A-0 Terminologija i osnovne definicije automatike

Pripremajući ovaj tekst primijetili smo veliko šarenilo hrvatskog nazivlja vezano uz osnovne pojmove vođenja. U rukama nam je zadnje izdanje udžbenika Zorana Vukića i Ljubomira Kuljače (Z.Vukić, Lj.Kuljača, Automatsko upravljanje – analiza linearnih sustava, Kigen 2005.) u kojemu pojam vođenje ne postoji, već se za sve ono što mi u ovom udžbeniku nazivamo regulacija koristi riječ upravljanje. Isto tako se drugačije interpretiraju i neki drugi pojmovi, dok smo se mi u ovom udžbeniku držali nazivlja prema Juraju Božičeviću postavljenom još u 1979. u 1. izdanju udžbenika Temelji automatike (J.Božičević, Temelji automatike, Školska knjiga, 8 izdanje, 1989). Ovaj  nam se pristup činio razložnijim, konzistentniji i više u duhu hrvatskog jezika. Prof.J.Božičević o istoj temi piše i u Glasniku hrvatske akademije tehničkih znanosti (J.Božičević – Rječnik: Vođenje i upravljanje, Glasnik hrvatske akademije tehničkih znanosti, Vol.8, br.1 2001.) pa upućujemo čitaoce i na ovaj tekst. U nastavku ćemo navesti neke osnovne pojmove iz automatike, zajedno s kratkim objašnjenjem i engleskim nazivom.

:: Vođenje  (eng. Control) – Djelovanje subjekta vođenja na objekt vođenja koje nastaje kao posljedica subjektovim nezadovoljstvom sa stanjem ili ponašanjem objekta vođenja.

:: Objekt vođenja  (eng. Plant, Controlled System) – Skup elemenata međusobno povezanih informacijskim, energetskim i/ili materijalnim tokovima koji se na neki način mogu izdvojiti iz svoga okružja (okoline) i na čije stanje ili ponašanje želimo utjecati s određenim ciljem (svrhom).

:: Subjekt vođenja  (eng. Control Person, Control Device) – Subjekt vođenja je osoba ili naprava koja definira ciljeve koji se trebaju postići vođenjem objekta vođenja. Ciljevi subjekta odgovaraju njegovim zahtjevima, subjekt vođenja želi postići da se objekt vođenja ponaša upravo onako kako njemu odgovara.

:: Sustav vođenja (eng. Control System) – Sustav vođenja se sustav kojeg čine objekt vođenja i subjekt vođenja, zajedno s potrebnim osjetilima (senzorima) preko kojih subjekt vođenja dobiva informaciju o djelovanju okoline na objekt vođenja i/ili djelovanju objekta vođenja na okolinu, izvršnim napravama (aktuatorima) preko kojih subjekt vođenja djeluje na objekt vođenja, te znanju o postupcima vođenja (algoritmi vođenja) i ciljevima koji se vođenjem žele postići. Unutar sustava vođenja razlikujemo četiri osnovne  varijable (vremenski promjenljive veličine):
- Vođene (ili izlazne) varijable (eng. Controlled Variables) su veličine na koje se u sustavu vođenja želi djelovati. To su obično veličine preko kojih objekt vođenja djeluje na svoju okolinu.
- Ulazne varijable (eng. Input Variables) su veličine preko kojih okolina djeluje na objekt vođenja.
- Upravljačke varijable ili varijable vođenja (eng. Control Effort) su veličine preko kojih subjekt vođenja (preko izvršnih sprava ili aktuatora) djeluje na stanje i/ili ponašanje objekta vođenja. Preko upravljačkih varijabli subjekt vođenja direktno djeluje na dio objekta vođenja preko kojeg se može utjecati na vođene (izlazne) varijable. Na primjer kod vođenja broda kapetan (ili auto-pilot) vodi brod po zadanom kursu tako da upravlja kormilom broda. Veličina preko kojih se vodi brod po zadanom kursu je zakret kormila.
- Varijable stanja (eng. State Variables) su unutrašnje veličine objekta vođenja preko kojih se u potpunosti može opisati stanje i/ili ponašanje objekta vođenja.

