KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Výuka automatizace na Fakultě elektrotechniky a informatiky Univerzity Pardubice

Článek krátce seznamuje s historií výuky automatizace na Fakultě elektrotechniky a informatiky Univerzity Pardubice, s vybavením laboratoří katedry řízení procesů a s problémy při výuce automatizace z pohledu jejího vedoucího. Zabývá se řešením zásadního problému – slabou motivací studentů k pochopení náročné teorie, simulace regulovaných procesů a jejich využití ve fyzikální realitě. Uvádí zkušenosti s řešením tohoto rozporu. 

Trocha historie

Historie katedry automatizace na Univerzitě v Pardubicích začíná v 60. letech 20. století. Samostatný studijní obor vznikl odloučením původního oddělení měření a regulace od katedry chemického inženýrství. Důvodem byly nové požadavky na automatickou regulaci, zejména spojitých technologických procesů. Pod různými názvy prošla katedra postupným vývojem, aby se v roce 2008 stala jednou ze zakládajících kateder nově vzniklé Fakulty elektrotechniky a informatiky. Novými technologiemi je ovlivňována potřeba znalostí nových disciplín. Se vznikem fakulty se tak katedra řízení procesů kromě původního zaměření částečně přeorientovala i na obory související s mechatronickými a robotickými systémy, metodami strojového učení a počítačového vidění nebo umělé inteligence. Kromě nových předmětů vznikly v průběhu posledních deseti let laboratoře vybavené robotickými rameny Universal Robots a Yumi (ABB), průmyslovými regulátory, PLC od firem Schneider Electric, Siemens a Teco, ale také automatizačními úlohami GUNT a National Instruments (obr. 1, obr. 2obr. 3). Katedra tak reaguje na změny v automatizačním průmyslu. Praktické úlohy navíc studenty motivují a pomáhají jim k lepšímu pochopení teoretických znalostí. 

Výuka a spolupráce s firmami

Katedra spolupracuje s automatizačními firmami na řešení konkrétních výzkumných problémů v rámci různých vědeckovýzkumných projektů a smluvního výzkumu, na závěrečných studentských pracích nebo na přednáškách ve vybraných předmětech. Například celý předmět projektování řídicích systémů zajišťuje firma ProjectSoft. Předmět je studenty velmi kladně hodnocen. V posledním semestru magisterského studia tak studenti poznají procesy ve firmě a na závěr si i zkusí zpracovat a obhájit vlastní projekt. Mimo to pracovníci katedry organizují i exkurze do výroby. V posledních několika letech jsou do výuky zaváděny volitelné technické předměty, které studentům ukážou, že akademičtí pracovníci mají také další zájmy a obory, kterým se věnují – a nenásilnou formou tak mohou přenášet své nadšení na studenty. Příkladem takových předmětů mohou být historie techniky, filozofie nebo digitální fotografie. 

Náročná teorie, motivace a „opory“ pro výuku

V poslední době se vyučující na katedře setkávají se situací, že studenti mnohdy nechápou, proč by se měli učit teorii, k čemu je to dobré a na co si dát v praxi pozor. Nejsou schopni delšího soustředění, samostatného studia a ve výsledku rychle ztrácejí motivaci. Za této situace není výuka automatizace vůbec jednoduchým úkolem. Pro hlubší pochopení a dobrou orientaci v problematice musí mít student solidní základy matematiky a fyziky a vstřebat poměrně hodně teoretických znalostí. Nejnověji proto byly připraveny praktičtěji zaměřené studijní opory pro výuku automatizace, logického řízení, mechatroniky a robotiky. Byly vytvořeny elektronické učební texty, které slouží k úvodu do problematiky, obsahují příklady a budou doplněny návody k laboratorním cvičením. Cílem není nahradit standardní studijní materiály, ale spíše pomoci studentům, aby se dovedli v problematice rychleji zorien­tovat. Například u studijního oboru automatizace jsou na úvod zařazeny kapitoly, u kterých není třeba tolik teoretických znalostí, ale vyučující se snaží studentům ukázat principy, silné stránky a slabá místa. Postupuje se od úkolu řízení, principů ovládání a regulace přes měřicí a akční členy, logické řízení a dvoupolohový regulátor k PID regulátoru a jeho nastavení. Například na princip regulátoru musí studenti přijít logicky sami – ručním zapínáním a vypínáním topení podle velikosti regulační odchylky v případě dvoupolohového regulátoru nebo zavedením proporcionální zpětné vazby u P regulátoru. Někteří studenti domyslí i integrační složku regulátoru. Protože u vyšších řádů řízené soustavy nastávají problémy se stabilitou, jsou studenti navedeni na myšlenku, jak derivační složka dokáže ubírat akční veličinu ještě dřív, než se změní znaménko regulační odchylky, a obvod tak stabilizuje. Dále jsou uváděny (samozřejmě) Laplaceova transformace, přenosy, bloková algebra, problém stability a kvality regulace. Pro celkový přehled se digitální skripta věnují také stavové regulaci, vícerozměrovému řízení a číslicovému řízení. Dokumenty jednotlivých kapitol jsou ve formátu PDF dostupné na adrese https://goo.gl/9d31pJ

Teorie, simulace a fyzikální realita – vyvážení výuky

Výpočty a simulace s použitím počítače jsou určitě výborným nástrojem v procesu učení. Přesto někteří studenti stále nerozlišují, která část simulace odpovídá chování řízeného systému a která představuje regulátor. Proto mají laboratoře s fyzickými zařízeními nenahraditelný význam pro výuku a pochopení problému. Student je přímo konfrontován s realitou (a s jejími „vrtochy“), vnímá ji i dalšími smysly a musí si nějak poradit. V případě, že experiment trvá významný čas, není prostor na metodu pokus–omyl, ale je třeba sednout, zamyslet se, namalovat, napsat, spočítat a realizovat navržené řešení. Také jde o určitou iteraci, ale činnost studenta je mnohem cílenější. Je zábavné studenty pozorovat, jak na začátku nevědí, „loví v paměti“, znovu se snaží vzpomenout si na informace, o kterých si mysleli, že jim již rozumějí, vidět je v širších souvislostech a hlouběji je pochopit. O to víc potom učitele uspokojí situace, když studenti daný úkol zvládnou a skutečně pochopí – protože na řešení přijdou sami a mají z toho radost. To je posouvá dál. Z předmětů, které byly na začátku studia „strašákem“, se stávají zajímavé předměty s použitelnými informacemi a nástroji. Začnou si uvědomovat sílu systémového přístupu, abstrakce, vysokoškolského způsobu řešení problémů – a schopnosti kreativně využít osvojené znalosti. U bakalářů je to asi nejdůležitější úkol katedry. V magisterském studiu bývá už situace jednodušší, a tak je možné se věnovat zajímavějším metodám a postupům. Po pěti letech je možné většinu studentů s klidným srdcem pustit do světa a věřit, že své katedře neudělají ostudu a budou se k ní i po letech hlásit. 

Ing. Daniel Honc, Ph.D., vedoucí katedry (daniel.honc@upce.cz)

Obr. 1. Laboratoř robotiky a logického řízení

Obr. 2. Laboratoř spojitého řízení

Obr. 3. Učebna pro výuku automatizace