Aktuální vydání

celé číslo

07

2020

Řízení distribučních soustav a chytrá města

Měření a monitorování prostředí v budovách a venkovním prostředí

celé číslo

Interaktivní internetová laboratoř automatického řízení

Automa 12/2001

doc. Ing. Milan Hofreiter, CSc. (hofreite@fsid.cvut.cz),
Bc. Petr Zahradník, Ústav přístrojové a řídicí techniky ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Interaktivní internetová laboratoř automatického řízení

Článek seznamuje s možnostmi volně přístupné interaktivní internetové laboratoře automatického řízení, která vznikla na Strojní fakultě ČVUT v Praze v Ústavu přístrojové a řídicí techniky pro potřeby teoretické i praktické výuky předmětu Automatické řízení.

1. Úvod

S prudkým vývojem výpočetní techniky se v posledních letech objevilo mnoho nových programových prostředků pro počítačové modelování okolního i virtuálního prostředí, které s rozvojem celosvětové sítě Internet poskytují zcela nové možnosti v pojetí pedagogického procesu. Ve výuce se ve stále větší míře uplatňují elektronické podoby podkladů pro přednášky a cvičení, neboť mají, v porovnání s dosavadními formami, větší informační obsah (obrázky, interaktivní úlohy, animace, hypertextové odkazy) a lze je snadno a velmi rychle aktualizovat v reálném čase.

Obr. 1.

V Ústavu přístrojové a řídicí techniky je postupně budována interaktivní internetová laboratoř automatického řízení pro všechny studenty Strojní fakulty ČVUT v Praze. Tato laboratoř obsahuje virtuální modely laboratorních úloh, které jsou současně umístěny v reálné laboratoři. Všichni zájemci (nejenom studenti) s přístupem na internet si tak mohou za pomoci běžného internetového prohlížeče webových stránek a ve volném čase vhodném pro ně (často i ve svém domácím prostředí) simulovat experimenty z oblasti logického, analogového a číslicového řízení, které je také možné ověřit v reálné laboratoři automatického řízení.

Interaktivní internetová laboratoř umožňuje návštěvníkům navrhovat, testovat a zobrazovat chování jednoduchých logických obvodů, zkoumat statické a dynamické vlastnosti soustav i uzavřených regulačních obvodů, analyzovat chování různých typů regulátorů při změnách jejich parametrů a ve spojení s různými druhy soustav. Je také možné předem nastavit časové průběhy jednotlivých vstupních veličin a zobrazovat chování simulovaných systémů.

2. Popis interaktivní laboratoře

Základem internetové laboratoře jsou návody k řešení reálných laboratorních úloh. Všechny návody mají pro přehlednost a snadnější orientaci studentů jednotný vzhled a každý obsahuje:

  • název úlohy,
  • schéma úlohy,
  • barevnou fotografii a popř. i videosekvenci zobrazující chování reálné úlohy,
  • popis úlohy,
  • seznam měřicích úloh k vyřešení,
  • poznámky k řešení,
  • vizuální simulaci,
  • odkaz na literaturu.

Jak je uvedeno, nedílnou součástí každého návodu je vizuální simulace měřené laboratorní úlohy. Je to celkem dvanáct modelů s tímto zavedeným označením:

  • manipulační linka,
  • kolejiště,
  • dávkování kapaliny,
  • nádoba s vodou,
  • kulička na tyči,
  • tři spojené nádoby,
  • vodní levitace,
  • vzdušník,
  • batyskaf,
  • kulička na desce,
  • vozík na dopravníku,
  • tepelná komora.

Zbytek internetových stránek tvoří tzv. podpůrné stránky, které obsahují další výukové materiály, metodiku zpracování experimentálních úloh, popisy přístrojů, aktuální informace týkající se provozu laboratoře atd.

Úkoly, které jsou stanoveny v návodech, je možné řešit v reálné i virtuální laboratoři.

3. Realizace laboratoře

Stránky laboratoře jsou napsány v jazyce HTML 4.0. Vzhledem k tomu, že starší verze jazyka HTML jsou kompatibilní s jeho novějšími verzemi, lze interaktivní internetovou laboratoř prohlížet s použitím téměř libovolného prohlížeče. Hypertextové odkazy v textu napomáhají k detailnějšímu vysvětlení uváděných pojmů, popř. odkazují na studijní materiály.