:: Jedinica za vođenje (eng. Controller) – Ukoliko je subjekt vođenja naprava tada je zovemo jedinica za vođenje. Jedinica za vođenje je izdvojeni dio sustava vođenja koji na temelju ulaznih informacija formira signal vođenja kojim se preko upravljačkih ulaza objekta vođenja djeluje na njega. Ponekad se u inženjerskom žargonu naziva i kontroler.

:: Automatsko vođenje (eng. Automatic Control) – Postupak vođenja bez direktnog prisustva čovjeka, subjekt vođenja je jedinica za vođenje. Sustav vođenja se tada naziva automatski sustav vođenja (eng. Automatic Control System) i čine ga objekt vođenja, jedinica za vođenje, osjetila (senzori), izvršne naprave (aktuatori), algoritmi vođenja i ciljevi vođenja.

:: Regulacija (eng. Regulation, Feedback Control, Closed-loop Control) – Vođenje po načelu povratne veze. Subjekt vodi objekt vođenja samo na temelju informacija o djelovanju objekta na okolinu.

:: Regulator (eng Regulator, Feedback Controller) – Izdvojeni dio sustava vođenja temeljenog na povratno vezi. Regulator je jedinica za vođenje sustava koji se vodi po načelu povratne veze.

:: Regulacijski sustav ili regulacijski krug (eng. Closed-loop Control System) – Sustav vođenja koji se sastoji od objekta vođenja, osjetila koje registrira djelovanje objekta na okolinu i pretvara u oblik razumljiv jedinici za vođenje, usporednika ili komparatora koji ove veličine uspoređuje sa željenim vrijednostima, jedinice za vođenje i aktuatora ili izvršne sprave koja signal vođenja pretvara u oblik kojim se može djelovati na objekt vođenja. Kod regulacijskog sustava cilj vođenja je da vođene (izlazne) varijable sustava što bolje prate unaprijed postavljene referentne (ciljne) varijable. Referentne (ciljne) varijable se na eng. obično zovu Control Variables ili Referent Input Variables. Referentne varijable se u usporedniku (komparatoru) uspoređuju s trenutnim vođenim (izlaznim) varijablama. Rezultat je pogreška (eng Error) na temelju koje jedinica za vođenje formira upravljački signal (signal vođenja). Da bi se vođenje po principu povratne veze moglo realizirati izlazne (vođene) varijable trebaju biti mjerljive, treba postojati osjetilo (senzor) koje ih može pretvoriti u veličinu pogodnu za usporedbu s referentnim varijablama. Zbog toga se često izlazne varijable osjetila nazivaju i mjerene vođene (izlazne) varijable (eng. Measured Controlled (Output) Variables). Mjerene vođene (izlazne) varijable su stvarne vođene (izlazne) varijable objekta vođenja transformirane osjetilom u oblik pogodan za usporedbu s referentnim (ulaznim) varijablama sustava.

:: Automatska regulacija (eng. Automatic Regulation, Automatic Feedback Control, Self-regulation) – Vođenje po načelu povratne veze bez prisustva čovjeka. Subjekt vođenja je naprava koju zovemo regulator. Razlikujemo automatsku stabilizaciju (eng. Automatic Stabilization) kod koje se izlazne veličine objekta vođenja nastoje održavati konstantnom i automatsko slijeđenje ili slijedno reguliranje (eng. Automatic Tracking, Autotrack) kod kojeg se nastoji što točnije slijediti zadani željeni slijed vremenskih promjena izlaznih veličina.

