Modele i algorytmy sterowania dla różnych struktur układowych i informacyjnych

1. Streszczenie tematu badawczego (krótkie) i pojęcia kluczowe:

    W ramach projektu wykonano szereg prac związanych z tematyką projektowania, modelowania i sterowania różnymi układami. Zrealizowane prace związane były zarówno z klasyczną automatyką i robotyką, jak również wyznaczaniem oceny stanu układu  dynamicznego pracującego w warunkach niepewności w różnych strukturach informacyjnych, wyznaczeniem stabilności dla ciągłych układów liniowych o zmiennych współczynnikach w czasie, w których funkcja przełączająca jest przedziałami stała. Zajmowano się również metodami sztucznej inteligencji, robotyki mobilnej, modelowaniem interakcji pomiędzy związkami chemicznymi, planowaniem działań w małym terminalu kontenerowym, optymalizacji komunikacji miejskiej. Analizowano również Podstawową Zasadę Sterowania (PZS) dla układów ze sprzężeniem zwrotnym i obiektami minimalnofazowymi. Pokazano także, że przetwornik DC-DC podwyższający napięcie jest układem minimalnofazowym dla pracy po lewej stronie ekstremum charakterystyki statycznej i układem nieminimalnofazowym dla pracy po prawej stronie tej charakterystyki.

2. Dyscyplina naukowa:

    Automatyka i robotyka

3. Symbol pracy:

    BK-218/RAu1/2009, zadanie nr 1

4. Jednostka Uczelni realizująca temat:

    Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej

5. Termin realizacji:

    2.01 - 31.12.2009 r.

6. Zespół wykonujący:

Prof. dr hab. inż. M. Błachuta
Prof. zw. dr hab. inż. R. Gessing
Prof. dr hab. inż. Z. Duda
Prof. dr hab. inż. A. Czornik
Dr inż. R. Czyba
Dr inż. A. Gałuszka
Dr inż. M. Pacholczyk
Dr inż. K. Skrzypczyk
Mgr inż. A. Bal
Mgr inż. K. Daniec
Mgr inż. R Koteras
Mgr inż. K. Kozak
Mgr inż. G. Szafrański


Opis projektu:

