Ogólne zasady tworzenia schematów 

blokowych w automatyce

Wyodrębnianie poszczególnych bloków, a następnie tworzenie schematów blokowych w automatyce opiera się na koncepcji tzw. „czarnej skrzynki” (ang. black box), która pojawiła się w latach 40-tych XX wieku. Powstała ona w środowisku elektroników zajmujących się teorią obwodów, ale dość szybko okazała się użyteczna w wielu innych dziedzinach techniki czy nauki (z naukami przyrodniczymi, ekonomicznymi czy społecznymi włącznie). „Czarna skrzynka” stała się wręcz jednym z najważniejszych pojęć stosowanych cybernetyce, czyli stosunkowo nowej nauce o „sterowaniu oraz przesyłaniu i przetwarzaniu informacji w systemach technicznych, biologicznych i społecznych” [Encyklopedia PWN]. Za prekursora cybernetyki powszechnie uważa się wybitnego matematyka Norberta Wienera, który w 1948 roku opublikował swoje fundamentalne dzieło pod tytułem: „Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine”.

Przez „czarną skrzynkę” można rozumieć metaforyczne, nieprzezroczyste pudełko (ang. box), w którym wyobrażeniowo umieszczamy jakiś obiekt naszego zainteresowania. Generalnie może chodzić o praktycznie dowolny obiekt, którego wewnętrznej budowy i zasady działania nie umiemy lub nie chcemy analizować. Metaforyczny sens „czarnej skrzynki” jest taki, że chodzi o skrzynkę, do której po prostu trudno zajrzeć (ewentualnie nie mamy na to ochoty). Zamiast próbować zaglądać do takiej skrzynki, czyli próbować poznać wewnętrzną strukturę ukrytego w niej obiektu, wolimy skupić się na analizie stanu jego łatwo obserwowalnych (poza skrzynką) wejść oraz wyjść, dzięki którym obiekt ten (ukryty w skrzynce) wchodzi w interakcję z innymi obiektami (ukrytymi w innych skrzynkach). Uważamy przy tym, że poznawanie relacji typu „wejście-wyjście” (czyli określanie jaki jest związek miedzy stanem wejść a stanem wyjść interesującego nas obiektu) stanowi wystarczającą dla naszych potrzeb metodę badawczą. Posługując się tą metodą przyjmujemy bowiem dwa generalne założenia:

1.     sygnały wyjściowe, generowane przez blok, stanowią jego odpowiedź (reakcję) na napływające do niego sygnały wejściowe;

2.     odpowiedź ta (choć często zmienna w czasie, na skutek zmienności sygnałów wejściowych) jest uwarunkowana niezmiennymi w czasie właściwościami danego bloku, które to właściwości można poznać i opisać w jednoznaczny sposób.

Istotą tworzenia (definiowania) bloków w automatyce jest zastępowanie poszczególnych, mniej lub bardziej skomplikowanych, rzeczywistych elementów (obiektów) wchodzących w skład rozpatrywanego układu sterowania za pomocą tzw. umownych struktur oznaczanych graficznie jako prostokąty. Zastępowanie realnych obiektów fizycznych za pomocą umownych prostokątów, które mają jedynie jakieś obserwowalne wejścia oraz wyjścia oznacza oczywiście znaczące uproszczenie rzeczywistości. Poziom tego uproszczenia jest jednak kontrolowany i pozwala na wyabstrahowanie kluczowych, z punktu widzenia automatyki, aspektów tej rzeczywistości. Pominięcie innych aspektów jest zatem świadome i celowe gdyż służy skupieniu uwagi na tym, co naprawdę istotne dla automatyka.

By wyjaśnić powyższe, ogólne uwagi i zdać sobie sprawę ze skali uproszczeń, na jakie jesteśmy czasem gotowi, warto odwołać się do konkretnego przykładu. Zacznijmy od początku, czyli jak to mówią, od Adama i Ewy. Oto krótki fragment pewnego utworu literackiego:

„Wczesnym rankiem, mniej więcej dwie godziny przed świtem, Ewa i Adam szybko wsiedli do samochodu. Oboje mieli świadomość, że to, co się właśnie dzieje zmienia ich życie w nieodwracalny sposób. Byli niezwykle przejęci zaistniałą sytuacja. Tak bardzo, że mężczyzna, przed wyruszeniem w drogę, miał ochotę przeżegnać się jak Dawid Kubacki przed skokiem na Turnieju Czterech Skoczni, ale wstydził się to uczynić. Całkiem niepotrzebnie – jego żona zapewne przyjęłaby ten gest z pełnym zrozumieniem. Najprawdopodobniej jednak w ogóle by go nie zauważyła. Kobieta patrzyła bowiem nie na męża ale daleko przed siebie. Nagle, całkiem mimowolnie, przeszła jej przez głowę dziwna myśl: »Alea iacta est« i od razu zaczęła się zastanawiać dlaczego akurat to zdanie teraz jej się przypomniało. Po chwili oczekiwania powiedziała cicho ale zdecydowanie – jedźmy już. Dźwięk rozrusznika samochodu rozległ się niemal natychmiast.”

