KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A feladat

Irányítás, vezérlés, szabályozás

| A bevezető modul célja az, hogy egy közös terminológiai és alapismereti kontextust, hivatkozási alapot teremtsen az anyag érdemi részeinek elsajátításához. Ezért feldolgozása opcionális. Aki már tanult valahol, valamiféle irányítástechnikát, elhagyhatja, aki viszont nem, annak számára rendkívül fontos. Mindazonáltal legalább elolvasását minden hallgatónak melegen ajánljuk.
Cél: A tananyag célja, hogy a hallgató ismerje meg az irányítás, valamint annak két realizációs formája, a vezérlés és a szabályozás fogalmát, tisztán lássa a vezérlés és a szabályozás működési sajátosságait és érzékelje különbözőségüket.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes
megfogalmazni, mit értünk irányítás alatt; felsorolni az irányítás részfeladatait; példán keresztül bemutatni, hogy a kézi és az automatikus irányítás elviekben nem, csak megjelenési formájában különbözik; elmondani/megfogalmazni a vezérlési és a szabályozási rendszer működését, össze tudja hasonlítani őket rámutatva különbségeikre, és konkrét esetekben biztosan fel tudja ismerni, meg tudja különböztetni őket.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 120 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak
irányítás információszerzés, döntéshozatal, beavatkozás vezérlés, szabályozás visszacsatolás
Az anyagi javak, termékek előállítására irányuló technológiai folyamatok célszerűen működő technológiai rendszerekben mennek végbe. E folyamatok célja az, hogy a kiindulási anyagokból előírt minőségi mutatókkal rendelkező, további felhasználásra alkalmas produktumokat hozzanak létre.
A technológiai rendszerek környezetük befolyása alatt állnak és működésük érzékeny a környezeti feltételek változásaira. A környezeti változások mindig zavaró hatásként jelentkeznek, hiszen megváltoztatva a rendszer működésmódját, befolyásolják a végtermék minőségét. Ebből következik, hogy egy technológiai rendszer magára hagyva, spontán módon általában nem működhet kielégítően. A kívánt működés biztosításához olyan külső beavatkozás szükséges, amely kompenzálni képes a környezeti változások hatását. A technológiai folyamat megfelelő működésének biztosítása a folyamathoz illesztett irányító rendszer feladata.
Gondolja át, milyen esetekben használjuk az "irányítás" szót a hétköznapi életben! Gyűjtse össze milyen szinonimákat szokás használni a szó kiváltására? Vajon valóban szinonimák-e ezek?
Irányítás alatt egy folyamat adott cél elérése érdekében történő befolyásolását értjük. Irányítási művelet egy folyamat elindítása, fenntartása, megváltoztatása, leállítása. Eme funkciókat az irányító rendszer látja el. Az irányító rendszernek nincs közvetlen technológiai funkciója, hiszen nem vesz részt az anyag- és energiaátalakítási folyamatban, a végtermék létrehozásában. Szerepe mégis nélkülözhetetlen, mert megléte biztosítja, hogy a technológiai rendszer a környezetből eredő zavarok ellenére kielégítően működjön.
A technológiai és az irányító rendszert élesen megkülönbözteti egymástól a bennük lezajló folyamatok jellege. A technológiai folyamatok anyag- és energiaáramokon végrehajtott műveletek sorozatai, ezzel szemben az irányító rendszerekben kizárólag az információ áramlásának van szerepe; az irányítási folyamat pedig nem más, mint anyagi hordozóra ültetett információkon - jeleken - végrehajtott manipulációk sorozata. Ebből adódik, hogy míg a technológiai rendszerek berendezései a folyamat jellegétől függően igen változatosak, a különböző irányítási rendszerek elemei - ha szerkezeti kialakításukat tekintve nem is - funkcionálisan nagyon hasonlók.
Az irányítás három, okságilag egymást követő aktus eredményeként jön létre. E három mozzanat:
az információszerzés, a döntéshozatal és a beavatkozás.
Az információszerzés célja az, hogy az irányító rendszer megismerje a technológiai folyamat (irányított rendszer), vagy a folyamatot befolyásoló környezet aktuális állapotát, más szavakkal: hogy felmérje a tényállapotot.
A döntéshozatal során az irányító rendszer összehasonlítja az aktuális, tényleges állapotot az elérni kívánt, vagy előírt állapottal. Ha a két állapot nem azonos - vagyis nem az van, aminek kellene lennie - az eltérés irányától és mértékétől függően, adott algoritmus alapján létrejön egy módosítási parancs.
Ennek hatására megtörténik a beavatkozás, melynek során az irányító rendszer úgy módosítja a technológiai folyamat állapotát, hogy az, az irányítási célként kitűzött, előírt állapot felé közelítsen.
Az irányítási rendszer általános, elvi felépítését, valamint az egyes aktusok kapcsolatát az 1. ábra szemlélteti.
