Strona główna

Archiwum z roku 2002

Spis treści numeru 12/2002

Automatyka nie taka tajemnicza
Poprzedni Następny

Badania naukowe

Automatyka zajmuje się teorią i praktycznym zastosowaniem urządzeń 
sterujących różnymi procesami bez udziału człowieka.

Dariusz Uciński

Fot. Stefan Ciechan

 W dniach 24-27 czerwca w Zielonej Górze odbyła się XIV Krajowa Konferencja Automatyki, stanowiąca od lat okazję do prezentacji i przeglądu wyników oryginalnych prac badawczych i aplikacyjnych w dziedzinie automatyki, techniki systemów i robotyki. Zorganizował ją tym razem Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Uniwersytetu Zielonogórskiego, we współpracy z Komitetem Automatyki i Robotyki Polskiej Akademii Nauk oraz Polskim Stowarzyszeniem Pomiarów, Automatyki i Robotyki POLSPAR. Praca w komitecie organizacyjnym tej konferencji, z sukcesem integrującej najwybitniejszych przedstawicieli krajowych ośrodków akademickich, ośrodków badawczych oraz przemysłu, spowodowała, że musiałem kontaktować się z mediami i niejednokrotnie odkrywać osobom spoza dyscypliny znaczenia takich terminów, jak automatyka, automatyzacja lub robotyka. Zaskoczeniem była stosunkowo niewielka znajomość sensu tych pojęć, nawet wśród ludzi o wykształceniu technicznym. ale z kolei równie dużą niespodzianką była trudność zwięzłego wyjaśnienia istoty tych słów w sposób nie powodujący zniechęcenia nadmiarem niezrozumiałych zwrotów specjalistycznych i podejrzenia o brak konotacji praktycznych. Stanowiło to motywację do napisania niniejszego artykułu, przedstawiającego dziedzinę, która jak niewiele innych wpłynęła na rozwój cywilizacyjny i zmieniła komfort ludzkiego życia w ostatnich kilkudziesięciu latach, a jej znaczenie trudno przecenić.

BEZ UDZIAŁU CZŁOWIEKA

Automatyka stanowi liczącą sobie około sześćdziesięciu lat dyscyplinę z pogranicza nauki i techniki, zajmującą się teorią i praktycznym zastosowaniem urządzeń sterujących różnymi procesami bez udziału człowieka, względnie z ograniczonym jego udziałem. Powstała w następstwie dążenia do zwiększenia wydajności procesów technologicznych, poprawienia ich sprawności i niezawodności, a także w wyniku potrzeb produkcyjnych, stanowiących skutek wprowadzania nowych, wysoce zaawansowanych technologii. W tym kontekście na szczególne podkreślenie zasługuje interdyscyplinarność automatyki. Klasyczna edukacja i badania inżynierskie wyrastały dzięki zapotrzebowaniu na specyficzne technologie, np. górnictwo, budowę dróg i zapór, budowę maszyn mechanicznych, generowanie i transmisję energii elektrycznej czy też przemysłowe wykorzystanie chemii. Spowodowało to organizację szkół inżynierskich w następstwie powstania wydziałów górniczych, budownictwa, mechanicznych, elektrycznych, chemicznych itp. Taka struktura doskonale spełniała swoje zadanie na przełomie XIX i XX w., ale sytuacja drastycznie zmieniła się wraz z nadejściem takich dziedzin, jak automatyka, które zburzyły tradycyjne granice wydziałów politechnik. W przezwyciężeniu konserwatyzmu akademików istotnie pomogło zapotrzebowanie przemysłu.

