Kybernetika

1. Kybernetika Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM

3. Kybernetika Náplň výuky Kybernetika Vznik Vývoj Definice Formy řízení Automatizace

4. Kybernetika je věda, zabývající se řízením. Řízení je jakýkoli způsob dosažení požadovaného stavu či chování řízeného objektu, nebo zavádění vstupních informací do soustavy za účelem dosažení požadovaného výstupního stavu. Kybernetika – je řecké slovo – kybernétes = kormidelník. Jako první ve starověkém Řecku použil Platón jako nauku o řízení lodi. Francouzský fyzik A. M. Ampére ji při třídění zařadil do přehledu společenských věd jako nauku o řízení společnosti. Největší význam tomuto oboru dal americký profesor Norbert Wiener. Roku 1948 takto nazval vědní obor o řízení a přenosu informací ve strojích a jiných organizmech. Jeho závěry vycházely z období války. Problémy, spojené s výpočtem možných pohybů letadel a nastavení palebných prvků protiletadlového děla, vedly ke zjištění řady shodných rysů v chování řídících systémů a práci lidského mozku. Kybernetika

5. Kybernetika – zabývá analýzou zdroje informace, přenosem, transformací, zpracováním informace. Zajímá se pouze o takové vztahy, které nastávají mezi prvky systému a vztahy mezi systémem a okolím, které mají informační obsah. Ústředním pojmem kybernetiky je informace. Informací rozumíme soubor zpráv, tj. sdělení nebo dat, jejichž obdržení snižuje počáteční neznalost stavu systému. Pro teorii řízení mají největší význam informační vazby, kterými prvky předávají informaci dalším prvkům ve směru orientace strukturou. Zdrojem informace o stavu prvku jsou nejčastěji měřící (snímací) prvky. Získaná informace se formou zprávy zavádí do vysílače, kde se kóduje pro přenos. Od přijímače po dekódování jde zpráva k příjemci informace – vstup do regulátoru, počítače, atd. Ve spojovacím vedení působí na přenášenou informaci poruchy, proto má přijímač zařízení k filtraci užitečné informace. Kybernetika

6. Systémem je soubor členů, mezi kterými jsou definovány vztahy, neboli vazby. V technické kybernetice můžeme systém definovat jako soubor určitých členů, z nichž každý má jistou, přesně definovanou jednoduchou funkci. Z těchto členů lze sestavovat různě rozsáhlé obvody, které splňují požadované funkce. Kybernetika Obr. 1: Tok informace

7. Strukturu systému nejlépe znázorňujeme orientovaným grafem – tzv. blokovým schématem. Každému vztahu odpovídá jeden blok. Orientovanými spojnicemi mezi těmito bloky je vyjádřena vstupní a výstupní úloha jednotlivých veličin v blocích. Sestavení blokového schématu je tedy nalezení cesty přenosu informace systémem, nalezení míst a způsobu jejich transformace. Blokové schéma měřícího obvodu s funkcí Kybernetika Obr. 2: Blokové schéma měřícího obvodu

8. Podle druhů podnětů, reakcí a vztahů lze kybernetické systémy roztřídit na: • analogové • číslicové • Podle způsobu, jakým jsou vstupní informace nebo signály transformovány na výstup lze kybernetické systémy třídit na: • sdělovací, funkcí je pouhé přenesení signálu • paměťové, funkcí je uchování signálu • dekodéry, uplatňují se jako transformátory kódu • řídicí, uplatňují se v procesu řízení Kybernetika Obr. 3: Rozdělení kybernetiky

9. Řízení – cílené působení na řízený objekt tak, aby se dosáhlo určitého předepsaného cíle. Podle toho, jak řízení provádíme, rozlišujeme řízení ruční a automatické. Typickým příkladem je řízení letadla člověkem a autopilotem. U automatického řízení rozlišujeme přímé řízení, u kterého řídicí proces probíhá bez přívodu energie (regulace výšky hladiny odvozená od síly plováku) a nepřímé řízení s přívodem energie, což je dnes běžné a bude v dalším rozváděno. Důležitým hlediskem pro dělení řízení je zda výsledek řízení je anebo není zpětně kontrolován, zda je či není zpětná vazba při řízení. Podle toho rozlišujeme ovládání, regulaci a vyšší formy řízení Kybernetika Obr. 4: Rozdělení řízení

