Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Recenze: Teorie a praxe návrhu regulačních obvodů

číslo 10/2005

Recenze: Teorie a praxe návrhu regulačních obvodů

Šulc, B. – Vítečková, M.: Teorie a praxe návrhu regulačních obvodů. Praha, Vydavatelství ČVUT, 2004, 333 stran, 187 obrázků, brožované, ISBN 80-01-03007-5, náklad 600 ks, cena 310 Kč.

Po překvapivě dlouhé době se na českém knižním trhu objevila souhrnná publikace zaměřená na teorii, návrh a realizaci regulačních obvodů. Úkolu vyplnit dosavadní mezeru se úspěšně zhostila dvojice renomovaných autorů, zkušených vysokoškolských pedagogů z kateder automatizační techniky a řízení: doc. Ing. Bohumil Šulc, CSc., z Fakulty strojní ČVUT v Praze a doc. Ing. Miluše Vítečková, CSc., z Fakulty strojní VŠB-TU Ostrava. Jejich publikace propracovaná do detailů podrobně popisuje jak konvenční lineární analogové i číslicové regulátory, jejich strukturu, funkci, použití a seřizování, tak i nové přístupy založené na stavové teorii. Původně navrhované a připravované kapitoly, které by se věnovaly dalším progresivním přístupům založeným např. na fuzzy množinách a neuronových sítích, nebylo, podle sdělení autorů, možné zařadit. Již samotné podrobné zpracování přístupů založených na lineární teorii totiž přineslo výrazné překročení vydavatelem původně stanoveného rozsahu publikace. Významným přínosem knihy přitom je jak srozumitelnost a obecnost tematicky ucelené teorie (vykládané s citem pro únosnou mírů podrobností), na něž je kladen důraz, tak zejména použitelnost všech uváděných vztahů a závěrů v praxi. Náročná a obsáhlá problematika je podána matematicky korektní formou a přitom názorně a přehledně. Ke srozumitelnosti výkladu výrazně přispívají uvedené plně řešené příklady, výstižně ilustrované mnoha pečlivě zpracovanými názornými obrázky. Uváděné časové průběhy veličin regulačních procesů byly získány převážně při simulačních experimentech realizovaných v systému Matlab/Simulink. Kniha je rozvržena do osmi kapitol.

Poměrně rozsáhlá první kapitola obsahuje základní informace o vývoji, funkci a matematickém popisu regulačního obvodu. Po úvodním historickém přehledu následuje základní terminologie regulačního obvodu, včetně strukturálního pohledu na jeho syntézu. Upozorňuje na rozdíly v typech signálů číslicového a analogového regulačního obvodu a na jejich matematické i technické interpretace. V části věnované matematickým prostředkům pro lineární popis regulačního obvodu a jeho částí se zabývá různými formami popisu spojité části obvodu, včetně obrazové formy vnějšího popisu a vektorově-maticového zápisu pro popis vnitřních formulací s přechodem k formulacím v diskrétním čase. Účelně je zpracována i část o identifikacích a aproximacích nejrůznějších typů regulovaných soustav (včetně tabulek náhrad složitějších přenosů jednoduššími).

Ve druhé kapitole jsou specifikovány některé charakteristické rysy standardních PID regulátorů (cíl regulace, základní typy a regulační funkce regulátorů P, I a D a jejich kombinací, regulátory se dvěma stupni volnosti). Důležité jsou partie popisující různé alternativy vytváření diskrétních náhrad spojitých PID regulátorů (polohový a přírůstkový algoritmus, shody a rozdíly mezi analogovou a číslicovou regulací, regulátory se dvěma stupni volnosti a filtrace).

Kapitola třetí, s názvem Doplňky PID funkce, požadované od regulátorů při použití v praxi, se zabývá zejména beznárazovým přepínáním režimů ručně – automaticky v analogové a číslicové realizaci a také jevem tzv. wind-up a technikami používanými k jeho potlačení (antiwind-up). Závěrem jsou rozbírány další typické požadavky praxe na číslicové verze PID regulátorů (potlačení důsledků skokových změn žádané hodnoty, potlačení šumu v diskrétních realizacích derivačního členu a problém překrývání spekter – aliasing).

Nejrozsáhlejší a pro praxi nejdůležitější je čtvrtá kapitola, věnovaná seřizování PID regulátorů. Její jednotlivé podkapitoly zahrnují hodnocení jakosti regulace, integrační a frekvenční ukazatele kvality regulačního obvodu a rozdíly v seřizování spojitých a diskrétních PID regulátorů. Pozornost je zaměřena především na globální metody seřizování, které optimalizují chování regulačního obvodu jako celku, a to podle ukazatelů, které nevycházejí z konkrétních průběhů odezev na konkrétní průběhy vstupů (metody relativního tlumení, bezpečnosti ve fázi, kompenzačního seřízení, optimálního modulu, požadovaného modelu a metody násobného dominantního pólu). Zde lze mít drobnou výhradu k absenci pojednání o Evansově metodě geometrického místa kořenů (GMK). Podrobně jsou popisovány experimentální a empirické postupy metody seřizování regulačních obvodů, především podle Zieglera a Nicholse, ale i podle Chiena, Hronese a Reswicka, metoda „pokus-omyl„ i metoda relé.