W ramach projektu wykonano szereg prac związanych z tematyką projektowania, modelowania i sterowania różnymi układami. Zrealizowane prace związane były zarówno z klasyczną automatyką i robotyką, jak również wyznaczaniem oceny stanu układu  dynamicznego pracującego w warunkach niepewności w różnych strukturach informacyjnych, wyznaczeniem stabilności dla ciągłych układów liniowych o zmiennych współczynnikach w czasie, w których funkcja przełączająca jest przedziałami stała. Zajmowano się również metodami sztucznej inteligencji, robotyki mobilnej, modelowaniem interakcji pomiędzy związkami chemicznymi, planowaniem działań w małym terminalu kontenerowym, optymalizacji komunikacji miejskiej. Analizowano również Podstawową Zasadę Sterowania (PZS) dla układów ze sprzężeniem zwrotnym i obiektami minimalnofazowymi. Pokazano także, że przetwornik DC-DC podwyższający napięcie jest układem minimalnofazowym dla pracy po lewej stronie ekstremum charakterystyki statycznej i układem nieminimalnofazowym dla pracy po prawej stronie tej charakterystyki.
    W pracy [1] przedstawiono problem wyznaczenia stabilności dla ciągłych układów liniowych o zmiennych współczynnikach w czasie, w których funkcja przełączająca jest przedziałami stała. Rozpatrywane były układy jedno (opisane skalarami) i wielowymiarowe (opisane przez macierze) niestacjonarne, dla tych układów wyznaczone zostały warunki stabilności za pomocą wykładników Lapunowa, wartości własnych oraz promienia spektralnego. Wyprowadzone warunki posłużyły do określenia asymptotycznej stabilności liniowych układów ciągłych o zmiennych skokowo współczynnikach. Wyprowadzone w pracy warunki stabilności są bardziej złożone niż dla układów stacjonarnych. W układach wielowymiarowych zwiększenie wymiaru problemu powoduje zwiększenie liczby rozpatrywanych przypadków przez co znacznie komplikuje zadanie oraz zwiększa nakłady obliczeniowe. Dlatego też wyznaczenie stabilności układów z przełączeniami staje się zadaniem trudnym i złożonym. Wyprowadzone warunki stabilności dla układów ciągłych jednowymiarowych posłużyły do uogólniania i wyprowadzenia warunków stabilności dla układów wielowymiarowych. W oparciu o dodatkowe twierdzenia wyprowadzony został warunek stabilności układów wielowymiarowych wykorzystujący podstawowe informacje o macierzach takie jak: wartości własne czy promień spektralny, przez to warunki te są proste i bardzo przydatne do określenia stabilności, a szybkość korzystania z nich pokazana została w przykładach.
W pracy [2] przedstawiono jednolite podejście do wyznaczania oceny stanu układu  dynamicznego pracującego w warunkach niepewności w różnych strukturach informacyjnych.  Szczególną uwagę zwrócono na strukturę zdecentralizowaną z wieloma lokalnymi decydentami  dysponującymi zróżnicowaną informacją  pomiarową . Ponadto przedstawiono algorytmy oceny realizowane przez tzw. filtry informacyjne szczególnie przydatne w  strukturze z wieloma rozproszonymi czujnikami pomiarowymi i lokalnymi procesorami umożliwiającymi  obliczanie ocen stanu na podstawie informacji z czujnika.
Planowanie z reprezentacją PDDL (Planning Domain Definition Language) polega na znalezieniu sekwencji akcji (planu) prowadzących od zastanego stanu początkowego do pożądanej sytuacji docelowej. Jest to typowy problem w sztucznej inteligencji. W pracy [3] opisano właściwości windy inteligentnej, zamodelowano problem sterowania inteligentną windą jako problem planowania  z reprezentacją PDDL i rozwiązano proste przykładowe problemy. Symulacje zostały wykonane w programie Allegro CL.
W pracy [4] pokazuje się że przetwornik DC-DC podwyższający napięcie jest układem minimalnofazowym dla pracy po lewej stronie ekstremum charakterystyki statycznej i układem nieminimalnofazowym dla pracy po prawej stronie tej charakterystyki. Dla pracy po lewej stronie wykorzystując nieminimalnofazowość obiektu proponuje się zastosowanie prostego regulatora proporcjonalnego który zapewnia znacznie lepszą jakość sterowania niż inne regulatory spotykane w literaturze. Jednakże zauważa się że sprawność przetwornika podczas pracy po lewej stronie ekstremum charakterystyki statycznej jest znacznie mniejsza niż przy pracy po prawej stronie ekstremum. Dlatego proponuje się również inne oryginalne rozwiązanie regulatora przeznaczonego do pracy po prawej stronie ekstremum i opierającego się na nieliniowej transformacji współrzędnych stanu i sprzężeniu od stanu.
W pracy [5] sformułowano Podstawową Zasadę Sterowania (PZS) dla układów ze sprzężeniem zwrotnym i obiektami minimalnofazowymi. Pokazano że proste regulatory zaprojektowane zgodnie z tą Zasadą, zastosowane do silnie nieliniowych obiektów występujących w programach demonstracyjnych MATLABA z sieci neuronowych są znacznie lepsze niż zastosowane w tych programach regulatory neuronowe. Co więcej regulatory wynikające z Podstawowej Zasady Sterowania działają dobrze dla znacznie większych zmian wartości zadanej bez potrzeby ich przestrajania. Ograniczeniem w zastosowaniu tych regulatorów jest występowanie szumów pomiarowych, które wzmacniane przez pochodne regulatora mogą powodować pogorszenie jakości sterowania. Wpływ szumów pomiarowych na działanie takich układów będzie badany w dalszych pracach.
Praca [6] dotyczy stabilności wokół zdefiniowanego punktu równowagi modelu układu elektrycznego złożonego z dwóch źródeł energii, dwóch elementów sterujących, oraz obciążenia trakcyjnego. Zaprezentowano schemat takiego układu oraz skonstruowano odpowiadający mu model matematyczny. Zastosowano klasyczne kryteria do analizy zachowania się układu zlinearyzowanego wokół punktu równowagi.
Analiza interakcji białek z małymi molekułami jest kluczowa w procesie poszukiwania molekuł mogących stanowić podstawę do tworzenia nowych leków. Małe biomolekuły (ligandy) są w wysokim stopniu giętkie i mogą, w trakcie wiązania się z białkiem, przyjmować szereg konformacji. Zainspirowana metodami losowego planowania trajektorii w robotyce, symulacja metodą map stochastycznych, może być postrzegana jako bardzo interesujące podejście do efektywnego próbkowania przestrzeni konformacyjnej ligandu wokół białka. Całkowita energia interakcji białko-ligand podzielona jest na dwa składniki – elektrostatyczny, modelowany za pomocą równania Poissona-Boltzmanna oraz związany z oddziaływaniami van der Waalsa, reprezentowany przez potencjał Lennarda-Jonesa. Otrzymane wyniki są obiecujące, gdyż można pokazać, iż położenia miejsc wiążących, przewidzianych na drodze symulacji, są zgodne z danymi otrzymanymi w wyniku przeprowadzenia eksperymentu krystalografii rentgenowskiej dla kompleksu białka i ligandu. Celem postawionym w pracy [7] jest rozszerzenie możliwości analizy interakcji białko-ligand ponad poziom oferowany przez większość dostępnych pakietów oprogramowania, umożliwiających przeprowadzenie dokowania molekularnego. Próbą osiągnięcia tego celu jest zastosowanie dwupoziomowego modelu interakcji białko-ligand oraz efektywne skanowanie przestrzeni konformacyjnej ligandu.