10. Vyšší formy řízení: • optimální řízení je takové, kdy systém dosáhne požadovaných vlastností např. při minimu vynaložené energie, tedy s maximální účinností, nebo naopak v nejkratším čase. Systém je přitom schopen vyhledat nejvýhodnější působení a dosáhnout tak co nejlepšího chování celého systému v daných omezujících podmínkách. • adaptivní řízení je takové, kdy systém je schopen měnit svou strukturu tedy i své parametry tak, aby proces řízení probíhal stále optimálně, a to i při změnách parametrů řízeného objektu. Jestliže je adaptivní systém schopen ukládat přijaté informace do paměti a později v téže nebo podobné situaci znovu využívat získaných zkušeností, lze jej nazvat učícím systémem a proces řízení tohoto systému je učení. • nejvyšším stupněm řízení je řízení systémy s umělou inteligencí. • umělá inteligence je vlastnost uměle vytvořeného systému, který má schopnost rozpoznávat předměty, jevy, analyzovat vztahy mezi nimi a tak si vytvářet modely okolí, dělat účelná rozhodnutí a předvídat jejich důsledky, řešit problémy včetně objevování nových zákonitostí a zdokonalování své činnosti. Kybernetika

11. Ovládání je řízení bez zpětné kontroly – bez zpětné vazby regulace je řízení se zpětnou vazbou. Regulace je udržování určité fyzikální veličiny na konstantní hodnotě nebo jinak podle nějakého pravidla se měnící hodnotě. Během regulace se zjišťují hodnoty této veličiny a srovnávají se s hodnotou, kterou má mít. Podle zjištěných odchylek se zasahuje do regulačního procesu v tom smyslu, aby se odchylky odstranily Kybernetika Obr. 5: Rozdíl mezi oběma druhy řízení – ovládáním a regulací

12. Automatické řízení lze technicky uskutečnit několika způsoby, které se podstatně liší principem působení řídicího systému na řízený systém. Z tohoto hlediska rozdělujeme automatické řízení: • Logické řízení využívá k řízení dvouhodnotových veličin. Jejich působení je takové, že jsou vždy jen dvě možnosti – ventil je otevřen/zavřen, vypínač je sepnut/vypnut, atd. Podobně i informace o stavu objektu jsou dvouhodnotové veličiny – hladina je nad / pod minimální hod-notou, teplota je nad / pod 18°C, atd. Dvouhodnotové veličiny jsou formálně vyjadřovány hodnotami 0 a 1. Jsou analogické s proměnnými výrokové logiky, a proto jsou vztahy mezi proměnnými nazývány logické funkce a řídicí obvody pracující na tomto principu jsou logické řídicí obvody Kybernetika

13. Spojité řízení je tam, kde jak akční zásah je spojitě nastavován, tak i údaje o řízeném systému jsou měřeny jako veličiny spojitě proměnné v čase. Spojitý řídicí systém vytváří (na rozdíl od diskrétního systému) nepřetržitou vazbu mezi vstupy a výstupy. Všechny veličiny spojitého systému jsou spojitě proměnné v čase, žádná z nich není ani dvouhodnotová ani diskrétní. • Diskrétní řízení je dnes důsledkem nasazení počítačů jako regulátorů i když jeho počátky byly při řízení spojitých systémů, diskrétně měřených (řízení polohy letadla, měřené radiolokátorem). U řídicích počítačů, které ani nedovedou zpracovávat spojitý signál, je nutný spojitý signál převádět na diskrétní. Diskrétní řídicí systém vytváří vztah mezi vstupy a výstupy jako vztah mezi posloupnostmi impulsů, snímaných v časovém sledu daném tzv. vzorkovací periodou. Mezi okamžiky vzorkování není regulovaná veličina měřena a ani akční veličina není upravována. Tato vzorkovací perioda je tím kratší, čím rychlejší je řízený proces. Zatímco spojité řízení je v dnešní době spíše na ústupu, můžeme realizovat logické a diskrétní řízení na jednom a tomtéž programovatelném automatu. Kybernetika

