Integratori i ptičja perspektiva
Iako se u karijeri često cijeni specijaliziranost, tj. potiče se što raniji fokus i izvrsnost u određenom području, za općeniti napredak društva nužni su i tzv. integratori, odnosno “Katice za sve” koji problem mogu sagledati iz ptičje perspektive.
Mehatronika je grana tehničkih znanosti koja povezuje strojarstvo, elektrotehniku i računalno inženjerstvo. Za razvoj mehatroničkog sustava bitno je razumijevanje navedenih područja i njihovih međuovisnosti. Primjere možemo vidjeti svuda oko nas:
- prijevozna sredstva: automobili, vlakovi, avioni, brodovi
- robotski sustavi: mobilni roboti, roboti u tvornicama
- vozila razne namjene: kranovi, viličari, poljoprivredni strojevi, liftovi.
Na primjeru automobila vidljiva je interakcija različitih sustava – mehaničkih dijelova (kotači, motor i prijenos), elektroničkih sklopova (jedinica za upravljanje motorom, infotainment sustav, svjetla i signalizacija) te softvera koji upravlja elektroničkim jedinicama. Budući da promjene u jednom podsustavu utječu na druge, povezivanje pojedinih dijelova u konačan proizvod nije jednostavan zadatak.
Upravljački sustavi
Vrlo bitan aspekt svakog mehatroničkog sustava je upravljanje samim sustavom. Ako određeni proizvod ne izvršava funkciju koju smo zamislili, je li nam uopće koristan? Ovim pitanjem bavi se automatika, a svaki upravljački sustav se sastoji od tri temeljna dijela:
- prikupljanje informacija o trenutnom stanju sustava i okoline (senzori)
- određivanje sljedećeg koraka pomoću pravila djelovanja, tj. upravljačke logike
- izvršavanje promjena na stvarnom sustavu (aktuatori)
Zajedno, navedeni dijelovi rade u tzv. zatvorenoj petlji pomoću povratne veze, kao što je prikazano na slici ispod.
Primjeri upravljačkih sustava nisu uvijek očiti, ali su također vrlo prisutni:
- termostat (termometar – logika – grijalica)
- tempomat u automobilu (mjerenje brzine – logika – upravljanje motorom)
- ABS sustav (detekcija proklizavanja kotača – logika – upravljanje kočnicama)
Ovisno o namjeni, upravljačka logika može biti vrlo jednostavna (npr. samo paljenje ili gašenje grijalice), ali i prilično složena (npr. prilikom upravljanja potrošnjom energije u cijeloj zgradi).
PID regulator
Zamislite da želite upravljati temperaturom u prostoriji, tj. držati ju na nekoj zadanoj vrijednosti. Za to će vam biti potreban termometar, upravljačka logika (termostat) i klimatizacijska jedinica. Predmet automatike je razvoj upravljačke logike, koja se u ovom slučaju može temeljiti na sljedećim jednostavnim pravilima:
- “Što smo dalje od zadane temperature, to više trebamo raditi da bismo ju dostigli.” To znači da će grijalica grijati više ako je razlika u temperaturi 10 stupnjeva, u odnosu na razliku od 3 stupnja.
- “Ako smo duže vremena udaljeni od zadane temperature, moramo raditi više da ju sustignemo.” U slučaju da je došlo do promjene u sustavu, npr. otvaranjem prozora, moguće je da 1. pravilo neće biti dovoljno za postizanje cilja, već će postojati stalno odstupanje. Tada 2. pravilo služi za uklanjanje grešaka koje traju neko vrijeme.
- “Ako se odstupanje brzo smanjuje, trebamo usporiti da spriječimo prekoračenje.” Kako se približavamo cilju, postoji mogućnost da zbog inercije sustava prekoračimo zadanu vrijednost (pogotovo kod toplinskih sustava, koji relativno sporo reagiraju). Postepenim usporavanjem ovisno o brzini približavanja cilju moguće je izbjeći velike oscilacije.
Zanimljivo, ovakav pristup upravljanju ne zahtijeva gotovo nikakvo znanje o sustavu (npr. model, parametre itd.), već se temelji isključivo na odstupanju od zadane vrijednosti, tj. pogrešci. Zahvaljujući svojoj jednostavnosti, najrašireniji je oblik regulatora u praksi, poznat pod nazivom PID regulator. Ime je dobio zahvaljujući navedenim pravilima, gdje se 1. odnosi na tzv. Proporcionalno upravljanje, 2. na tzv. Integralno upravljanje, a 3. na tzv. Derivativno upravljanje.
A što je sa složenijim sustavima?
Pokazalo se da PID regulatori u praksi rade vrlo dobro, jednostavni su za implementaciju i lako se održavaju. Međutim, najčešće su ograničeni na sustave s jednim ulazom i jednim izlazom (npr. kad koristimo jednu grijalicu da bismo upravljali temperaturom u jednoj sobi). Što kada želimo centralizirano upravljati većim sustavima, s nekoliko ulaza i izlaza? Primjeri takvih sustava su razna postrojenja i zgrade, ali i moderna vozila, pa čak i dronovi.
Naravno, moguće je koristiti nekoliko PID regulatora od kojih bi svaki upravljao jednim dijelom sustava. Međutim, često možemo i bolje od toga! A kako bi to točno funkcioniralo? Saznajte u sljedećem nastavku 🙂
O autoru
Josip Kir Hromatko završio je preddiplomski studij elektrotehnike (smjer automatika) na Fakultetu elektrotehnike i računarstva u Zagrebu, a diplomski studij na sveučilištu Chalmers University of Technology u Göteborgu, u Švedskoj. Od 2021. član je Laboratorija za mehatroniku na FER-u, a trenutno je zaposlen kao asistent na HRZZ projektu “PVDC – Prediktivno upravljanje dinamikom vozila”. Krajem 2022. godine upisao je doktorski studij s fokusom istraživanja na istoj temi.