Rendszerek mindenütt
Rendszerek mindenütt jelen vannak. A rendszerek viselkedését néhány alapvető elv határozza meg. Ezeket az alapvető elveket és összefüggéseket bárki megértheti. Az alapvető meggondolások és összefüggések matematikai formába önthetők. A matematika és a számítástechnika segítségével a legkülönbözőbb rendszerek várható viselkedése leírható, jövőbeni viselkedésük többé-kevésbé előre jelezhető. Ezek az ismeretek felhasználhatók a rendszerek befolyásolására, irányítására annak érdekében, hogy a megkívánt, előírt módon viselkedjenek.
A rendszer és környezete
Minden, ami részekből tevődik össze és bizonyos értelemben egységes egészként működik, rendszernek tekinthető. A valós világ azon részeit, amelyeknek meghatározott vagy virtuális, esetleg mozgó határaik vannak, rendszereknek nevezzük. A rendszert határai választják el környezetétől. A környezet befolyásolja a rendszer működését, és a rendszer is visszahat környezetére. A rendszer viselkedése az időben változhat. Általában megkívánjuk, hogy bizonyos mennyiségeket a rendszerben előírt szinten tartsunk (például a szoba hőmérséklete legyen állandó a változó külső hőmérséklet ellenére). A rendszerelmélet általános elveket, módszereket és eszközöket ad meg a rendszerek működésének megértésére és leírására. Ezek segítségével vizsgálhatjuk a rendszerek működését, előre jelezhetjük és irányíthatjuk viselkedésüket.
Rendszerek mindenütt. Mindenütt rendszerek vannak körülöttünk. Különböző rendszerek segítik mindennapi életünket. Lakásunk vagy házunk maga is rendszernek tekinthető, amelynek határai a környezetétől, a külső világtól elválasztó falak (1. ábra).
1. ábra Házunk és környezete
Egy rendszer többféle módon is kapcsolódik környezetéhez. Azokat a mennyiségeket (változókat), amelyek a környezetből belépve hatnak a rendszerre, bemeneteknek, azokat a mennyiségeket pedig, amelyek a rendszerből kilépve hatnak a környezetre, kimeneteknek nevezzük. jelek azok a mennyiségek, amelyek információt tartalmaznak. A bemenőjelek illetve a kimenőjelek az információt tartalmazó bemenetek illetve kimenetek. Vannak olyan bemenetek, amelyekkel a rendszer állapotát, viselkedését befolyásolhatjuk, ezek a beavatkozó mennyiségek, a beavatkozó jelek. Házunk esetében ezek például a vízellátás, a fűtés, a villamos energiaellátás, a hírközlés, az internet, amelyek hozzájárulnak mindennapi kényelmünkhöz. Más bemenetek nem befolyásolhatók (például a külső hőmérséklet), ezek a zavarások, zavarójelek. A kimeneteket általában megadott előírásoknak kívánjuk megfeleltetni.
Ha házunkon belül a fűtési rendszer működését vizsgáljuk, a rendszert és környezetét másképp adjuk meg. Ekkor a rendszer a szoba a házon belül. Tételezzük fel, hogy meleg víz kering a csővezetékben és a fűtőtestekben. A szelep állása befolyásolja az átáramló víz mennyiségét és ezáltal a szoba hőmérsékletét. A bemenő változó a szelep helyzete, a kimenő változó a szoba hőmérséklete. A külső hőmérséklet, a szobában tartózkodó személyek száma, az ablakok, ajtók nyitott vagy csukott állapota a zavarások.
A szoba hőmérsékletének szabályozására számos megoldás létezik. A kívánt és a mért hőmérséklet eltérésétől függően a fűtést be- illetve kikapcsolhatjuk. Ezáltal a hőmérsékletet adott, előírt sávon belül tarthatjuk (2. ábra).
2. ábra Szoba hőmérsékletének szabályozása
Háztartásunkban számos rendszer (berendezés) szolgálja kényelmünket. Ezeket a rendszereket rendszerint szabályozzuk, kimenetüket a kívánt módon befolyásoljuk. A hűtőszekrény, a mosógép, a mosogatógép, a vízmelegítő, a porszívó, stb. mind irányított rendszerek. A WC tartályban a víz szintjét automatikusan szabályozzuk. Szabályozások vannak a TV, rádió, CD és DVD lejátszó készülékeken belül is.