14. Fuzzy řízení není základem řízený systém a jeho model, ale pozornost je zaměřena na člověka (tzv. experta), který umí systém řídit, ale přitom nemá pojem o klasickém matematickém modelu řízeného systému. Takový člověk pak soustavu řídí na základě pravidel typu „jestliže hladina klesá, otevři trochu přívod vody“. • Fuzzy regulátor musí nejprve přiřadit zvoleným vstupním veličinám jazykovou hodnotu. To se provede nejlépe pomocí tzv. funkce příslušnosti – bývají voleny obvykle ve tvaru lichoběžníka či trojúhelníka. Tato etapa je označována jako fuzzifikace. • Toto řízení je vhodné pro řízení systémů, které nedovedeme popsat, ale které dovedeme řídit. Je možné určit hodnotu výstupu, aniž známe vzorce mezi vstupem a výstupem Kybernetika

15. Automatizace • • problém rozhodování o účelnosti automatizace v dané oblasti • • řešení technické záležitosti automatizace • • řešení použitých technických prostředků automatizace • • nasazení počítačů a otázky programového vybavení těchto počítačů • • sociální a ekonomické aspekty automatizace • • působení automatizace na životní prostředí, atd. Kybernetika

16. Kontrolní otázky: • Co je kybernetika? • Akční veličina se tedy nemění spojitě počtu hodnot • Je věda, zabývající se řízením. • Regulace, při níž se regulovaná veličina mění v závislosti na jiné vnější fyzikální veličině. • Strukturu systému nejlépe znázorňujeme orientovaným grafem – tzv. blokovým schématem? • Sestavení blokového schématu je tedy nalezení cesty přenosu informace systémem • V technické kybernetice můžeme systém definovat jako soubor určitých členů, z nichž každý má jistou, přesně definovanou veličinu • Systém je pak schopen vyhledat nejvýhodnější působení • 3. Čím je charakteristické logické řízení? • Neplatí žádné pravidla • Zkrácení doby náběhu • využívá k řízení dvouhodnotových veličin. Jejich působení je takové, že jsou vždy jen dvě možnosti – ventil je otevřen/zavřen, vypínač je sepnut/vypnut, atd.

17. Kontrolní otázky – řešení • Co je kybernetika? • Akční veličina se tedy nemění spojitě počtu hodnot • Je věda, zabývající se řízením. • Regulace, při níž se regulovaná veličina mění v závislosti na jiné vnější fyzikální veličině. • Strukturu systému nejlépe znázorňujeme orientovaným grafem – tzv. blokovým schématem? • Sestavení blokového schématu je tedy nalezení cesty přenosu informace systémem • V technické kybernetice můžeme systém definovat jako soubor určitých členů, z nichž každý má jistou, přesně definovanou veličinu • Systém je pak schopen vyhledat nejvýhodnější působení • 3. Čím je charakteristické logické řízení? • Neplatí žádné pravidla • Zkrácení doby náběhu • využívá k řízení dvouhodnotových veličin. Jejich působení je takové, že jsou vždy jen dvě možnosti – ventil je otevřen/zavřen, vypínač je sepnut/vypnut, atd.

18. Seznam obrázků: Obr. 1: blokové schéma [online]. [vid. 2.8.2013]. Dostupný na WWW: http://www.hw.cz/files/images/ Obr. 2: číslicová technika [online]. [vid. 2.8.2013]. Dostupný na WWW: http://izm.euweb.cz/cislicova_technika_1.pdf Obr. 3: SVARC. Základy automatizace [online]. [vid. 14.7.2013]. Dostupný na WWW: http://autnt.fme.vutbr.cz/svarc/ZakladyAutomatizace.pdf Obr. 4:SVARC. Základy automatizace [online]. [vid. 14.7.2013]. Dostupný na WWW: http://autnt.fme.vutbr.cz/svarc/ZakladyAutomatizace.pdf Obr. 5: SVARC. Základy automatizace [online]. [vid. 14.7.2013]. Dostupný na WWW: http://autnt.fme.vutbr.cz/svarc/ZakladyAutomatizace.pdf

19. Seznam použité literatury: [1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupný z: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf [2] SVARC. Základy automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupný nz: http://autnt.fme.vutbr.cz/svarc/ZakladyAutomatizace.pdf [3] NĚMEC, Z., Prostředky automatického řízení (Elektrické) Skripta VUT Brno 2002

20. Děkuji za pozornost 