KURZUS: Rendszer és irányítás

MODUL: III. modul: Az irányítás

5. lecke: Az irányítás

| Cél: A lecke célja, hogy a hallgató megismerje és megértse a rendszerek irányításának folyamatát, az irányítás alapvető fogalmait és folyamatait. Az alapfogalmak a tananyag további részének elsajátítása során segítik azok részletesebb kifejtését, megértését.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
ismeri az irányítási formákat, ismeri és érti az irányítási műveletek szerepét, azonosságait, különbségeit, képes a fentieket példákkal bemutatni. saját szavaival meg tudja fogalmazni az irányítás célját.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 90 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
irányítás, vezérlés, visszacsatolás, szabályozás, kézi- és automatikus irányítás, automatizálás.
1. Bevezetés
A kibernetika gyakorlati feladata, hogy a rendszerek működését megfelelő irányba befolyásolja. Ennek eszköze, módszere az irányítás. Hogy lehet a rendszert irányítani? Az irányítás mindig valamilyen előre meghatározott cél elérése érdekében történik.
Az irányítóberendezés az irányított folyamatról szerzett információk alapján valamilyen döntési mechanizmusnak megfelelően megváltoztatja a folyamat bizonyos, közvetlenül befolyásolható jellemzőit, miáltal a befolyásolni kívánt irányított jellemző az irányítási célhoz közelít.
A való életben előforduló folyamatokat különféle zavaró hatások is érik.
Az irányítás azonban csak egyik összetevője egy komplex folyamatnak. Szorosan társul hozzá a szervezés, amely olyan céltudatos szellemi tevékenység, amely egy rendszer állapotába annak érdekében avatkozik be, hogy egy abban értelmezett struktúrát
kialakítson, kívánt módon fenntartson, kívánt módon megváltoztasson, megszüntessen.
A szervezés és az irányítás együttesen alkotja a vezetést.
2. Mi az irányítás
Az irányítás olyan, céltudatos szellemi tevékenység, amely egy rendszer - nem feltétlenül műszaki! - működésébe avatkozik be, hogy egy abban értelmezett folyamatot
megindítson, kívánt módon fenntartson, kívánt módon megváltoztasson, megállítson.
Az irányítás lehet:
kézi vagy automatikus.
A kibernetika két irányítási művelettípust definiál:
1. | Vezérlés.
2. | Szabályozás.
Egyes nézetek szerint létezik egy harmadik - visszacsatolás - típus is, de ez valójában nem tekinthető önálló irányítási műveletnek. Viszont ez az alapja a legfejlettebb irányítási műveletnek - szabályozás -, ezért röviden kitérünk rá.
Ki kell viszont emelnünk, hogy egy konkrét rendszer esetén nem csak az egyik vagy a másik irányításfajta létezik. Egyszerű rendszerek esetében is gyakran kombináljuk a két művelettípust, ilyenkor vegyes irányításról beszélünk. (1. ábra)
Az irányítás tehát egy rendszer működésének befolyásolása egy meghatározott cél elérése érdekében.
Az irányítás lehet:
kézi vagy automatikus.
Irányítási stratégiák
1. ábra
Az irányítás általános folyamata:
Információk gyűjtése az irányított folyamatról - érzékelés. Az információk feldolgozása - ítéletalkotás. Az ítéletalkotás eredményétől függő döntés - rendelkezés (utasítás adás) A folyamat jellemzőinek megváltoztatása a kívánt cél elérése érdekében - beavatkozás.
És itt jelenik meg a visszacsatolás, amelynek viszont - mint fentebb említettük - önmagában nincs szerepe.
2.1. A vezérlés - open loop control
A vezérlés a legegyszerűbb irányítási forma. Lényege, hogy a vezérlő kiad egy utasítást, amit a vezérelt végrehajt. (2. ábra)
Vezérlés
2. ábra
Vezérlés esetén az információátvitel egyirányú. Nincs lehetőség visszajelzésre, a vezérlő nem kap információt arról, hogy az utasítás elérte-e a célt, így nincs mód a korrekcióra. A vezérlés tehát egy nyílt hatásláncú művelet.
A vezérlésnek két összetevője van:
vezérlő és vezérelt.
A folyamatban két információ van jelen:
az alapjel, amely meghatározza a kívánt célt, az utasítás, amely a vezérlő döntése.
Az utasítás célja a vezérelt állapotának, helyzetének megváltoztatása.
