Volba regulátoru: PID nebo PhD?

Jakkoliv může slovní hříčka v nadpisu znít především jako vtip (ne z mojí hlavy) ve stylu cimrmanovského H2SO5, zdá se mi, že perfektně vystihuje situaci v našem oboru automatického řízení.

Co v této vtipné narážce slyším/čtu já? Že při rozhodování o volbě metodologie pro návrh a implementaci řídícího algoritmu stojí každý inženýr před volbou, zda ve svém řídicím systému použije jednoduchý a prakticky milionkrát osvědčený PID regulátor navržený metodou "když-je-to-pomalé-zvyš-P-a-když-je-tam-chyba-zvyš-I-a-když-to-kmitá-zvyš-D", nebo zda nejdříve absolvuje doktorát z aplikované matematiky a následně použije některý z výsledků moderní teorie řízení stojící třebas na bilineárních maticových nerovností a nehladké nekonvexní optimalizaci, které slibují někdy dramatické, ale většinou pouze párprocentní zlepšení ve sledovaných ukazatelích.

No, trošku jsem si zapřeháněl...:) Ale určitě ne moc. Sice ne každý, kdo se rozhodne stát se užitečným specialistou na metody návrhu řídicích algoritmů, musí usilovat o doktorský titul, ale určitě i tak má dotyčný práce a studia před sebou spousty a spousty.

Ne vždy je to ale nutné, a především v domácím průmyslu je volba většinou jednoznačná, z pohledu trhu asi oprávněně. Vždyť základní heuristické metody návrhu PID regulátoru zvládají i studenti jiných specializací (chemické či strojní inženýrství, energetika, ...) a tyto metody postačí pro splnění běžných technických požadavků na kvalitu řízení. (Malá perlička: navrhnout PID regulátor umí dokonce i stávající přednosta III. Interní kliniky 1. LF UK...)

I v Česku ale běží a běželo několik průmyslových projektů, které jednoznačně získaly na použití sofistikovaných metod návrhu "v-nějakém-smyslu" optimálních regulátorů, které dokáží z daného systému dostat opravdu maximum. Namátkou: robustní prediktivní regulátory vyvíjené v pražské výzkumné laboratoři americké firmy Honeywell týmem profesora Havleny. I jen párprocentní snížení emisí NOx uchrání provozovatele otrokovické teplárny před velkými ekologickými pokutami. Určitě takových projektů není převaha, a i jen definovat a nastartovat takové projekty je samo o sobě velký profesní úspěch. O co jiného by se však absolventi samotného oboru řídicí technika měli snažit, když jednoduchý heuristický PID regulátor umí naladit i chemici či energetici?

Zcela zřetelně však takovéto praktické nasazení moderní "teorie" v praxi vyžaduje stoprocentní zvládnutí oboru. Začínám v poslední době nabývat čím dál více dojmu, že jedním z hlavních přispěvatelů do vytváření oné takzvané propasti mezi teorií a praxí jsou inženýři, kteří zůstali někde na půli cesty. Aplikace učebnicové verze LQG regulátoru, který byl vyvivinut speciálně v 60.-70. letech v období "space race" pro kosmické a letecké aplikace, pro řízení běžného průmyslového procesu musí zákonitě skončit nezdarem, protože LQG metodologie vyžaduje splnění předpokladů, které v jiných oblastech jsou zkrátka nereálné (přesný model systému i stochastický model signálů).

Závěr, který si dělám sám pro sebe? Se učit, se učit, se učit...:-) Při účasti na praktickém projektu si zachovat chladnou hlavu, a nesnažit se za každou cenu hned použít návrhovou metodologii, kterou už umím, ale s nadhledem zvážit, jestli jiné metodologie nesplňují požadavky daného projektu lépe. Taky mít oči otevřené, a hledat nové aplikační příležitosti. Nejlépe tam, kde to ještě nikoho nenapadlo, v aplikacích, kde principy automatického řízení ne pouze zlepší, ale vůbec teprve umožní fungování systému. Třebas na těchto stránách budeme společně dokumentovat nalézaní takových aplikačních příležitostí v ČR a z nich plynoucích požadavků na návrhové metody.

Aplikace APC

Chtěl bych reagovat na toto zajímavé téma, řekněme z praktického pohledu řízení procesů. Pokud chceme úspěšně aplikovat moderní metody řízení, je třeba ujít pořádný kus cesty. Tím mám na mysli zejména výběr a perfektní zvládnutí zvolené metody a to jak z teoretické, tak i z praktické stránky. Nutná je i !perfektní! znalost třídy procesů, pro které řídicí systém vyvíjíme. Dalším krokem je implementace dané metody. Tím se v podstatě rozumí přeprogramování jednotlivých prototypových algoritmů do nějaké použitelné formy (pokud to myslíme opravdu vážně, tato fáze může trvat i několik let) včetně konfiguračních nástrojů a rozhraní pro ovládání aplikace.

Je tedy zřejmé, že samotné vytvoření APC metodiky vyžaduje nemalé finanční prostředky, vysoce kvalifikovaný tým a relativně mnoho času.

Samotný vývoj a imlementace moderních metod je bezesporu složitý a finančně náročný proces. To je pravděpodobně jeden z důvodů, proč se těmito metodami nezabývá každá druhá firma a proč se s nimi nesetkáváme v každém provozu. Je nutno také poznamenat, že jednotlivé provozy jsou většinou řízeny zkušenými operátory a provoz bývá většinou perfektně zvládnut i se základním řízením - pokud jsou dobře nastaveny PIDy :-). Dalším důvodem může být fakt, že "moderní" metody se zdají z pohledu provozovatele procesu složité a vyžadují mnohem více znalostí než PID regulátory.

A jaký je závěr? Moderní metody řízení jsou určitě velkým přínosem pro jednotlivá průmyslová odvětví. Nápříklad počty úspěšných aplikací MPC (Model Predictive Control, v drtivé většině lineární verze) po celém světě, zejména v chemickém a petrochemickém průmyslu, jdou nyní do tisíců (odpověď na Tvou původní otázku :-) a jejich počet se neustále zvyšuje (neuvádím reference, dá se docela snadno dohledat, např. chvilka klikání na stránkách Honeywellu). Je pravda, že aplikace APC v ČR jsou zatím spíše vzácností, nicméně si myslím, že se dá očekávat posun. O aplikaci jiných "moderních" metod než (n)MPC a mimo řízení procesů nemám bohužel přehled.

Myslím, že ale existuje i velký prostor pro přímou spolupráci "praxe" s universitami. Proč například není více případů přímé aplikace prototypových algoritmů moderních či jiných metod řízení přímo universitami? Znám například jednoho člověka (a určitě není sám :-), který se zabývá nMPC (nonlinear MPC) a je schopen své prototypové algoritmy docela úspěšně testovat v provozu, a to přímo z Matlabu ...

J.Pekar