:: Unaprijedno vođenje (eng. Feedforward Control) - Vođenje po načelu unaprijedne veze. Subjekt vođenja vodi objekt vođenja samo na temelju informacija o djelovanju okoline na objekt. Ukoliko to radi jedinica za vođenje tada postupak nazivamo automatsko unaprijedno vođenje. U hrvatskom jeziku nema odgovarajućeg kratkog naziva za jedinicu za vođenje po principu unaprijedne veze (eng. Feedforward Controller) već se u najčešće krivo naziva unaprijedni regulator što je pogrešno. Regulator je jedinica za vođenje u sustavu povratne veze, pa bi značenje pojma unaprijedni regulator bilo jedinica za vođenje po principu unaprijedne i povratne veze, što bi se eventualno moglo pridružiti pojmu složeno vođenje koji objašnjavamo u nastavku. Kod vođenja po principu unaprijedne veze treba postojati osjetilo (senzor) koje registrira ulazne varijable objekta vođenja čije se djelovanje na vođene (izlazne) varijable nastoji ukloniti. Takve ulazne varijable se obično nazivaju mjerljive ulazne varijable ili mjerljivi poremećaji (eng. Measured Input Variables, Measured Disturbances). Cilj vođenja po načelu unaprijedne veze je spriječiti da mjerljivi poremećaji djeluju na vođene (izlazne) varijable objekta vođenja preko kojih on djeluje na svoju okolinu. Utjecaj nemjerljivih poremećaja se ne može ukloniti vođenjem po principu povratne veze, ali se može ukloniti vođenjem po načelu povratne veze, zato se često kombiniraju ova dva načela vođenja u složeno vođenje.

:: Složeno vođenje (eng. Composite Control) - Vođenje po načelu povratne i unaprijedne veze. Subjekt vodi objekt vođenja i na temelju informacija o djelovanju okoline na objekt i na temelju informacija o djelovanju objekta na okolinu. Ukoliko to radi jedinica za vođenje tada postupak nazivamo automatskovođenje po načelu unaprijedne i povratne veze. Također niti za eng. pojam Composite Controller koji bi odhovarao hrvatskom pojmu jedinica za vođenje po principu unaprijedne i povratne veze nema odgovarajući kratki naziv u hvatskom jeziku, osim možda unaprijedni regulator što smo komentirali vezano za unaprijedno vođenje.

:: Upravljanje (eng. Open-loop Control, Command Control) – Direktno djelovanje subjekta vođenja na upravljanje tokom tvari ili energije objekta vođenja. Upravljanje ne uključuje složene postupke usporedbe postignutog ponašanja objekta vođenja i željenog ponašanja objekta vođenje te postupke prikupljanja informacija o djelovanju okoline na objekt. Upravljanje je vođenje u otvorenoj petlji sustava vođenja. Pod pojmom upravljanja podrazumijevamo i direktno djelovanje subjekta vođenja na objekt vođenja  programom djelovanja ili rasporedom djelovanja kojim upravlja vremenska jedinica.

:: Upravljačka jedinica (eng. Command Module) – Izdvojeni dio upravljačkog sustava koji sadrži satni mehanizam i programsku spravu. Ponekad se zove programator, na primjer programator perilice za rublje.

Dakle vođenje obuhvaća sve postupke kod kojima subjekt vođenja može djelovati na objekt vođenja sa ciljem utjecanja na njegova stanja ili ponašanjem. Regulacija, unaprijedno vođenje i upravljanje su  posebni postupci vođenja. Razliku između regulacije s jedne strane i unaprijednog vođenja i upravljanja s druge strane, možemo objasniti i tako što je regulacija postupak vođenja kod kojeg dio koji se vodi (objekt vođenja) tijekom vođenja ima utjecaja na postupak vođenja (preko povratne veze), a unaprijedno vođenje i upravljanje su postupci vođenja kod kojega dio koji se vodi (objekt vođenja) tijekom vođenja nema utjecaja na postupak vođenja. Kod ovih postupaka subjekt vođenja tijekom vođenja nema nikakvo znanje o trenutnom stanju ili ponašanju objekta vođenja. Utjecaj objekta vođenja na postupak vođenja je prije samog vođenja, u fazi definiranja odgovarajućeg algoritma unaprijednog vođenja ili algoritma  upravljanja (programa programatora). Nakon toga subjekt vođenja nema više nikakve informacije o stanju i ponašanju objekta vođenja. Kako bi se doznalo kako je vođenje djelovalo na objekt vođenja i da li postignuti ciljevi vođenja potrebno je provesti nezavisnu analizu (na primjer provjeru da li je roba čista nakon postupka pranja u perilici rublja kojim je upravljao programator).