Példa a vezérlésre - Shower-bath as a control task [8]
3. ábra
2.2. A visszacsatolás - feedback
Vannak rendszerek, melyek nem képesek saját tevékenységüket iránytani.
Ha egy teremben a világítást felkapcsoljuk, akkor az addig a pillanatig világít, ameddig le nem kapcsoljuk, függetlenül attól, hogy a szobában milyenek a fényviszonyok, sötét vagy világos van. Az ilyen rendszerek nyílt hurkú vagy visszacsatolás nélküli rendszerek.
Egy bonyolultabb fűtési rendszert már felszerelnek termosztáttal, amely folyamatosan méri a hőmérsékletet, és ennek megfelelően szabályozza az egész rendszer működését. Ezek a rendszerek a zárt hurkú vagy visszacsatolással rendelkező rendszerek.
Az irányításnak nem csak a műszaki rendszerekben van szerepe. Az alkalmazott kibernetika a tudományok, a társadalom és gazdasági élet minden rendszerében jelen van. Szakmánk szempontjából ez utóbbi bír kiemelt jelentőséggel, hiszen az informatikus által létrehozott és működtetett informatikai rendszerek jelentős része az ún. gazdasági szervezet kategóriába tartozó rendszerek - ld. 1. modul! - tevékenységéhez, irányításához kapcsolódik.
Egy rendszert oly módon kell működtetni, arra kell felkészíteni, hogy a különböző rendszerállapotokra megfelelő válaszlépéseket adjon a rendszer céljának megfelelően. Ennek feltétele, hogy a beavatkozás eredményeként megváltozott rendszerállapotról az irányító kellő időben (az irányított rendszer feladatától függően a visszajelzés igény lehet azonnali, de akár több órás vagy még hosszabb is) információt kapjon.
A visszacsatolás során mérjük a rendszer kimenetét - a rendszerállapotot - ha szükséges, olyan módon változtatjuk meg a bemenetet, hogy a rendszer a céloknak megfelelően működjön, azaz a kívánt kimeneti értékeket szolgáltassa.
A visszacsatolás vázlata
4. ábra
A visszacsatolás lehet negatív vagy pozitív. Valójában nem is a visszacsatolásra kellene ezt az attribútumot meghatározni, mivel a visszacsatolás már csak a tényt állapítja meg. Nevezetesen, az utasítás eredményként a kívánt cél és a bekövetkezett eredmény különbsége nőtt (pozitív) vagy csökkent (negatív). A rendszerek irányítása szempontjából általában negatív érték a kívánatos.
Hangsúlyozni kell, hogy a visszacsatolás önmagában egyszeri tevékenység, Valójában nem nyújt többet, mint a vezérlés, ezért nem is szokás külön irányítási műveletként kezelni.
2.3. A szabályozás - closed loop control
A szabályozás a legmagasabb szintű irányítási művelet. Alapja a vezérlés, amely kiegészül a visszacsatolással, és ez ciklikusan ismétlődik.
A szabályozás tehát: folyamatos negatív visszacsatolás.
Tekintsük az 5. ábra példáját! A 7. ábra ennek a szabályozásra átalakított változatát mutatja.
Control block-scheme of the shower-bath [8]
5. ábra
Látható, hogy a művelet lényegesen bonyolultabb, sokkal több jelet, szervet és tevékenységet tartalmaz, mint a vezérlés esetén.
A szabályozás célja, hogy a folyamat jellemzőit egy kívánt szinten tartsa. (6. ábra)
A szabályozás cél-folyamata
6. ábra
A szabályozás - meglehetősen leegyszerűsített - általános vázlatát a 7. ábrán követhetjük.
