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.
Volba regulátoru PID nebo
Volba regulátoru PID nebo PhD.
Vážení kolegové, otevřeli jste vskutku vážné a aktuální téma. Dovolte, abych jako pamětník více než 50ti- leté historie oboru automatizace uvedl pár poznámek.
Řízení dynamických systémů- neboť o tuto část jinak velmi širokého oboru jde- tvořilo páteř našeho oboru (ať už se jmenoval Technická kybernetika, ASŘ, Automatizace a měření či jakkoliv jinak) zhruba v letech 1955- 1990. Paradoxně s nástupem mikroprocesorového HW, který je podmínkou praktické realizace všech sofistikovanějších algoritmů nad PID, podíl této „vědy“ na celkovém profilu oboru se zmenšil. Vidím dva důvody: objem neprozkoumané teorie se zúžil (bylo a je stále obtížnější nacházet zde vhodná témata PhD prací) a do časově omezeného limitu inženýrské výuky (tehdy ještě 5ti leté) bylo potřeba dostat nové předměty (HW i SW již zmíněných procesorů, databáze, průmyslové sítě, posléze umělou inteligenci, atd.). V souladu s vývojem výpočetních prostředků (jmenovitě MATLAB a SIMULINK) se z desítek metod návrhu řídících algoritmů udržely jen ty prakticky použitelné a počítačově podporovatelné. Dnes skutečně řada lidí bez hlubší znalosti teorie dynamických systémů (viz citovaný příklad studentů chemie či přednosty kliniky) je schopna aplikovat PID algoritmus. Je totiž natolik robustní, že to většinou „nějak“ funguje. Jak jinak si vysvětlit výsledek známé analýzy Astromova týmu z konce minulého století, který konstatuje, že velká většina PID regulátorů v praxi (už si nepamatuji jestli to bylo 90 nebo 95%) je buď nefunkční nebo zcela špatně seřízených. Lidově- fušuje do toho kde kdo. Možná jsem trochu zaujatý, protože mám v bytě topení s regulátorem Junkers-CERA control, u kterého si mohu vybrat v jakém jazyce z asi 8 nabízených se mnou bude komunikovat, mohu nastavit několik teplotních pásem v průběhu dne, jiné hodnoty na každý den v týdnu a speciální režimy v době svátků, dovolené apod. Vlastní regulace je ale neuvěřitelně špatná (klidně topí i když je teplota o 3 stupně vyšší než nastavená hodnota). Prostě dělal to programátor, který ovládal kde co, jen ne zpětnovazební regulaci byť ve velmi triviální formě. Jestli si někdo pamatujete na rtuťová „prasátka“ z výroby ZPA Trutnov- neboli reléovou regulaci s tzv.tepelnou smyčkou malé zpětné vazby- tak to bylo v tomto ohledu o dvě třídy lepší.
Celá věc se ještě zkomplikovala zavedením bakalářského studia (Boloňská deklarace). Nedostatek času spolu s maximalizací počtu studentů (důsledek mechanismu rozdělování financí podle počtu studentů) vede v lepším případě k bezhlavému používání různých toolboxů, aniž by studenti věděli s jakými metodami se pracuje. Počítačové výsledky jsou nekriticky přijímány (vždyť to vyšlo z počítače) aniž si řešitel uvědomí, že hned na začátku nesplnil předepsané podmínky (popisy metod nikdo nečte) a tudíž výsledky nejsou adekvátní.
Místo alespoň krátké myšlenkové analýzy proč jsou výsledky špatné, opakované zkoušení co to udělá, když se změní ten či onen koeficient (metoda „try and error“ ). Je to pohodlnější.
Problém co, jak a v kterém stadiu studijních programů- bakalářských i magisterských- učit, považuji za velmi naléhavý. Bakalářské programy se tvořily poměrně rychle a je pochopitelné, že nejsou optimální.
Pokud jde o vyhledávání praktických aplikací, u kterých je vhodné použít něco „nad PID“, úspěšný bude nejspíš ten, kdo má za sebou pár let průmyslové praxe a široké „mezioborové“ zázemí.
A jeden citát nakonec: Ing. M.Pacák (učil na konci padesátých let na ČVUT-FEL elektroniku a na rozdíl od světově známého teoretika prof.Stránského mu bylo rozumět) na poznámku jednoho tehdejšího studenta o výhodách použití metody „selského rozumu“ pravil „ První a nejcennější výsledek metody selského rozumu spočívá ve zjištění, že selským rozumem na všechno nepřijdete“.