Podstawowym pojęciem automatyki jest sterowanie, oznaczające działanie mające na celu zapewnienie pożądanego przebiegu procesu lub zachowania się układu, maszyny, urządzenia itp. Aby jednak narzędzia automatyki mogły być zastosowane, rozważany proces lub układ musi dawać się w pewien sposób „manipulować”, tzn. muszą w nim istnieć zależności przyczynowo-skutkowe (np. wiemy, że obracając kierownicą samochodu wywołuje się zmiany kierunku jego ruchu; można w ten sposób spowodować przemieszczanie się samochodu w zadanym kierunku). Na co dzień nie zdajemy sobie sprawy, że wyrafinowane układy automatyki znajdują się wewnątrz każdego z nas. Skomplikowany układ sterowania w podwzgórzu (ośrodek mózgu kontrolujący większość funkcji wewnętrznych) utrzymuje temperaturę człowieka na poziomie 37 stopni Celsjusza niezależnie od zmian w aktywności fizycznej i otoczeniu zewnętrznym. W innym układzie sterowania – oku – średnica źrenicy automatycznie dostraja się tak, aby kontrolować ilość światła padającego na siatkówkę. Z kolei inny złożony układ sterowania utrzymuje poziom stężenia jonów sodu w płynie otaczającym komórki.

Podstawowym urządzeniem automatyki jest regulator, czyli automatyczne urządzenie znajdujące się w maszynach i przyrządach, regulujące ich pracę oraz różne procesy w nich zachodzące. Najważniejszymi elementami układu sterowania takich czynności, jak nawlekanie igły i prowadzenie samochodu, jesteśmy my sami. Oczy są czujnikami, które określają pozycję igły i nitki lub samochodu i środka drogi. Skomplikowany regulator w postaci mózgu porównuje wówczas te dwie pozycje i określa akcję, która musi być podjęta w celu osiągnięcia pożądanego rezultatu. Ciało ludzkie w tej sytuacji to z kolei odpowiednik tzw. urządzenia wykonawczego, czyli urządzenia wprowadzającego w życie odpowiednie sterowanie poprzez przesunięcie nitki lub obrót kierownicy. Doświadczony kierowca przewiduje wszystkie zakłócenia, np. wyboistą drogę lub wlokącą się z przodu ciężarówkę. Oczywiście, odzwierciedlenie w automatycznym regulatorze wszystkich skomplikowanych decyzji, które przeciętny człowiek codziennie podejmuje, świadomie lub nieświadomie, byłoby niezwykle trudne, chociaż takie ambitne zamiary współczesna automatyka próbuje zrealizować. Przytoczone wyżej przykłady ilustrują fundamentalne pojęcie sterowania w układzie zamkniętym (lub inaczej: ze sprzężeniem zwrotnym), w którym do wyznaczenia sterowania wykorzystuje się dostępną informację o aktualnej wartości wielkości regulowanej (pozycja nitki względem igły oraz położenie samochodu względem środka drogi). O tym, jak bardzo sprzężenie zwrotne jest ważne, przekonamy się rozważając przykład pilota lecącego małą awionetką z Gdańska do Krakowa. Gdyby pilot wystartował i ograniczał się jedynie do kierowania maszyny w stronę Krakowa, po pewnym czasie, z powodu zakłóceń w postaci intensywnego wiatru, mógłby znaleźć się nawet nad Wrocławiem. Aby uniknąć takiej możliwości, lepiej, by wykorzystał sprzężenie zwrotne i ciągle kontrolował położenie maszyny kompensując wpływ wiatru poprzez odpowiednie operowanie przyrządami sterowniczymi.

DOJRZAŁA DYSCYPLINA

Fot. Stefan Ciechan

Mniej lub bardziej zaawansowane układy sterowania znajdują się dziś wszędzie wokół nas. Regulują temperaturę w domach, szkołach i innych budynkach, a także w kuchence mikrofalowej. Wpływają na produkcję rozmaitych dóbr i usług przez zapewnienie czystości i jednorodności jedzenia, które spożywamy, oraz zapewnienie właściwej jakości produktów z papierni, hut, rafinerii i wielu innych zakładów przemysłowych. Układy sterowania pomagają chronić środowisko naturalne przez minimalizowanie odpadów, co pozwala również na redukcję kosztów wytwarzania i łatwiejsze rozwiązanie problemu zagospodarowania odpadów.