A szabályozás hatásvázlata
7. ábra
2.3.1. A szabályozás jelei:
Beállító jel: az alapjelképző bemenőjele, ha az alapjel időben állandó. Vezetőjel: az alapjelképző szerv bemenőjele, ha az alapjel időben változó. Alapjel: az alapértéket képviselő, annak egyértelműen megfelelő, különbségképzésre alkalmas jel, az alapjelképző kimenőjele. Ellenőrző jel: az érzékelő kimenőjele, mely a szabályozott jellemzővel egyértelműen összefügg és különbségképzésre alkalmas (membránerő). Rendelkező jel: az alapjel és az ellenőrző jel különbségével arányos jel. Végrehajtó jel: a rendelkező jel erősítésével és módosításával létrejövő jel. A végrehajtó szerv bemenőjele. Beavatkozó jel: a beavatkozó szerv bemenőjele (elmozdulás). Zavaró jel: A szabályozott folyamatra ható, az irányítástól független jel-halmaz, amely a szabályozott jellemzőt nem kívánt módon befolyásolja. Szabályozott jellemző és módosított jellemző:
2.3.2. A szabályozás szervei
Alapjelképző szerv: A bemenő jelből különbség képzésre alkalmas alapjel előállítása. Érzékelő: A szabályozott jellemzővel arányos ellenőrző jelet hoz létre, melyet a különbségképző értelmezni tud. Különbségképző szerv: Az alapjel és az ellenőrző jel különbsége alapján ítéletet alkot, majd kiadja a rendelkező jelet. Végrehajtó szerv: A rendelkező jel típusát alakítja át a beavatkozó szerv működéséhez szükséges típusú jellé. Ez is csak akkor szükséges, ha a rendelkező jel közvetlenül nem tudja működtetni a beavatkozó szervet. Beavatkozó szerv: A szabályozó berendezés utolsó szerve, amely a rendelkező jel hatására a szabályozott folyamatot, berendezést közvetlenül befolyásolja a módosított jellemző segítségével. Szabályozott folyamat: A szabályozástól függetlenül meglévő műszaki létesítmény. A szabályozás tárgyát, a kiválasztott jellemzőt befolyásoljuk a módosított jellemzővel.
2.3.3. Szabályozási formák felosztása
1. | Irányítás célja szerint:
| a) | Értéktartó szabályozás: az alapjel állandó és ennek az állandó jelnek megfelelő értéken kell tartani a szabályozott jellemzőt.
| b) | Követő szabályozás: az alapjel a szabályozás folyamata közben változik, mégpedig valamilyen más jellemző, az ún. vezető jel függvényében.
2. | Szabályozási körök kapcsolata szerint:
| a) | Horizontális szabályozás: a két szabályozó kör nem hat egymásra
| b) | Vertikális szabályozás: az egyik szabályozó körben lévő módosított jellemző kívánt értéken tartását, illetve megváltoztatását egy másik szabályozó kör végzi.
3. | A szabályozott jellemzőre ható jelek száma szerint:
| a) | Egyedi szabályozás: minden egyes szabályozott jellemző részére kijelölhető egy v. több módosított jellemző úgy, hogy az adott módosított jellemzők egyértelműen csak a kijelölt szabályozott jellemző értékét befolyásolják.
| b) | Kapcsolt szabályozás: a kiválasztott jellemzők egyidejűleg több szabályozott jellemzőre is hatnak.
4. | A jelek áramlása szerint:
| a) | Folyamatos szabályozás: a szabályozott jellemző értékét folyamatosan figyeljük és mérjük, és mindenkor készek vagyunk a beavatkozásra.
| b) | Mintavételes szabályozás: a szabályozott jellemző értékét csak meghatározott időszakonként mérjük és/vagy csak meghatározott időpontokban vagyunk készek beavatkozásra.
5. | Az áramló jelek értékei szerint:
| a) | Folytonos szabályozás: az értékek egy meghatározott intervallumon belül minden nagyságrendet elérhetnek, és a mérésük is hasonló módon lehetséges
| b) | Diszkrét szabályozás: meghatározott értékek vannak
6. | Az áramló jelek fellépése és hatása szerint:
| a) | Determinisztikus szabályozás: a beavatkozásra felhasznált jelek előre meghatározott módon alakulnak és előre meghatározható hatást váltanak ki.
| b) | Sztochasztikus szabályozás: nem határozhatók meg előre a jelek és a hatásaik.
A szabályozás feladata, hogy a szabályozott folyamatot a belső és a külső zavarok hatását kiküszöbölve, egy adott szinten tartsa. A gazdasági életben a folyamatok ritkán tartósan állandóak. A rendszer és a környezete folyamatosan változik, ami a szabályozási cél folyamatos változását is megköveteli. Adaptív szabályozás lényege, hogy a visszacsatolás nem belülről, hanem a környezeten keresztül történik. A visszacsatolás nem a szabályozott rendszer bemenetére hat, hanem annak belső állapotára, paramétereire.
3. Kézi és automatikus irányítás
Kézi irányítás esetén az irányítási művelet egészét vagy egy részét kezelőszemélyzet végzi, akár kézzel, akár lábbal. Az irányítást végző személy érzékszerveivel szerzett értesülések alapján - pl. vizuális megfigyelés, műszer(ek) leolvasása - ítéletet alkot, ettől függően adja ki a rendelkezést és avatkozik be a folyamatba.