Dodatkowa w ramach funduszu BK zrealizowano inne, niepublikowane zadania i projekty. Poniżej opisano wybrane z prac.
Referat [8] poświęcony jest zagadnieniom związanym ze stabilnością i stabilizowalnością dyskretnych układów liniowych o zmiennych współczynnikach. Zaprezentowane zostanie podejście oparte na uogólnionym promieniu spektralnym zbioru macierzy oraz wykładnikach Lapunowa.
Projekt [12] dotyczy realizacji sterowania obiektem z wykorzystaniem technologii internetowych. Jako obiekt regulacji przyjęto zbiornik do przechowywania cieczy, zasilany przez dwa strumienie wejściowe. Na wyjściu obiektu znajduje się sterowany przez regulator PI zawór. Zadaniem całego układu sterowania jest regulacja poziomu cieczy w zbiorniku. Dodatkowo wprowadzonym elementem jest możliwość monitorowania pracy układu za pomocą stworzonej do tego celu strony internetowej. Realizacji projektu dokonano przy uŜyciu dwóch narzędzi: graficznego środowiska programistycznego LabVIEW oraz języka skryptowego PHP. W LabVIEW wykonano trzy oddzielne moduły: symulator pracy rzeczywistego obiektu, regulator PI oraz system wizualizacji i monitoringu SCADA. Komunikacja pomiędzy wyżej wymienionymi modułami następuje za pomocą protokołu TCI/IP. W języku PHP napisano stronę internetową, dzięki której po zalogowaniu istnieje możliwość nadzorowania bieżącego stanu układu regulacji. Strona zawiera również podstawowe informacje o strukturze projektu.
    Celem pracy [13] jest zagadnienie optymalizacji częstotliwości modułowej kursowania pojazdów sieci komunikacji zbiorowej w Bytomiu. Tematyka pracy została wybrana z listy tematów prac naukowych i prac dyplomowych magisterskich zgłoszonych przez ŚLĄSKI ZWIĄZEK GMIN I POWIATÓW do REKTORA w styczniu 2008 r. Temat został zaproponowany przez gminę Bytom. W pracy korzystano z danych opracowanych i będących własnością KZK GOP. Dane obejmujące informacje o liniach oraz ich obłożeniach w Gminie Bytom zostały udostępnione na potrzeby niniejszej pracy na podstawie listu intencyjnego w sprawie współpracy badawczej i edukacyjnej pomiędzy: Gminą Bytom, Instytutem Wydziału Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej.
    Celem pracy [14] jest opracowanie algorytmu, który ma zwiększyć efektywność "rehandlingu", czyli operacji przekładania kontenerów, w terminalu kontenerowym uzywajacym "reachstacker’ów" - maszyn wykonujących operacje przekładania. Dokładniejszy opis "reachstacker’ów" i "rehandlingu" znajduje sie w dalszej części pracy. Zakres pracy obejmuje:
• przegląd literatury dotyczącej omawianego problemu - przedstawienie infrastruktury i omówienie urządzeń stosowanych w terminalach
• przedstawienie terminalu gliwickiego ze względu na optymalizacje
• zapoznanie sie z przykładowymi metodami dotyczącymi "rehandlingu"
• zaproponowanie algorytmu pomagającego zoptymalizować operacje przekładania w terminalu
• przetestowanie wydajności zaproponowanego rozwiązania.
Wynikiem pracy jest algorytm wyznaczający najlepsze miejsce dla kontenerów, które musza zostać przełożone. Zaproponowane rozwiązanie zostało przetestowane z wykorzystaniem danych pochodzących z terminala kontenerowego w Porcie Gliwice, gdzie podczas praktyki zawodowej, w sierpniu 2008, autor pracy zapoznał sie z zapleczem logistycznym oraz zasadami działania takiego obiektu.
    Celem projektu [15] było zaprojektowanie oraz wykonanie układu do sterowania temperaturą w pomieszczeniu (obudowie komputera). Wielkością sterującą była temperatura natomiast wielkościami sterowanymi do wyboru:
- natężenie światła z żarówki halogenowej,
- prędkość obrotowa wentylatora.
Do projektu konieczne było wykonanie układu sterującego zawierającego elementy elektroniczne, optoelektroniczne, jak również elementy wykonawcze. Sterowanie odbywa się przy pomocy mokroprocesora Atmel.
Celem projektu [16] było wykonanie aplikacji na platformie Matlab/Simulink pozwalającej na sterowanie silnikiem bezszczotkowym prądu stałego z wykorzystaniem zestawu developerskiego firmy Phytec opartego o mikrokontroler z rodziny PowerPC. W pierwszej fazie projekt wymagał opracowania i wykonania moduł z przetwornikiem C/A. Moduł ten umożliwił połączenie płyty developerskiej z dwukwadrantowym sterownikiem silnika bezszczotkowego prądu stałego. Dodatkową funkcją realizowaną przez moduł było zapewnienie galwanicznej separacji pomiędzy układem sterowania a elementem wykonawczym. W kolejnym etapie prace skupiły się na oprogramowaniu interfejsu szeregowego QSPI mikrokontrolera MPC555 w środowisku CodeWarrior. Realizacja ta stanowiła etap pośredni, ponieważ docelowa aplikacja programowa do szybkiego prototypowania miała zostać zrealizowana w oparciu o środowisko  Matlab/Simulink wraz z toolbox’em Target for Freescale MPC5xx. Tak więc, w ostatniej fazie projektu zaimplementowano w Simulinku blok, w którym częściowo wykorzystano kod w języku C zrealizowany w środowisku CodeWarrior.