Razlika između unaprijednog vođenja i upravljanja je u tome što se kod unaprijednog vođenja subjekt vođenja (ili jedinica za vođenje) ima informacije o djelovanju okoline na objekt vođenja), a kod upravljanja nema. Signal vođenja kod unaprijednog vođenja ovisi o razini vanjskih utjecaja (poremećaja) na objekt vođenja i naravno algoritmu vođenja, a ne ovisi o vremenu. Ukoliko se razina vanjskih utjecaja ne mijenja, ne mijenja se niti signal vođenja.   Kod upravljanja situacija je potpuno drugačija. Signal vođenja ovisi o algoritmu vođenja i vremenu. Predefinirane vrijednosti signala vođenja primjenjuju se na objekt vođenja u unaprijed definiranom vremenskom slijedu.

U praksi najčešće imamo kombinaciju različitih načina vođenja. Na primjer kod prije spomenute perilice rublja, kao tipičnog primjera automatskog upravljanja, u pojedinim ciklusima odvijanja programa imamo i primjere regulacijskog djelovanja. Upravljačka jedinica u određenom trenutku vremena uključi grijač i privremeno se isključi sve dok temperatura vode u bubnju ne dosegne postavnu vrijednost.  Zagrijavanje vode do postavne vrijednosti je primjer regulacijskog djelovanja. Izlazna veličina – temperatura vode se uspoređuje sa postavnom temperaturom. Grijač je upaljen sve dok je stvarna temperatura manja od postavne. U trenutku njihovog izjednačavanja gasi se grijač, ponovo se uključuje upravljačka jedinica i ciklus pranja se nastavlja.

Vođenje odgovara engleskom pojmu 'control' U prije spomenutom članku J.Božičevića (J.Božičević – Rječnik: Vođenje i upravljanje, Glasnik hrvatske akademije tehničkih znanosti, Vol.8, br.1 2001.) spominje se i cijeli niz srodnih engleskih pojmova glagolu 'to control' (voditi) koji se u teoriji vođenja i znanosti o sustavima pažljivo razlikuju:

- to control voditi, čvrsto usmjeravati reguliranjem ili obuzdavanjem; često ima smisao potpune dominacije

- to conduct dirigirati; vladati; voditi, nadzirati uz pomoć nečijeg znanja, vještine djelovanja ili mudrosti

- to direct usmjeravati; upućivati; ukazivati, manje nadzirati pojedinosti, ali naglašavati pitanje općeg reda ili odnosa

- to manage voditi poslove, nadzirati uz osobno rukovanje svim pojedinostima

- to guide navoditi; usmjeravati; djelovati kao vodič, pokazivati put koji čini netko potpuno upoznat sa smjerom; uključuje njegovu stalnu nazočnost ili usmjeravanje tijekom puta (npr. navoditi raketu)

- to lead predvoditi/prednjačiti, ići naprijed u svrhu pokazivanja puta/načina i figurativno ukazivati, preuzimati inicijativu (voditi do slave)

- to steer kormilariti, upravljati, manevrirati pri vođenju stanovitog objekta da bi se održao pravi smjer/put

- to pilot pilotirati, voditi teškim putem, posebice s preprekama i zavojima; voditi zrakoplov
     - to command komandirati, naređivati, upravljati, izdavati naredbe o djelovanju bez obaziranja na stanje onoga kome se naredbe prenose.

Definirajmo još nekoliko osnovnih pojmova vezanih uz automatsko vođenje:

:: Automat (eng. Automaton, množina Automata) je tvorevina koja potpuno samostalno obavlja određeni zadatak.