Wypada wspomnieć, że pierwszymi urządzeniami automatycznymi w sensie współczesnym były regulatory poziomu wody w kotle parowym (I.I. Połzunow, 1765) oraz prędkości obrotowej maszyny parowej (J. Watt, 1784). Jednak prawdziwy przełom dokonał się w czasach drugiej wojny światowej, gdy wszystkie walczące strony potrzebowały coraz bardziej niezawodnych i precyzyjniejszych środków zabijania (z tego okresu datują się tzw. klasyczne metody automatyki). Potrzeby armii zainteresowanych mocarstw stymulowały również intensywny rozwój automatyki w czasach zimnej wojny. Jak to często bywa, zastosowania pokojowe przyszły nieco później. Programy badań nad pociskami rakietowymi dalekiego zasięgu oraz lotami kosmicznymi stały się motorami nowoczesnej automatyki, a w szczególności tzw. sterowania optymalnego. Rozwiązanie powstałych problemów wymagało zastosowania potężnych komputerów, prowadząc do rozwoju tych ostatnich.

W chwili obecnej automatyka jest dyscypliną bardzo dojrzałą i posiada rozbudowaną teorię oraz szeroki wachlarz środków technicznych umożliwiających automatyzowanie procesów wytwórczych we wszystkich niemal dziedzinach przemysłu. Automatyzacja oznacza wprowadzenie środków technicznych, umożliwiających samoczynne działanie maszyn i urządzeń, co ma na celu uwolnienie człowieka od wytężonej i rutynowej pracy umysłowej. Automatyzowane są zresztą nie tylko procesy przemysłowe, ale także szereg czynności i działań w dziedzinach odległych od przemysłu, np. w ekonomii, medycynie, handlu, w biurach projektowych i w wielu innych. Zresztą współczesna technika komputerowa umożliwiła rozwiązanie problemów w skali tysiące razy większej. Możliwości te stały się źródłem gwałtownego rozwoju numerycznych technik optymalizacji, zajmujących się wykorzystaniem komputera do znajdowania wśród dopuszczalnych rozwiązań danego problemu rozwiązania najlepszego ze względu na przyjęte kryterium jakości (np. koszt, zysk, niezawodność). Metody te wykorzystuje się np. do zaprojektowania optymalnego profilu nadwozia samochodu, znalezienia najlepszej drogi przesyłania informacji w ogromnej sieci łączności lub wyboru optymalnego inwestowania i zarządzania inwestycjami. Obliczeniowe metody techniki komputerowej umożliwiły np. lądowanie na Księżycu, obliczanie trajektorii sztucznych satelitów czy trajektorii sond kosmicznych eksplorujących inne planety naszego Układu Słonecznego. Możliwości te, w powiązaniu z rozwijaną obecnie produkcją robotów przemysłowych, stworzyły realne szanse na powstanie bezludnych fabryk, pracujących bez udziału człowieka. Tak więc procesy szczególnie niebezpieczne, szkodliwe dla zdrowia i uciążliwe mogą być prowadzone bez obecności człowieka.

SZTUCZNA INTELIGENCJA

Współczesna automatyka obejmuje wiele nowych wątków, związanych np. z popularną ostatnio sztuczną inteligencją. Sztuczna inteligencja to dział informatyki zajmujący się konstruowaniem maszyn i algorytmów, których działanie posiada znamiona inteligencji. Rozumie się przez to zdolność do samorzutnego przystosowania się do zmiennych warunków, podejmowania skomplikowanych decyzji, uczenia się, rozumowania abstrakcyjnego itp. W badaniach nad sztuczną inteligencją wyróżniamy wiele nurtów. Maksymalny program, jaki stawia przed sobą ta dziedzina, to stworzenie maszyn o inteligencji dorównującej, a nawet przewyższającej ludzką. Program minimalny to stworzenie programów komputerowych lub maszyn przejawiających tylko jakiś wąski aspekt inteligencji, np. grających w szachy lub rozpoznających obrazy czy automatycznie tworzących streszczenie jakiegoś tekstu. Jednym z ambitnych celów jest symulacja pracy ludzkiego mózgu. Uważa się, że jeśli będzie możliwe stworzenie programowego modelu ludzkiego mózgu, realne stanie się również powstanie komputerów uczących się i rozumujących w sposób zbliżony do ludzkiego. Komputerową symulacją procesów biologicznych kierujących pracą neuronów jest tzw. sieć neuronowa w postaci odpowiedniego programu komputerowego lub układu elektronicznego.