Az önműködő irányítás esetén a teljes irányítási folyamat kezelőszemélyzet közreműködése nélkül valósul meg. Az automatáknak olyan tulajdonságokkal kell rendelkezniük, hogy képesek legyenek ugyanazokat az irányítási feladatokat ellátni, mint a kezelő személy. Alkalmasnak kell lenniük fizikai mennyiségek érzékelésére, az ember ítéletalkotó tevékenységének a lemásolására, rendelkezés kiadására és beavatkozni az adott folyamatba.
3.1. Kézi és önműködő irányítás összehasonlítása
Érzékelés:
Kézi irányítás: az ember szerez értesülést az érzékszerveivel, vagy közvetlenül, vagy közvetetten egy műszer segítségével. Hibás lehet a szerzett információ (emberi tévedés, leolvasási hiba stb.). Önműködő irányítás: mérőműszer szerez információt a döntéshozónak, pontosság a műszertől függ.
Ítéletalkotás:
Kézi irányítás: az ember hoz döntést a szabályok, előírások, tapasztalat alapján. Bármilyen információk alapján tud döntést hozni. Önműködő irányítás: egy program hoz döntést előre meghatározott utasítások alapján. A rendszer nem tud mindig döntést hozni az adott információk alapján, mert a program túl nagy lenne, és ezért lassú lenne a működése.
Rendelkezés: Ez minden esetben egy jel, amely különböző átalakításokon mehet keresztül.
Kézi irányítás: kezdetben az agyból kiinduló idegi impulzus. Önműködő irányítás: a döntéshozó berendezésnek a kimeneteli jele.
Beavatkozás: mind a két irányítási módban ugyanolyan lehet, sőt a legtöbb esetben ugyanahhoz a berendezéshez kapcsolódik egy kézi és egy önműködő irányítás.
3.2. Az automatizálás
Az automatizálás olyan műszaki-gazdasági tevékenység, melynek eredményeképpen az ember termelésirányító tevékenységét készülékek, berendezések, gépek veszik át. Az automatizálás önműködő készülékek, berendezések, gépek alkalmazásával az ember monoton irányító tevékenységét kiküszöböli a termelés folyamatából.
Lényegében tehát egy önműködő irányítás létrehozásáról van szó.
Megemlíthetjük, hogy létezik, az ún. félautomatikus irányítás, amikor csak a teljes folyamat egyes részeit automatizáljuk.
Alapelvként leszögezhetjük, hogy mind a félautomatikus, mind pedig az automatikus irányítású rendszereknél mindig meg kell hagyni az emberi beavatkozás lehetőségét.
Az automatizált rendszer létrehozásának számos feltétele van:
Műszaki feltételek:
Megfelelő gépesítés. Magas színvonalú technológia. Megfelelő műszerezettség. Megfelelő személy- és vagyonbiztonság.
Gazdasági feltétel:
| Az automatizálás megvalósításához beruházás szükséges, amely gazdaságos időn belül megtérül.
Személyi feltétel:
| Megfelelő szakemberek nélkül nem valósítható meg az automatizálás.
Jogi feltételek:
Egy automata rendszer működése meg kell feleljen az adott terület jogszabályi környezetének. Biztosítani kell a személyiséghez fűződő - pl. kamerafelvétel - jogok betartását. Rendelkezni kell az esetleges kártérítési felelősségbiztosítással. stb.
Az informatika fejlődési folyamata mutatja, hogy a jövőben egyre kiterjedtebben kell számolni az automatizált rendszerekkel. Ez a trend nem csak a fenti feltételek teljesülését-teljesítését - különösen a nem csak a jogszabályi környezet jelentős átalakítását - de nagyon széleskörű társadalmi párbeszédet és a társadalom általi elfogadást is igényel.
4. Az irányítási rendszer ábrázolási módjai
Az irányítási rendszer leírására a szöveges forma meglehetősen nehézkes, nehezen követhető. A műszaki életben - és az informatikában is! - előnyben részesítjük a könnyen áttekinthető, rajzos formákat.
Az irányítás rendszerek leírására három ábrázolási formát szoktunk használni.
1. | Szerkezeti vázlat.
2. | Működési vázlat.
3. | Hatásvázlat.