:: Automatika (eng. Automatics, Control Engineering) je znanstvena i stručna grana tehnike koja se bavi izučavanjem, projektiranjem i izvedbom sustava automatskog vođenja, bez obzira o kojim se načinima vođenja radi. Automatiku je kao znanstvena granu Znanstveno vijeće za znanost u Pravilniku o znanstvenim i umjetničkim područjima, poljima i granama (NN 174/04) smjestilo u znanstveno polje 2.15. Druge temeljne tehničke znanosti, čime se htjelo naglasiti da je podjednako važna za cijeli niz znanstvenih polja znanstvenog područja tehničke znanosti, od kojih prvenstveno ističemo znanstvena polja 2.03. Elektrotehnika, 2.07. Kemijsko inženjerstvo, 2.09. Računarstvo, 2.11. Strojarstvo, 2.12. Tehnologiju prometa i transport, te 2.14. Zrakoplovnu, raketnu i svemirsku tehniku.

:: Automacija (eng. Automation) je postupak uvođenja automatskog vođenja u različite pogone i postrojenja, te na različite radne zadatke.

:: Kontinuirano vođenje (eng. Continous Control) – Vođenje kod kojeg su svi signali  kontinuirani.  

:: Diskretno vođenje (eng. Discrete Control) – Vođenje kod kojeg je bar jedan od signala diskretiziran po vremenu.

:: Digitalno vođenje (eng.Digital Control) – Vođenje kod kojeg su diskretni signali i digitalizirani, pretvoreni u binarni oblik, te se kao jedinica za vođenje koristi digitalno računalo. Ponekad se i naziva vođenje pomoću računala (eng. Computer Control).

:: Linearno vođenje (eng.Linear Control) – Vođenje temeljeno na lineariziranim modelima svih dijelova sustava vođenja. Temelji se na matematičkom opisu sustava linearnim diferencijalnim jednadžbama kod kontinuiranog, odnosno linearnim jednadžbama diferencija kod diskretnih sustava.

:: Nelinearno vođenje (eng. Nonlinear Control) – Vođenje kod kojega bar jedna od komponenata sustava vođenja nelinearna, pa se više ne može opisati linearnim diferencijalnim jednadžbama ili linearnim jednadžbama diferencija. Svi realni sustavi su nelinearni. Posebno mjesto kod nelinearnih sustava vođenja ima vođenje u prisustvu ograničenja (eng. Constrained Control) koje se nastoji približiti realnosti i uzeti u obzir ograničenja vrijednosti  koje varijable u sustavu mogu poprimiti. Na primjer objekt vođenja je spremnik iz primjera B1 (Spremnik kao objekt vođenja primjer_1.htm) u kojem trebamo održavati konstantnu razinu tekućine. Sve varijable sustava imaju svoja ograničenja – ulazni tok, razina, izlazni tok. Njihove se vrijednosti mogu kretati samo između nule i neke maksimalne vrijednosti. Vođenje u prisustvu ograničenja se bavi upravo takvim zadacima vođenja.

:: Optimalno vođenje (eng. Optimal Control) – Postupak vođenja kod kojeg se nastoji minimizirati razlika između postavljenih ciljeva vođenja i ostvarenih rezultata vođenja. Kod optimalnog vođenja nastoji se minimizirati  pokazatelj (ideks) kvalite vođenja (eng. Cost Functional) koji u sebi sadrži i mjeru dinamičke točnosti (dinamičku pogrešku) i mjeru ekonomičnosti postupka vođenja.

:: Prilagodljivo vođenje ili adaptivno vođenje (eng. Adaptive Control) – Vođenje kod kojeg se postupak vođenja prilagođava promjenama objekta vođenja.

:: Robustno vođenje (eng. Robust Control) – Pri projektiranju postupka vođenja (algoritma vođenja) uvijek postoji razlika između modela na temelju kojeg projektiramo vođenje i stvarnog ponašanja sustava, a isto tako tijekom vremena može doći do znatnog odstupanja parametara sustava od onih na temelju kojih smo projektirali vođenja. Robustno vođenje se bavi projektiranjem vođenja koje bi i u takvim slučajevima davalo zadovoljavajuće rezultate. 

