Inverzné kyvadlo

Vedci a študenti predstavili pomocou názorného modelu, ako sa dá riadiť aj taká nevypočítateľná sústava, akou je chemický reaktor.

V našom Ústave informatizácie, automatizácie a matematiky FCHPT STU v Bratislave sa zaoberáme vývojom riadiacich algoritmov predovšetkým pre procesy v chemickom a potravinárskom priemysle. Čo to vlastne znamená, sme mali možnosť demonštrovať na akcii Noc výskumníkov 2017, kde sme mali dva projekty. Jeden z nich si študenti vytvorili sami. Išlo o proces inverzného kyvadla. Návštevníci mali možnosť vidieť jednu verziu projektu priamo v akcii a zároveň mohli pri našom stánku naživo sledovať výrobu novej verzie.

Víťazstvo nad gravitáciou

Boj s gravitáciou je proces, na pochopenie ktorého nepotrebuje pozorovateľ hlboké teoretické vedomosti. Princíp je tento: voľne otočné kyvadlo sa umiestni na vozík, ktorý sa môže pohybovať doprava a doľava. Kyvadlo sa stáva inverzným, keď ho otočíme smerom hore, no v tejto polohe sa samo neudrží a padá. Vozík slúži na to, aby svojím pohybom zabránil pádu kyvadla. Napríklad, ak si na prst postavíte nejakú paličku alebo pero, tak musíte šikovne a rýchlo pohybovať prstom na základe toho, akým smerom pero padá, aby ste dosiahli rovnováhu. Vaše oči fungujú ako senzor snímajúci uhol náklonu pera a mozog ako riadiaci počítač, ktorý spracuje informáciu a vyhodnotí smer a rýchlosť pohybu ruky. Počítač vyšle príkaz ruke, aby tak urobila. Tento proces sa odborne nazýva uzavretý regulačný obvod. A presne tento istý dej sa odohráva aj v našom projekte. Senzor meria uhol náklonu kyvadla a informáciu posiela do mikroovládača. Ten vyhodnotí meranie a pošle vozíku príkaz, aby sa pohol určeným smerom as potrebným zrýchlením. Toto sa udeje každých dvadsať tisícin sekundy. Človek väčšinou tento boj s gravitáciou po niekoľkých okamihoch prehrá, ak má však k dispozícii zariadenie a kvalitný riadiaci algoritmus, tak vydrží balansovať s kyvadlom doslova donekonečna. Inverzné kyvadlo je prirodzene nestabilný systém. Ak aplikujeme zlý riadiaci algoritmus, kyvadlo spadne. Ak spadne kyvadlo, tak o nič nejde, ale ak sa aplikuje zlý riadiaci algoritmus napríklad na nestabilný chemický reaktor, môže nastať katastrofa. Tým sa dostávame k dôležitosti riadiacich algoritmov či už v priemysle alebo v každodennom živote. Kvalitné riadiace algoritmy robia výrobu rýchlejšou, efektívnejšou, znižujú negatívne dosahy na životné prostredie, no najmä robia výrobu bezpečnejšou. A práve proces inverzného kyvadla je prostriedok, pomocou ktorého naši študenti aplikujú svoje teoretické vedomosti a učia sa vytvárať spoľahlivé a inteligentné riadiace algoritmy.

Predpovedanie budúcnosti

Momentálne s kolegami-vedcami pracujeme na vývoji riadiacich algoritmov, ktoré dokážu predikovať budúci stav systému; inak povedané – s využitím matematiky dokážu algoritmy predpovedať budúcnosť a zohľadniť informácie pri riadení. Hovoríme o takzvaných prediktívnych regulátoroch. Ich výhodou je aj to, že riadia systém optimálnymi akčnými zásahmi. Znamená to, že ak sa týmto spôsobom riadi napríklad auto, tak má čo najnižšiu spotrebu paliva. Okrem toho možno do výpočtu zahrnúť aj obmedzenia pre daný systém. Pri aute napríklad vieme, že môže ísť len určitou maximálnou rýchlosťou. Takéto riadenie je veľmi cenné aj v priemysle. Automobil je len jednoduchým príkladom, často však navrhujeme riadenie pre chemický reaktor, ktorý môže byť nestabilný. Preto má striktné obmedzenia na prevádzkovú teplotu, prietoky reagujúcich zmesí a popri tom všetkom je riadený s čo najnižšou spotrebou energie a surovín. Vývoj a aplikácia pokročilých metód v automatizácii a v riadení procesov skvalitňujú všetky odvetvia priemyselnej výroby. Málokto si uvedomuje dôležitosť tejto vednej oblasti, no aj vďaka nej je možné vyrábať všetko od topánok až po rakety letiace do vesmíru – teda veci, čo sa už bežne používajú či v budúcnosti azda budú používať.

Ing. Peter Bakaráč
Ústav informatizácie, automatizácie a matematiky FCHPT STU v Bratislave