2012. március: jegyzet, portré, tudomány, megújuló energia, innováció, paragrafus, ipari automatizálás, energiagazdálkodás, zöldkörnyezet, vízgazdálkodás, disszemináció, it
2012. március 6.

Szerzők:
Kovács Gábor egyetemi tanársegéd
Kiss Bálint egyetemi docens, BME Irányítástechnika és Informatika Tanszék

Innováció az irányítástechnikában

„A tudósok a létező világot tanulmányozzák, míg a mérnökök egy soha nem látottat teremtenek” – mondta Kármán Tódor gépészmérnök. Ám nem elég megteremteni az új világot, azt működtetni is kell. Mégpedig úgy, hogy a sok fogaskerék mozgása végül pontos, megbízható ütemű működéssé álljon össze. A csillogó alkatrészek között gyakran észre sem venni az őket összekötő lát­hatatlan technológiát, az irányítástechnikát, amely nélkül pedig nem alkot­nának biztonságosan működő egészet.


Az ipari forradalom útjára indította a tömegtermelést, mely hatalmas lökést adott a fejlődésnek. A kezdetekben a gépek a munkások erejét sokszorozták meg, a műveletekhez azonban elengedhetetlen volt az emberi szem és kéz. A 20. században aztán egyre inkább előtérbe került a gyártás automatizálása, mely főleg a második világháború után kapott lendületet. Az egyre pontosabb érzékelőknek és beavatkozó szerveknek köszönhetően az automatika mindinkább átvette a munkások szerepét, lecsökkentve ezzel a hibák lehetőségét, egyenletesebb termelékenységet és minőséget biztosítva. A mikroprocesszoros rendszerek elterjedése lehetővé tette, hogy az egyes gépek után teljes gyártósorok, üzemek automatizálása következzen, ami elősegítette az erőforrások optimális kihasználását, egész gyáregységek egyetlen irányítóteremből való felügyeletét. Az egyre jobban automatizált, mind kisebb emberi közreműködéssel működő üzemek tették lehetővé a munkaerő átáramlását a szolgáltatási szektorba, így az irányítástechnika alapjaiban változtatta meg a fejlett társadalmak mindennapi életét.

Az irányítástechnikai innováció irányai

Az utóbbi évtizedek elektronikai és informatikai fejlődése, a processzorok számítási kapacitásának növekedése, a hálózatok elterjedése, a méréstechnika fejlődése az irányítástechnika számára is új lehetőségeket nyitott, melyek kijelölték az irányítástechnika aktuális innovációs irányait.

A nagyobb kapacitású processzorok lehetővé teszik bonyolultabb, jóval számításigényesebb irányítási algoritmusok alkalmazását. Ezek az algoritmusok egyrészt lehetővé teszik az eddig csak nehézkesen kezelhető, nemlineáris, komplex és gyors dinamikájú rendszerek irányítását, másrészt pedig egyes esetekben akár nagyságrendekkel is felülmúlhatják a klasszikus, például egymástól függetlenül működtetett PID szabályozókra alapuló módszerek hatékonyságát. Az új módszerek közé tartozik az optimális (nemlineáris) modell alapú prediktív irányítás, mely a beavatkozó jel hatását a folyamat modelljén számítja, és valós időben választja ki azokat az értékeket, amelyek az előírt költségfüggvények által meghatározott módon a legkevésbé környezetszennyező, legkevesebb energiát használó, ugyanakkor időben gyors és pontos működést eredményezik. Az optimális irányítások elméletét a klasszikus matematika eszköztárán kívül különböző mesterséges intelligencia módszerek (fuzzy rendszerek, genetikus algoritmusok, neurális hálózatok) is támogatják.

Ahogy egyre több irányítási kör vesz körül minket, kulcsfontosságú ezek megbízható működése, illetve az irányítás felkészítése a rendszerben jelen lévő bizonytalanságok, paraméterváltozások és hibaesemények hatására. A cél kettős: elsősorban a megbízható, hibamentes működést kell biztosítani, azonban lényeges az is, hogy az irányítási rendszer a paramétereiben megváltozott folyamaton is minél optimálisabb, az eredetit minél inkább megközelítő minőségben működjön. Ezekre a kihívásokra a robusztus, illetve az adaptív irányítások elmélete ad választ, mely változatos matematikai eszköztárat felhasználva teszi lehetővé hibatűrő irányítási rendszerek szintézisét.