Sztuczna inteligencja wzbudza duże nadzieje m.in. w robotyce, gdzie powoli materializuje się wizja autonomicznych robotów, samodzielnie wykonujących powierzone im zadania i podejmujących przy tym samodzielnie decyzje. Zresztą, współczesna robotyka czerpie pomysły nie tylko ze sztucznej inteligencji. Zaprogramowanym i zdalnie sterowanym robotom już dziś zleca się wykonywanie szczególnie niebezpiecznych i odpowiedzialnych zadań, np. monitorowanie i naprawę elementów w reaktorach elektrowni jądrowych, inspekcję obszarów skażonych środkami chemicznymi lub zagrożonych skażeniem, walkę z pożarami, usuwanie bomb, rozbrajanie ładunków wybuchowych czy fotografowanie wraku Titanica. Prawdziwą furorę robią ostatnio roboty medyczne wykorzystywane w skomplikowanych operacjach. Byłoby idealnie, gdyby kardiochirurg mógł wykonywać mało inwazyjne operacje – przy zamkniętej klatce piersiowej i na bijącym sercu. W pionierskich operacjach narzędzia chirurgiczne nie są już prowadzone bezpośrednio ręką chirurga, ale za pośrednictwem robota. Lekarze mogą obserwować wnętrze klatki piersiowej w trzech wymiarach, a ruchy ich dłoni na konsoli są przenoszone z dużą dokładnością na narzędzia chirurgiczne wewnątrz klatki piersiowej. Komputer automatycznie przetwarza te ruchy, eliminując naturalne drżenie rąk i znacznie zwiększając precyzję zabiegu.

Duże perspektywy istnieją również przed robotami rehabilitacyjnymi, które stosuje się w celu zastąpienia ruchów sparaliżowanych lub amputowanych kończyn. Ocenia się, że już za dwadzieścia lat powinny pojawić się pierwsze roboty potrafiące uczyć się, poruszać i wchodzić w rozumne interakcje z istotami ludzkimi. Roboty zaczną samodzielnie chodzić po fabrykach, szpitalach i domach. Staną się niezawodnymi pomocnikami, którym będzie można powierzać dobrze sprecyzowane zadania. Będą więc potrafiły przycinać trawniki, wyregulować silnik samochodu, a może nawet gotować.

INTEGRACJA ŚRODOWISKOWA

Fot. Stefan Ciechan

Okazją do prezentacji i przeglądu oryginalnych prac badawczych w dziedzinie automatyki i robotyki są liczne konferencje. W Polsce największą tradycję ma Krajowa Konferencja Automatyki. Jej pierwsza edycja odbyła się w 1958 roku w Warszawie, a edycje następne organizowano zazwyczaj co trzy lata, w różnych ośrodkach akademickich, integrując przedstawicieli instytucji akademickich, ośrodków badawczych i przemysłu. Duże tradycje i renomę posiada również Krajowa Konferencja Robotyki, organizowana przez Politechnikę Wrocławską. Równocześnie organizuje się w Polsce cyklicznie uznane międzynarodowe konferencje o podobnej tematyce: „Systems Science” („Nauka o systemach”, Politechnika Wrocławska) oraz „Methods and Models in Automation and Robotics” („Metody i modele w automatyzacji i robotyce”, Politechnika Szczecińska). Wśród licznych konferencji zagranicznych największą rangę mają te firmowane przez Międzynarodową Organizację Regulacji Automatycznej (ang. International Federation of Automatic Control, IFAC), a zwłaszcza światowy kongres IFAC, odbywający się co trzy lata począwszy od 1960 r. W tym roku kongres odbył się w Barcelonie, a następny będzie miał miejsce w Pradze w 2005 roku. Warto dodać, że w czerwcu 1969 roku gospodarzem światowego kongresu IFAC była Warszawa, ponieważ już wówczas Polska miała bardzo duże osiągnięcia naukowe w światowej automatyce, a polscy specjaliści w tej dziedzinie byli i są cenieni do dziś.

Dr hab. inż. Dariusz Uciński, prof. UZ, pracownik Instytutu Sterowania i Systemów Informatycznych Uniwersytetu Zielonogórskiego.


 

Komentarze