Tématem páté kapitoly jsou obecnější regulátory s optimalizovanou strukturou, zejména na principech diskrétní kompenzační regulace, přidělování pólů a využití algebraické teorie syntézy regulačních obvodů, a jsou zde uvedeny příklady návrhu regulace v konečném počtu kroků.

Kapitola šestá se zabývá stavovými regulátory, především způsoby získávání stavového popisu (rozsáhlý ilustrační příklad s modelem kaskády dvou nádrží, základní kanonické struktury a jejich souvislost s vnějším popisem, transformace souřadnic a změna struktur, podobnostní transformace). Je popsána realizace proporcionální zpětné vazby stavovým regulátorem.

Sedmá kapitola pojednává o regulátorech v rozvětvených obvodech regulace jedné veličiny (s pomocnou regulovanou veličinou, s poměrovou regulací, s pomocnou akční veličinou, s měřením poruchové veličiny, s vnitřním modelem a se Smithovým prediktorem).

Regulátorům v obvodech regulace několika veličin se vzájemným ovlivněním (souběžná regulace několika veličin na jednom objektu, vzájemně se ovlivňující veličiny, systémy s několika vstupy a výstupy, autonomnost regulačních obvodů) je věnována osmá kapitola.

Součástí knihy je úplný přehled citované literatury s uvedením všech stránek, z nichž je v daných pramenech citováno. Prameny jsou účelně členěny na knižní publikace, články v časopisech, příspěvky na kongresech, konferencích a seminářích a na disertační a diplomové práce. Stejně je členěna i doporučená (necitovaná) literatura a vše je doplněno ověřenými odkazy na kvalitní webové stránky s tematikou automatického řízení. Obzvlášť pro čtenáře, který nestuduje knihu systematicky, je užitečnou pomůckou také stručný, ale dostatečný popis základního značení, použitých jednotek a symbolů, jenž je uveden na konci knihy.

Ocenění zaslouží nejen obsahová, ale i kvalitní jazyková stránka díla a velmi pěkné jednotné grafické zpracování, usnadňující orientaci v textu a podporující úsilí autorů o přístupné a přehledné podání tématu. Aby čtenář např. nemusel pracně hledat vysvětlující odkazy a poznámky v příloze, jsou uváděny přímo v zápatí aktuální stránky. Kvality publikace podtrhuje podrobný čtrnáctistránkový rejstřík, který je zpracován s velkou pečlivostí a smyslem pro detaily. Monografie se tak odlišuje od většiny současných českých odborných knih, u nichž (na rozdíl od literatury anglosaského či německého původu) rejstřík bohužel buď zcela chybí, nebo je jen velmi plytký.

Sečteno a podtrženo: Recenzovaná kniha, vydaná v ediční řadě monografií ČVUT v Praze, má charakter kvalitní vysokoškolské učebnice teorie regulační techniky i metodiky jejího použití v praxi. Jde o jednu z nejlepších a nejkomplexnějších monografií z oblasti návrhu regulačních obvodů v češtině, a to z hlediska pedagogického i odborného. Cenné je především komplexní systémové pojetí a výklad dbající na souvislosti mezi jednotlivými tématy. V české odborné literatuře není mnoho takových pramenů, kde by se zájemce mohl dostatečně seznámit s celou problematikou na jednom místě. Již jen z tohoto pohledu je recenzovaná publikace významným edičním počinem. Nelze jí vytknout žádné podstatné nedostatky. Celá je napsána velmi čtivě, srozumitelně a přehledně, s mnoha příklady z praxe. Čtenář se v ní velmi dobře orientuje. Vyhovující jsou i technické parametry knihy – sazba, kvalita papíru a tisku.

Monografii lze zakoupit přímo v prodejně Vydavatelství ČVUT (Bílá 90, Praha 6).

Publikace je určena především studentům magisterského a doktorského studia na technických univerzitách s výukou automatizace a technické kybernetiky. Zčásti bude užitečná i posluchačům bakalářského studia zmíněných oborů. Některé, zejména úvodní a zobecňující části kapitol monografie lze pro jejich komplexnost a vysokou informační hodnotu bez nároků na hluboké znalosti teorie doporučit i studentům středních odborných škol. Svojí strukturou a obsahem bude kniha nesporně velmi užitečná i jako příručka pro odborníky z praxe. Náročný výklad jak tradičních principů, tak i nejnovějších metod a postupů, prezentovaný srozumitelnou formou, dobře poslouží jako zdroj informací i pracovníkům zabývajícím se projektováním systémů řízení a regulace v technické praxi. Právě takovou tematicky ucelenou „kuchařku„ pro široký okruh čtenářů naše odborná praxe dlouho postrádala, a lze jim ji proto vřele doporučit. Stane se jim velmi užitečnou a nepostradatelnou pomůckou.

Pavel Nahodil