A kommunikációs technológia fejlődésének köszönhetően új irányítási architektúrák is megjelentek, melyek az alrendszerek közötti információcsere gyors, megbízható és szabványos módjaira alapozva – egyetlen központi irányítóegység helyett – több lokális szabályozót használnak. Ezek az elosztott rendszerek a kisebb kapacitású, folyamatközeli helyi szabályozók kooperatív működésére épülnek, s erre alapozva a komplex központi szabályozóénál kisebb költséggel optimálisabb, rugalmasabb irányítást érhetünk el. Az irányítási rendszer és a szabályozási feladatok elosztása a dinamikus terheléselosztáson kívül megfelelő redundancia biztosításával a hibatűrő működést is elősegíti.

A gyártás automatizálása nem képzelhető el ipari robotok és önműködő anyagmozgató berendezések alkalmazása nélkül. A jelenleg elterjedt megoldások többsége merev szegmensekből felépített, nyílt kinematikai láncú robotokra épül, ezek előállítása komoly anyagfelhasználással (nagy tömegű szegmensek), alkalmazásuk pedig nagy energiaigénnyel jár, ugyanis a mozgatott teher nagysága összemérhető a mozgató egység tömegével. Az irányítástechnika és jelfeldolgozás legújabb eredményeinek felhasználásával a jelenleg is fejlesztés alatt álló robotok új generációja – a drasztikusan csökkentett tömegű szegmensek következtében fellépő rugalmas alakváltozás mellett is – képes lesz nagy tömegek gyors és pontos mozgatására. A kisebb tömegű és nagyobb autonómiával rendelkező robotoktól a jövőben a humán operátorokkal történő közvetlen és biztonságos együttműködést is elvárhatunk.

A korábbi innovációs irányok mind egy közös cél, az autonómia, azaz az emberi beavatkozástól, döntésektől független, önműködő vagy együttműködő rendszerek felé mutatnak. Olyan jól definiált, pontosan ismert és strukturált környezetben, mint például egy gyártócella, ez már megvalósult, azonban az autonómia kiterjesztése nyílt, ismeretlen környezetekre, ahol az autonóm rendszerek nemcsak egymással, hanem az emberekkel is kapcsolatba, interakcióba lépnek, még megoldandó feladat. Ilyen alkalmazások közé tartoznak például az autonóm járművek, amelyek fejlesztése ma még csak kísérleti szakaszban van, de egyes részmegoldások, mint az automatikus parkolórendszerek, már a mindennapi életben is működnek. Az autonómia biztosításának kulcsa a környezet minél pontosabb feltérképezése és érzékelése, amihez a szenzortechnika fejlődése nyújt segítséget. A különböző típusú és elvű, különböző mennyiségeket érzékelő szenzorok fúziója egy közös, egymást kiegészítő és támogató hálózatba foglalása a környezet megismerésének pontos és robusztus módját teszi lehetővé. Olyan új módszerek és elvek, mint a valós idejű háromdimenziós látó- és képfeldolgozó rendszerek teremtik meg a lehetőségét annak, hogy a fejlett irányítási algoritmusok a környezet minél pontosabb modelljét felhasználva dolgozhassanak.

Irányítástechnika – válasz napjaink kihívásaira

Az irányítástechnika, ha nem is közvetlenül, de segíthet választ adni napjaink legfontosabb kérdéseire, a fenntartható fejlődés elősegítésére és a gazdasági válság negatív hatásainak csökkentésére.
A fenntartható fejlődés szempontjából lényeges út az új energiaforrások felkutatása és hasznosítása, de rövid távon legalább ennyire fontos a meglévő erőforrások minél hatékonyabb kiaknázása. Ezen a területen az új, optimálisabb irányítási algoritmusok, elvek bevezetése, azok folyamatos fejlesztése hamar megtérülhet. Egészen hétköznapi példát véve: a belső égésű motorok elektronikus befecskendező rendszerei, az egész jármű működését figyelemmel kísérő szenzorrendszerek által szolgáltatott adatokra támaszkodó, a vezető szokásait is figyelembe vevő motorirányítási algoritmusok számottevően csökkentették a gépkocsik üzemanyag-fogyasztását, s ezzel károsanyag-kibocsátását is.