:: Distribuirano vođenje (eng. Distributed Control) – Vođenje kod kojeg su pojedini zadaci vođenja raspodijeljeni (distribuirani) između različitih jedinica za vođenje. Kod dislociranog vođenja (eng. Dislocated Control) pojedini dijelovi sustava vođenja su i prostorno razdvojeni.

:: Inteligentno vođenje (eng. Intelligent Control) – Vođenje kod kojeg se nastoji oponašati ponašanje čovjeka pri vođenju. Temelji se na postupcima umjetne inteligencije (eng. AI – Artificial Intelligence) i računske inteligencije (eng. CI – Computational Intelligence).

:: Vođenje pomoću računala (eng. Computer Control) – Vođenje kod kojeg je jedinica za vođenje digitalno računalo (komjuter). Digitalno vođenje koje izučavamo u ovom udžbeniku se u većini slučajeva realizira uz pomoć računala, pa je digitalno vođenje u biti  u vođenje pomoću računala.

I na kraju dotaknimo se još pojma objekt vođenja. Sustave koje vodimo i koje nazivamo objekti vođenja možemo podijeliti u dvije temeljne grupe. Prva grupa čine procesi a druga objekti u gibanju ili pokretni objekti. Vođeni objekti u gibanju se ponekad nazivaju samo objekti vođenja što može stvoriti nesporazum, s obzirom da smo mi pod pojmom objekti vođenja smatramo i procese i objekte u gibanju.

:: Procesi (eng. Processes) su radni i proizvodni postupci kojima se služimo pri preradi tvari, pri proizvodnji i pretvorbi energije te pri obradi, prometvorbi i prijenosu materije. Tipični procesi su procesi mljevenja, miješanja, sušenja, valjanja, prijenosa i pohrane fluida, prijenosa i pohrane toplinske energije itd. Dijelimo ih u tri grupe: procese prijenosa (eng. Transportation), procese prijelaza (eng. Transfer) i procese pretvorbe (eng. Transformation). Procesi se odvijaju u procesnom uređaju (mlinu, sušari, valjačkom stanu …) ali je važno zapamtiti da se vodi proces, a procesni uređaj. Ukoliko je čovjek jedinica za vođenje onda on vodi proces, a upravlja procesnim uređajem – čovjek vodi proces mljevenja, a upravlja mlinom.

:: Objekti u gibanju ili pokretni objekti (eng. Objects, Moving Objects) su posebna grupa procesa vezanih uz svrhovito gibanje cijelog objekta ili samo jednog njegovog dijela. Tipični primjeri su gibanje alata u alatnim strojevima, gibanje hvataljke industrijskog manipulatora, gibanje broda, automobila ili zrakoplova. Ukoliko se cijeli objekt giba obično govorimo o vozilima  (eng. Vehicles), kopnenim, vodenim, zračnim ili svemirskim. Kod vođenja objekta u gibanju vodi se baš taj dio koji se giba ili ukoliko se giba cijeli objekt onda se vodi  on sam. Govorimo o vođenju hvataljke manipulatora ili o vođenju broda. Pri tome se hvataljka manipulatora svrhovito giba tako da se smišljeno djeluje na motore u zglobovima manipulatora, a brod se svrhovito giba ukoliko se smišljeno djeluje na njegov porivni stroj i kormilo. Ukoliko je čovjek jedinica za vođenje onda on vodi objekt u gibanju, a upravlja njegovim dijelom koji ima utjecaja na gibanje objekta – čovjek vodi brod, a upravlja kormilom. Pojam vezan uz vođenje objekata u gibanju je i navođenje (eng. Guide), na primjer navođeni projektil (eng. Guided Missile).  Kod vođenja objekata u gibanju pomoću povratne veze uobičajeno je da se takav regulacijski sustav naziva servosustav ili servokrug (eng. Servo System) , a zadatak vođenja se zove servozadatak (eng. Servo System Control).

U slijedećem poglavlju prisjećamo se osnovnih definicija matrične algebre.