorkování na hodnotě posledně určené počítačem.)

17. Příklad diskrétního řízení v automobilu • Elektronika hraje v automobilu stále důležitější roli. Snižuje průměrnou spotřebu paliva, zvyšuje výkon motoru, bezpečnost cestujících i komfort cestování, který obohacuje o multimediální zařízení a navigační systémy. Moderní polovodičové technologie přispívají ke stále rozsáhlejší náhradě původně mechanicky poháněných agregátů elektrickými. • Mikroprocesory našly uplatnění v obvodech pro řízení motoru, kde ve spojení s prvky diskrétního řízení a senzory řídí okamžik zapalování a vstřikování benzinu. • V současné době představuje číslicový systém řízení motoru nejsložitější elektronický obvod v automobilu. Pouze na základě stále výkonnější číslicové regulace chodu motoru se podařilo snížit průměrnou spotřebu většiny automobilů při současném zvýšení výkonu motoru.

18. Příklad diskrétního řízení v automobilu • Benzínový šestiválec 320Ci • Řadový zážehový šestiválec M54B22 EU4 o objemu 2171 cm3 dosahuje maximálního výkonu 125 kW (170 koní) při 6100 ot./min. Maximální točivý moment dosahuje hodnoty 210 Nm při 3500 ot./min. Motor je řízen diskrétní řídící jednotkou Siemens MS43. Vozidlu uděluje zrychlení 0-100 km/h za 8,3 sekund a maximální rychlost 226 km/h.