Az irányítástechnika ugyanakkor megkerülhetetlen akkor is, ha új energiahordozók, avagy a megújuló energia felhasználása a cél. A talán legegyszerűbbnek tűnő, évezredek óta ismert alapelveket felhasználó szélerőművek sem működtethetők optimális irányítás nélkül. A szélkerekek hatásfokában kulcsszerepet játszik a lapátok dőlésszögének beállítása, aminek azonban alkalmazkodnia kell az akár percről percre változó légköri viszonyokhoz, s ez nem valósítható meg megfelelő irányítási algoritmusok nélkül. Még komplexebb irányítási problémát jelent az egyre terjedő hibrid gépjárművek belső égésű és elektromos meghajtásának összehangolása, a minél takarékosabb, ugyanakkor a vezetőt minél kevésbé korlátozó működés elérése.

Napjaink másik nagy kihívása a világgazdaság megtorpanása. Ez számos vállalatot sodort nehéz helyzetbe, megfosztva őket a tervezett beruházások megvalósításától. Ám köztudott, hogy a válságot azok a cégek élik túl a legsikeresebben, amelyek a nehezebb időszakban sem hagyják abba a fejlesztést. A tőkehiány miatt ez megvalósíthatatlannak tűnik, de a termelésirányítás felülvizsgálatával, új gyártási és logisztikai irányítórendszerek hadrendbe állításával, kis befektetéssel is növelhető a termelés hatékonysága. A meglévő irányítórendszerek lecserélésével, újak kidolgozásával a meglévő erőforrások jobban hasznosíthatók, energiát lehet megtakarítani, csökkenthetők a termelési veszteségek. A korszerű irányítórendszerek flexibilitása segíthet a gyorsan változó piaci igényekhez való rugalmas alkalmazkodásban, ami komoly versenyelőnyt jelenthet az ilyen rendszereket alkalmazó vállalatoknak.

Irányítástechnikai innováció Magyarországon

A fentiekből is kitűnt, hogy az irányítástechnika témájú innováció nagy lehetőségeket rejt akár a hazai kis- és középvállalatok számára is. Mivel az irányítástechnikai fejlesztések elsősorban humán erőforrásokat igényelnek, anyagi ráfordításigényük más iparágakhoz képest csekély, így kiváló lehetőséget jelent a hazai, magas színvonalú mérnöki munkaerő kiaknázására.

Természetesen az innováció nem képzelhető el az ipar és az oktatási-kutatási intézmények együttműködése nélkül; utóbbiak közül hazánkban számos, nemzetközi szinten is elismert szakmai műhely működik. A fentiekkel összhangban a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Karán hallgatóink képzésében nemcsak az iparban jelenleg elterjedt megoldások oktatását tartjuk fontosnak, hanem olyan tudáselemek és kompetenciák átadását, amelyek végzett diákjainkat az elkövetkező években, sőt évtizedben is az őket alkalmazó vállalatok innovációs, fejlesztési és kutatási tevékenységének legaktívabb, kreatív szereplőivé tehetik az irányítástechnika területén. A hallgatók ipari innovációba történő bevonását pedig olyan rugalmas megoldásokkal segítjük, mint a Finnországban már bizonyított, úgynevezett Demola konstrukció.•

A Demola program célja az, hogy a hallgatók a képzés során meg­ismerjék a csoportmunka, a hasznosuló kutatás-fejlesztés, a gazdasági szempontokat is figyelembe vevő projektmenedzsment eszköztárát.

A névadó modell a finnországi Tamperében működik, a hazai megvalósítás a BME sajátságaihoz igazodva az egyetem nyolc karának szakterületeire fókuszál, egységes lehetőséget teremtve az összes kar hallgatóinak. A koordinációt a Műegyetemi Technológia és Tudástranszfer Iroda a VIK Hallgatói Innovációs Központtal közösen végzi.
 
Innotéka