Házunkból kilépve elindulunk dolgaink után. Közlekedünk, autóbuszra, villamosra szállunk. Autóval, vonattal, hajóval, repülőgéppel távolabbra is eljutunk. Az ember űrhajóval elindult a Föld körüli világ felfedezésére is. Mindezek a közlekedési eszközök rendszereket alkotnak, amelyek kapcsolatban vannak környezetükkel. Biztosítani kell a járművek elindítását, megfelelő sebességtartását, az utasok kényelmét, a jármű pályakövetését, leállítását (3. ábra). Irányításuknál olyan szempontokat is figyelembe kell venni, mint a biztonságos, kényelmes és megbízható működés, a mérsékelt energiafelhasználás, az alacsony mértékű légszennyezés, stb.
3. ábra A házból kilépve közlekedünk. A járművet irányítani kell.
A korszerű autóban számos automatikus szabályozás található. Automatikus szabályozások gondoskodnak az üzemanyag megtakarításról, a kibocsátott légszennyező anyagok csökkentéséről. A járművet stabilizáló és az irányítást segítő rendszerek könnyítik meg a vezetést. Napjainkban egyre inkább elterjed a kooperatív járműirányítás. A járművekben beépített intelligens rendszerek és vezetést támogató rendszerek találhatók, és a forgalomról kapott információ felhasználásával a több jármű mozgását figyelembe vevő kooperatív vezetés valósítható meg.
Villamos energiára van szükség mindennapi életünk fenntartására, a munkánkat megkönnyítő, életünket kényelmesebbé tevő berendezéseink működtetésére. Modern korunkban talán túlságosan is függünk a villamos energiától. Nélküle a számítógépek, a felvonók, a világítás, a háztartási berendezések, stb. nem működnének.
A villamos energia termelése bonyolult rendszert alkot. Villamos energiát előállíthatunk szénerőművekben, vízierőművekben, atomerőművekben. Természeti forrásaink kimerülésével egyre inkább előtérbe kerül az ún. alternatív energiaforrások, szélenergia, napenergia felhasználása is. Tekintsünk egy hőerőművet, mint rendszert. A hőerőműben anyag- és energiaátalakulás megy végbe. A szén vegyi energiája az égetéskor hőenergiává alakul át. A hővel a gőzkazánban vízgőzt állítunk elő, amely a turbinát forgatva mechanikai energiává alakul. A turbina forgatja a szinkrongenerátor forgórészét (rotorját) állórészének (sztátorának) mágneses terében, ezáltal villamos energia termelődik. Ez az energia transzformátorokon és távvezetékeken keresztül jut el otthonainkba, intézeteinkbe, az ipari létesítményekbe (4. ábra). Ez a folyamat egy bonyolult rendszert alkot.
4. ábra Villamos energia termelése hőerőműben
Forrás: http://152.87.4.98/power/coalart.htm
A rendszert és környezetét az 5. ábra szemlélteti. Természetesen ennek a folyamatnak egyes részei szintén rendszernek tekinthetők, amelyekben a rendszert és környezetét másképp kell figyelembe venni. Ezeket a folyamatokat, rendszereket irányítani kell, el kell indítani, az előírásoknak, követelményeknek megfelelően fenn kell tartani, illetve szükség esetén gondoskodni kell megfelelő leállításukról. Fontos követelmény például a feszültség és a frekvencia előírt állandó értéken tartása az egyes napszakokban és évszakokban fellépő eltérő terhelések ellenére. Fontos szempontok a megbízhatóság és a biztonságos működés is.
5. ábra A hőerőmű és környezete
Az ipar megtermeli a mindennapi élethez szükséges anyagi javakat. Más termékek speciális igényeket elégítenek ki hozzájárulva a magasabb életszínvonalhoz. Házaink megépítéséhez kötőanyagra, cementre van szükség. A cementgyárak a cementet mészkő, agyag és adalékanyagok (pl. pirit) megfelelő arányú keverékéből állítják elő. A keverék égetése és őrlése után megfelelő, előírt összetételű és minőségű cementet kívánunk előállítani. Ehhez a folyamat irányítására, összetétel-szabályozásra, hőmérsékletszabályozásra, nedvességszabályozásra, stb. van szükség.
Napjainkban az autók többnyire benzinnel működnek (remélhetőleg a közeljövőben alternatív energiaforrások felhasználására is egyre inkább sor kerül). A benzint kőolajból állítják elő olajfinomítókban desztillációs kolonnákban (6. és 7. ábra)., ahol a nyersolajat összetevőire bontják szét az egyes összetevők különböző illékonysági tulajdonságát felhasználva. A különböző összetevők koncentrációját szabályozni kell. (Megjegyezzük, hogy a koncentráció összefüggésben van a desztilláló oszlop tányérjain levő hőmérséklettel, így általában a hőmérséklet profilt szabályozzák.)