Az irányítási rendszer elvi felépítése
1. ábra
Egy folyamat irányítása megvalósulhat emberi közreműködéssel, vagy anélkül. Az előbbi esetben kézi, az utóbbiban automatikus irányításról beszélünk. Ha az irányító rendszer szerepét ember tölti be, az irányítás fiziológiai folyamatok közreműködésével történik. E folyamatok azonban - lényegüket tekintve - éppúgy információátviteli, illetve - feldolgozási folyamatok, mint más irányító rendszerek esetében.
Kézi irányítás esetén az információszerzés konkrét fizikai eszközei az érzékszervek. A tényállapotot tükröző információ, mint ingerület, végigfut a szenzoros idegpályákon (mint információátviteli csatornákon) és a központi idegrendszerbe jut. Ez utóbbi képes arra, hogy elemi logikai műveletek végrehajtásával összehasonlítsa a beérkezett információt az idegsejtek bizonyos rendszerében - mint memóriában - tárolt, a kívánt állapotot reprezentáló információval. Eltérés esetén az agy a motoros idegpályák (ugyancsak, mint csatornák) közvetítésével ingerli a mozgásszervek izmait, létrehozva ezzel a mozgást, a beavatkozást.
Automatikus irányítás esetén az előbb említett emberi szerveket olyan gépi berendezésekkel, eszközökkel kell helyettesíteni, amelyek - ha más fizikai elvek szerint működnek is - az információátvitel szempontjából ugyanazokat a funkciókat képesek ellátni. Így minden automatikus irányító rendszernek kell tartalmaznia érzékelő szervet (mérőműszer, jeladó) az információszerzés céljára, valamilyen ítéletalkotó szervet (különbségképző) a döntéshozatalhoz, beavatkozó szervet (pl. motor, szelep) a beavatkozáshoz, információátviteli utakat (vezetékek, csövek) az egyes szervek összekapcsolásához. Ezeken kívül szükség lehet valamilyen memória-jellegű elemre a kívánt állapotot reprezentáló információ tárolásához.
Eddig az irányításról az általánosság szintjén beszéltünk. Az alábbiakban különbséget fogunk tenni két alapvető módja, realizációs formája között, és ezek jellegzetességeit vizsgáljuk meg.
Az irányításhoz szükséges primer információk forrása - a korábbiak szerint - lehet maga az irányított folyamat, vagy annak környezete. Ha a beavatkozást kiváltó információ az irányított rendszer környezetéből származik, akkor vezérlésről, ha pedig a folyamatból, akkor szabályozásról beszélünk.
Az irányítás célja mindkét esetben azonos, nevezetesen: biztosítania kell, hogy a folyamat (és mindig a folyamat) állapota a külső zavaró hatások ellenére megegyezzen az előírt állapottal, vagy legalábbis minél jobban megközelítse azt. E célt a két irányítási mód különbözőképpen éri el. (Nagyon fontos: a beavatkozás mindig a folyamatra hat, csak az azt kiváltó információ származhat különböző helyről.)
A vezérlésnél az irányító rendszer (itt vezérlő rendszernek hívják) a környezet és csak a környezet állapotát (a külső hatásokat) figyeli. Ha ebben valamilyen - a referencia feltételekben rögzítettekhez képesti - változást észlel, megindítja a változás hatását kompenzáló beavatkozást, amely úgy igyekszik befolyásolni a folyamatot (a vezérelt rendszert), hogy az a megváltozott környezetben is a kívánt célnak megfelelően működjön.
Az előbb mondottak arra az esetre vonatkoznak, amikor a vezérlő rendszernek zavaró, káros külső hatást kell elhárítania. Sokszor azonban a külső hatás szándékos, és célja a vezérelt rendszer működésének, üzemmódjának megváltoztatása (pl. bekapcsolás, leállítás, munkapontváltás). Ilyenkor a beavatkozásnak nem kompenzálnia kell a külső hatást, hanem éppen annak érvényre jutását kell elősegítenie.
Nagyon fontos tény, hogy a vezérlő rendszer semmilyen információval nem rendelkezik a vezérelt folyamatról, így nem tudja értékelni a beavatkozás hatását, eredményét. Ha a beavatkozás sikertelen volt, vagy nem volt kellően hatásos, a folyamat a vezérlés ellenére a továbbiakban is hibásan fog működni. A vezérlés másik fontos jellemzője, hogy kizárólag azokat a zavaró hatásokat tudja elhárítani, melyek érzékelésére a vezérlő rendszer - szerkezeti kialakításából adódóan - alkalmas. A vezérlő rendszer tervezésekor figyelmen kívül hagyott zavaró hatások később akadálytalanul befolyásolhatják a vezérelt folyamatot. Végül megemlítjük, hogy a vezérlési folyamat során az információ nyílt lánc mentén terjed, hiszen a környezetből indul ki és a vezérelt rendszerbe fut be. Ebből adódik, hogy a vezérlés un. egyszeri lefutású folyamat, amely a beavatkozás megtörténte után - annak eredményétől függetlenül - befejeződik és újabb kiváltó ok (újabb környezeti változás) megjelenéséig nem működik. A vezérlési folyamat vázlatát és a hatások számozott oksági sorrendjét a 2. ábra mutatja.