4.1. A szerkezeti vázlat
A szerkezeti vázlatot első sorban műszaki jellegű folyamatok ábrázolására használjuk. A folyamat elemeit - szerveit - sematikusan - többnyire szabványos jelekkel - ábrázolja, jelezve fizikai helyüket és kapcsolataikat. A működés megértését tehát virtuálisan teszi lehetővé, mert az irányítástechnika szempontjából lényeges alkatrészeket, elemeket tünteti fel, és az egyes elemek egymáshoz kapcsolódásáról is tájékoztat.
Ma már számos rajzoló program áll rendelkezésre, amelyek nagyszámú szimbólumot kínálnak egy látványos szerkezeti vázlat elkészítéséhez. (8. ábra)
Folyadékszint szabályozás szerkezeti vázlata
8. ábra
A szerkezeti vázlat inkább a "látványt" szolgálja, ezért első sorban akkor érdemes használni, ha nem szakember számára akarjuk a folyamatot bemutatni.
4.2. Működési vázlat
Működési vázlat nem a látványra épít, ezért sokkal egyszerűbb a szerkezeti vázlatnál. A működési vázlaton nem jelennek meg a szerkezeti elemek, a szerkezeteket "doboz" mutatja, a lényeg az egymáshoz kapcsolódásuk és a folyamat lefolyása. (9. ábra)
Folyadékszint szabályozás működési vázlata
9. ábra
4.3. Hatásvázlat
A hatásvázlat teljesen elvonatkoztat a szerkezettől, csak az irányítási részműveleteket végző tagokat és a közöttük lévő kapcsolatot jelöli tömbvázlat és hatásvonal formájában. Hatásláncnak is szokás nevezni. (10. ábra)
A folyadékszint szabályozás hatásvázlata

| Ellenőrző kérdések
1. Milyen irányítási műveleteket ismer?
2. Hasonlítsa össze a kézi- és az önműködő irányítást!
3. Sorolja fel a szabályozási folyamat jeleit!
4. Ismertesse a szabályozókör szerveit!
5. Definiálja a szabályozást!
6. Milyen hatásláncú folyamat a vezérlés!
7. Mit jelent a pozitív visszacsatolás?
8. Mi a célja az irányításnak?
9. Mit jelent az automatikus irányítás?
10. Definiálja a vezetés fogalmát!

| Az 1-3 Modul összefoglalása
A számítástechnika kezdetben a kibernetikával a szinonim fogalom volt. Ennek oka, hogy a kibernetika - az irányítás tudománya - az automatizálással forrt össze, és a számítástechnika is sokáig az automatizálás eszközeként szerepelt. A számítástechnika azonban folyamatirányítás mellett egyre inkább az adatfeldolgozás irányába fordult, míg a műszaki irányítástechnikát egyszerűbb felépítésű folyamatirányító számítógépek, majd a vezérlők uralták.
Az informatika térhódítása az utóbbi években ismét "összehozta" a két területet. Ma már teljesen természetes - és a jövőben egyre komolyabb szerepe lesz - az M2M technikák és az adatfeldolgozás összefonódása.
A modulban áttekintettük azokat a kibernetikai alapokat, amelyek feltétlenül szükségesek. Megismertük az irányítás fogalmát, feladatát. Az informatikusok által fejlesztett, működtetett rendszerek - mint arra az 1. modulban utaltunk - ún. gazdasági szervezetek, amelyeknek alapvető funkciója a vezetés.
A vezetés egy összetett, bonyolult folyamat, amelynek feladata, hogy a teljes szervezetet a kitűzött cél érdekében működtesse. Ennek a funkciónak az egyik eleme a modulban tárgyalt irányítás, a másik pedig az ún. szervezés.
A szervezés olyan, céltudatos szellemi tevékenység, amely egy rendszer állapotába avatkozik be, annak érdekében, hogy egy abban értelmezett struktúrát
kialakítson, kívánt módon fenntartson, kívánt módon megváltoztasson, megszüntessen.
Vesse össze a fenti meghatározást az irányítással kapcsolatban elmondottakkal és értelmezze a hasonlóságot, illetve a különbséget!
A vezetés tehát az irányítás és a szervezés együttesét jelenti, amely nélkül a szervezetk nem képesek megfelelő működésre. A vezetés funkció megfelelő működése megfelelő rendszer-ismeretet és pontos, megbízható információkat igényel.
A következő modulban az 1-3 modulokban megismert elméleti alapokra építve az információs rendszer - mint a vezetést támogató rendszer - vizsgálatával, működésével foglalkozunk.