6. ábra A BME Automatizálási és Alkalmazott Informatikai Tanszékén oktatási célokra megépített kolonna modell
7. ábra: Ipari desztillációs oszlop
A gépkocsikat gyártósorokon állítják elő, ahol a bonyolult szerelési feladatokat robot manipulátorok hajtják végre. Az egyes műveletek ütemezése, a szerelési folyamatok, a beépített berendezések tesztelése, a karosszéria festése, stb. mind magas szintű automatizálást igényelnek, vezérlések és szabályozások alkalmazására van szükség. A 8. ábra egy robotot mutat, amely programozható különböző szerelési műveletekre.
8. ábra A robot programozható különböző szerelési műveletek elvégzéséra
Modern életvitelünk nem igazán környezetbarát. Vegyszereket használunk a háztartásban a mosáshoz, tisztításhoz, csomagolóanyagokat alkalmazunk, stb. Szennyezzük a levegőt, a talajt, a vizeket. Az ipari termelés is nagymértékben szennyezi a környezetet. Környezetünk megőrzéséért sokat kell tennünk. Például vízforrásaink tisztaságának megőrzéséhez a víztisztítás rendkívül fontos feladat, amely szintén irányítást igényel.
Az ipari folyamatokra vonatkozóan szigorú környezeti előírások vannak. Új ipari létesítményeket csak ezek betartásával lehet létrehozni. Az ipari és civil hatóságok fejlesztési támogatásokkal, pályázatokkal, stb. tudják támogatni, szabályozni a környezetvédelmet.
Számos rendszer és szabályozás található az élő szervezetekben. A test hőmérséklete közel állandó a külső hőmérséklet változása ellenére. Bonyolult szabályozási mechanizmusok befolyásolják a test hőmérsékletét, például hidegben libabőrösek leszünk, vagy didergünk. A szem pupillája változtatja méretét a fényviszonyoknak megfelelően. Végtagjaink mozgása, a szívműködés frekvenciája, a vérnyomás, a vércukorszint, stb. mind szabályozott folyamatok a szervezeten belül.
9. ábra A vérkeringési rendszerben bonyolult szabályozási mechanizmusok biztosítják a megfelelő vérnyomást
A vérkeringési rendszert a 9. ábra szemlélteti. A vérkeringési rendszerben keringő vér megfelelően előkészített tápanyag molekulákat, továbbá az információs molekulákat, melyek a szervezet kémiai hírvivői (hormonok, immunmediátorok), az egyes szervek sejtjeinek közvetlen közelébe juttatja nagy sebességgel. (Innen sokkal lassabban, diffúzióval mozognak tovább a molekulák.) A vérkeringési rendszer egészséges működésének egyik alapvető feltétele a nagyvérköri artériás vérnyomás optimális értéken tartása pillanatról pillanatra. A szervezetben működő szabályozási mechanizmusok biztosítják ennek fenntartását.
A rendszerszemlélet segíthet az élő szervezetben lejátszódó bonyolult folyamatok megértésében. Az élő szervezet tökéletes működését, szabályozási mechanizmusait tanulmányozva és azokból tanulva a műszaki rendszerekben is alkalmazhatunk hasonló szabályozási módokat, a körülményekhez alkalmazkodó adaptív, tanuló, intelligens szabályozási rendszereket létrehozva.
Ha az élő szervezet valamelyik működési funkciója felborul, az orvosi kezelés szintén irányítási mechanizmus (a gyógyszer, mint beavatkozás fejti ki hatását), az esetleges műtéti beavatkozás során szintén irányítási feladatokat is teljesítenek az orvosok.
Számos irányítási jelenséget tanulmányozhatunk a biológiában és a biológiai társadalmakban. A hangyák, méhek, madarak, halak rajai például képesek a legjobb, optimális útvonalat megtalálni a célpontjukhoz. Ezeket a viselkedési formákat megértve és belőlük tanulva optimális irányítási algoritmusokat fejleszthetünk ki műszaki rendszerekhez. Kooperatív irányítási rendszerek megvalósításában (pl. a közlekedésben együttműködő járművek) felhasználhatjuk ezeket a mechanizmusokat.
Hivatkozások:
Albertos and Mareels (2010)
Åström and Murray (2008)
Keviczky et al. (2009, 2011)
IEEE honlap