A vezérlési folyamat vázlata és a hatások oksági sorrendje
2. ábra
Elemezze a vezérlés oksági vázlatát, értelmezze a két '2'- vel jelölt hatást!
A szabályozásnál az irányító rendszer (itt szabályozó rendszernek hívják) kizárólag magának a technológiai folyamatnak (itt: szabályozott rendszer) az állapotát figyeli. Ha ez eltér egy - az irányítási cél által meghatározott - előírt állapottól, a szabályozó rendszer az eltérés okától függetlenül (azt nem is ismerve!), megindítja az eltérést csökkenteni igyekvő beavatkozást. A szabályozó rendszernek nincs semmilyen információja a környezetről, az eltérést okozó zavaró körülményekről külön-külön, viszont mindent tud ezek együttes hatásáról. A beavatkozás ebből adódóan nem specifikus egyik vagy másik, ilyen vagy olyan zavarra, hanem azok együttes hatásának kiküszöbölésére irányul. (Ezt úgy is mondhatjuk, hogy míg a vezérlés csak szelektív zavarelhárításra képes, a szabályozás univerzálisan teszi ugyanezt.) E körülmény a szabályozások tervezése szempontjából igen kedvező, amennyiben szükségtelenné teszi a szabályozott rendszerre ható zavarforrások előzetes felderítését.
Minthogy a szabályozó rendszer közvetlenül a folyamat állapotát érzékeli, módjában áll a beavatkozás hatásosságának folyamatos elemzése, vagyis saját tevékenységének ellenőrzése és korrigálása. Ha a beavatkozás nem volt elégséges (ami abban tükröződik, hogy a folyamat tényleges állapota még mindig eltér a kívánt állapottól), a szabályozó rendszer továbbra is fenntartja, esetleg növeli vagy csökkenti a beavatkozás mértékét. A szabályozási folyamat tehát addig működik, amíg az eltérés meg nem szűnik, viszont csak akkor indulhat meg, ha az eltérés már fennáll, azaz, ha a zavar már kifejtette hatását a szabályozott rendszerre. Először tehát hibának kell keletkeznie ahhoz, hogy működésbe léphessen a hibát elhárító folyamat; a hiba fellépte viszont saját maga megszüntetése irányába hat. (Megjegyezzük, hogy a vezérlés esetében a beavatkozás elvileg már akkor megkezdődhet, amikor a zavar még nem fejtette ki teljes hatását a vezérelt rendszerre, így a zavar hatása olykor megelőzhető. Szabályozásnál ez kizárt, de a vezérlésnél is inkább csak elvi lehetőség.)
Korábbi ismeretei, tanulmányai, esetleg a hétköznapi nyelvhasználat alapján idézze fel a "visszacsatolás" fogalmát és gondolja át, hogy mikor, milyen értelemben használják!
Próbálja pontosan megfogalmazni a terminus jelentését! Ha ez sikerült, akkor már valószínűleg érti a pozitív és a negatív visszacsatolás közötti különbséget. Gondoljon ki példákat a pozitív és a negatív visszacsatolás érvényesülésére!
A szabályozás topológiai jellegzetessége, hogy az információ zárt hurokban terjed, hiszen a beavatkozást kiváltó információ a szabályozott rendszer állapota és a beavatkozás ugyancsak a rendszer állapotára hat. A szabályozási rendszerben tehát visszacsatolás érvényesül: az állapotjellemző mennyiségek saját magukra hatnak vissza. A visszacsatolás pedig negatív, mert egy állapotjelző mennyiség bármilyen irányú megváltozása a változást megszüntetni, illetve visszafordítani igyekvő folyamatot indít meg. A szabályozási folyamat vázlatát és a hatások oksági sorrendjét a 3. ábra mutatja.
A szabályozási folyamat vázlata és a hatások oksági sorrendje
3. ábra
Elemezze a szabályozás oksági vázlatát! Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot

| Önellenőrző kérdések
1. Fogalmazza meg, mit értünk irányításon!
2. Sorolja fel és jellemezze az irányítás aktusait!
3. Az ábra alapján jelölje meg, melyik az irányítási rendszer döntéshozó eleme!
| D
| C
| B
| A
4. Jelölje meg a vezérlésre jellemző megállapításokat az alábbi felsorolásban:
| Zárt láncú folyamat.
| Értékeli saját beavatkozásának hatását.
| Csak szelektív zavarelhárításra képes.
| Folyamatos működésű.
| Egyszeri lefutású folyamat.
5. Jelölje meg a szabályozásra jellemző megállapításokat az alábbi felsorolásban:
| Zárt láncú folyamat.
| Nem értékeli saját beavatkozásának hatását.
| Univerzális zavarelhárításra képes.
| Minden zavart egyenként érzékel.
| Folyamatos működésű.
6. Az ábra alapján rendelje az A,..D hez, a megfelelő megnevezéseket! beavatkozás döntéshozatal információszerzés irányítási cél