Publikacje rozliczone w projekcie:

1.    Bal-Szyda A. Stabilność ciągłych układów liniowych o zmiennych skokowo współczynników. Przegląd Elektrotechniczny, R. 85 NR 7/2009, str. 211-214
2.    Duda Z. Kalman filtration with different information sets. Wersja robocza artykułu przygotowywanego do publikacji
3.    Gałuszka A., K. Skrzypczyk. Inteligentna winda jako zadanie planowania z reprezentacją PDDL. Złożone do Zeszytów Naukowych Pol. Śl. 2009
4.    Gessing R. Controllersof the boost DC-DC converter accounting its minimum- and nonminimum-phase nature. Archives of Control Sciences, vol. 19 (LV), 2009, No. 3, pages 245-259
5.    Gessing R. Fascynujące własności układów z regulatorami wynikającymi z podstawowej zasady sterowania. INFOTECH, Konferencja „Automatyka, Elektryka, Zakłócenia”, Jurata 3-6 czerwca 2009, str. 151-159
6.    Lungoci C., A. Gałuszka. Stability of an Electrical System Used in Transport. Wysłane do Przeglądu Elektrotechnicznego.
7.    Pacholczyk M., M. Kimmel. Exploring the landscape of protein-ligand interaction energy using probabilistic approach. Wysłane do Journal of Computational Biology, 2009.

Prace niepublikowane i projekty rozliczone z funduszu BK:

8.    Czornik A. Matematyka – wybrane zagadnienia. Opracowanie reefratu.
9.    Czyba R. (opiekun grupy), Szymon Bysko, Rafał Kamiński. Projektowanie i prototypowanie ukłądu sterowania prędkością silnika szczotkowego w oparciu o zestaw developerski Phytec z mikrokontrolerem freescale MP555. Raport z projektu.
10.    Czyba R. (opiekun grupy), Kaintoch T., Kurzeja Ł. Symulacja samolotu F-16 w pętli zamkniętej z regulatorem LQR oraz DCM – interfejs użytkownika. Raport z projektu.
11.    Daniec K. (opiekun grupy), Michał Krześlak, Krzysztof Kądziołka. Wykorzystanie LabView do publikacji symulacji w internecie. Raport z projektu.
12.    Daniec K. (opiekun grupy), Błeszyński Piotr, Janik Mateusz. Sterowanie obiektem z wykorzystaniem protokołu TCP/IP. Raport z projektu.
13.    Gałuszka A. (opiekun), Cabaj Paweł. Optymalizacja sieci komunikacji zbiorowej w Bytomiu. Niepublikowana praca magisterska, Gliwice 2009
14.    Gałuszka A. (opiekun), Tomanek Sebastian. Optymalizacja załadunku, rozładunku i rozmieszczenia kontenerów w terminalu kontenerowym. Niepublikowana praca magisterska, Gliwice 2009
15.    Pacholczyk M. (opiekun grupy), J. Bohr, J. Kowalczyk, D. Malik, K.
Sowiński. Sterowanie komorą cieplną. Raport z projektu.
16.    Szafrański G. (opiekun grupy), Wręczycki Leszek, Marszowska Iwona, Zwierzyński Michał. Designing and prototyping control system consisted of brushless DC motor and development kit with position control system. Raport z projektu.
17.    Kozak K. (opiekun), Łukasz Kowalski. System automatycznej identyfikacji świateł nawigacyjnych. Raport z projektu.
18.    Koteras R. (opiekun). System wykrywania fotoradarów dla telefonów opartych na platformie Android. Raport z projektu.