K zobrazení a simulaci chování laboratorních modelů byly vytvořeny tři programy v jazyce Java, tzv. aplety, konfigurovatelné pomocí parametrů v těle stránky, do které jsou vloženy.

První aplet dovoluje vytvořit požadovaný logický obvod a simulovat chování reálné laboratorní úlohy s navrženým logickým řízením.

Druhý aplet je určen k zobrazení a  simulaci chování laboratorních modelů s analogovým a popř. i číslicovým řízením. Umožňuje uživateli zvolit regulátor, nastavit jeho parametry (popř. i zvolit parametry regulované soustavy) a sledovat simulované chování uzavřeného regulačního obvodu v závislosti na zvoleném průběhu poruchové a řídicí veličiny. Při rozpojeném obvodu lze sledovat chování samotné soustavy v závislosti na zvoleném průběhu akční a poruchové veličiny. Stejné rozmístění jednotlivých informačních i ovládacích prvků (obr. 1) u všech virtuálních systémů výrazným způsobem usnadňuje sledování a ovládání uskutečňovaného experimentu.

Třetí z nabízených apletů simuluje a zobrazuje chování vybraného systému při zvoleném harmonickém vstupním signálu a současně vykresluje časové průběhy vstupního a výstupního signálu a znázorňuje tzv. Lissajousovy křivky.

Pro správnou funkci vizuálních simulací je nutný prohlížeč, který aplety správně interpretuje. Pro operační systémy Windows jsou takovými prohlížeči např. současné verze prohlížeče Microsoft Internet Explorer, popř. Opera, Netscape Navigator nebo Mozilla, které jsou současně k dispozici i ve verzi pro Linux, ale samozřejmě lze použít i mnoho dalších prohlížečů. K ověření vhodnosti použitého internetového prohlížeče existuje v podpůrných stránkách interaktivní laboratoře též testovací stránka, která analyzuje použitý prohlížeč a upozorní na jeho případné chybějící funkce.

4. Závěr

Koncepce řešení umožňuje využívat interaktivní laboratoř pro prezenční i distanční studium. Přístup k laboratoři není z principu omezen pouze na studenty vysokých a popř. středních škol, ale lze ji využívat i v rámci různých školení apod., neboť s její pomocí je možné snadno vysvětlit a demonstrovat některé partie z oboru automatického řízení.

Interaktivní laboratoř znamená kvantitativní i kvalitativní změnu ve výukových prostředcích, zvyšující efektivitu pedagogického procesu.

Přestože interaktivní laboratoř do určité míry napomáhá studentům zkusit si některé dovednosti a získat určité zkušenosti z praxe, nelze její možnosti přeceňovat. Stále platí, že zkušenosti získané v praxi na reálném zařízení jsou nenahraditelné. Pomocí interaktivní laboratoře je však možné alespoň částečně řešit např. problémy související s nárůstem počtu studentů a omezeným objemem finančních prostředků na modernizaci a provoz reálných laboratoří. Interaktivní laboratoř nabízí uživatelům možnost:

  • uskutečňovat experimenty z oblasti automatického řízení ve svém volném čase,
  • předem se připravit na praktická cvičení a zkrátit čas potřebný pro uskutečnění experimentu v reálné laboratoři,
  • objasnit si probíranou látku z oblasti automatického řízení,
  • obdržet výsledky experimentů rychleji než v reálné laboratoři,
  • vykonávat experimenty nepřípustné v reálné laboratoři,
  • současně ji může používat libovolný počet studentů v kteroukoli denní dobu a téměř z libovolného místa na světě.

Virtuální laboratoř je průběžně inovována v souladu se změnami v reálné laboratoři automatického řízení a postupně rozšiřována tak, aby byla přínosem co nejširšímu okruhu zájemců. Aby mohli laboratoř používat i zahraniční zájemci, je v současné době již k dispozici i anglická verze tohoto interaktivního prostředku.

Webové stránky laboratoře popsané v článku jsou umístěny na internetové adrese: http://www.fsid.cvut.cz/cz/U210/AR