Być może ktoś chciałby poznać dalszy ciąg tej historii, ale nie jest konieczne. Wydaje się bowiem, że, przynajmniej z punktu widzenia teorii sterowania, sytuacja jest już dostatecznie jasna. W każdym razie na tyle jasna, by dało się sporządzić prosty schemat blokowy, który pokazano na rys. 3.1. Na schemacie tym występują tylko trzy bloki. Dwa z nich noszą nazwę „człowiek” a trzeci „pojazd”. 

Na początek warto uświadomić sobie jak drastycznie uproszczony (redukcjonistyczny) jest ten schemat. Pominięto na nim bardzo wiele aspektów całej sytuacji skupiając się tylko na jednej i to niekoniecznie najciekawszej kwestii. Z drugiej strony schemat ten jest jednak, w jakiś sposób prawdziwy, a nawet adekwatny z punktu widzenia teorii sterowania. Teoria ta nie jest szczególnie zainteresowana ani antropologią (czyli nauką o człowieku i jego wielowymiarowymi interakcjami z otoczeniem społecznym) ani mechaniką samochodową. Oczywiście kiedy ktoś używa pojęcia „człowiek” to z reguły ma, a przynajmniej powinien mieć, świadomość, że, cytując wypowiedź jednego z doktorów honoris causa SGGW: „Człowiek to znaczy oczywiście bardzo wiele. Pod wielu też względami można go opisywać i rozpatrywać. Właściwie środki ludzkie są bezsilne w stosunku do rzeczywistości, jaką jest człowiek” [Wojtyła 1972]. Inżynier zajmujący się zagadnieniem sterowania może poradzić sobie jednak z tego rodzaju poczuciem filozoficznej bezradności na swój własny sposób i po prostu narysować prostokąt z napisem „człowiek”, dodając co najwyżej informację, że chodzi o „Ewę” lub „Adama” (jedynie dla odróżnienia jednego człowieka od drugiego). Podobnie inżynier ten nie zawsze chciałby wnikać w szczegóły konstrukcji konkretnego samochodu i zamiast tego narysować prostokąt z napisem „pojazd”. Przyjmując punkt widzenia typowy dla teorii sterowania wydaje się, że (przynajmniej w pewnych okolicznościach) zredukowanie konkretnego człowieka (z całym bogactwem jego wewnętrznych przeżyć o charakterze intelektualnym czy emocjonalnym) i konkretnego samochodu (z całą jego złożonością konstrukcyjną) do dwóch czy trzech abstrakcyjnych prostokątów może być absolutnie uzasadnione.

Schemat pokazany na rys. 3.1 zawiera jednak coś więcej niż trzy, wspomniane powyżej bloki. Umowna strzałka skierowana od jednego „człowieka” do drugiego symbolizuje kierunek przekazywania kluczowych, z punktu widzenia teorii sterowania, informacji. Dzięki temu dla każdego jest jasne, że to „człowiek (»Ewa«)” skłoniła „człowieka (»Adama«)” do działania a nie odwrotnie. Podobnie strzałka skierowana od „człowieka” do „pojazdu” uwypukla istotny fakt, że w danej chwili to kierowca oddziałuje na samochód a nie samochód na niego. Z opisu obu strzałek nie wynika, jaka jest fizyczna natura przekazywanych sygnałów. Sporządzając analizowany schemat uznano, że nie jest szczególnie istotne czy Ewa wypowiedziała na głos jakieś słowa, wysłała SMS-a czy po prostu spojrzała na swojego męża z wyraźnym zniecierpliwieniem. Ważne, że był to sygnał skutecznie skłaniający go do działania. Nie jest także określone na czym fizycznie polegał sygnał uruchamiający silnik. Wiadomo jedynie, że sygnał ten niósł informację typu: „uruchomić silnik” ale nie jest jasne co stanowiło wielkość nośną tego sygnału - czy przekręcenie kluczyka w stacyjce, czy naciśnięcie przycisku z napisem „start”. Mamy zatem do czynienia z kolejnymi uogólnieniami i uproszczeniami opisu rzeczywistości. Warto zauważyć, że pierwszy sygnał pokazany na rys.3.1 jest sygnałem wyjściowym dla bloku „człowiek (»Ewa«)” oraz równocześnie sygnałem wejściowym dla bloku „człowiek (»Adam«)”. Z kolei drugi sygnał to sygnał wyjściowy bloku „człowiek (»Adam«)” i wejściowy dla bloku „pojazd”. Ogólnie mówiąc każdy blok występujący na schemacie blokowym może wysyłać sygnały i odbierać sygnały stąd mamy dwa rodzaje sygnałów: wyjściowe oraz wejściowe. 

Generalnie rzecz biorąc, schematy blokowe są w automatyce uważane za najbardziej przejrzystą formę graficznego zapisu struktury układu sterowania. Pokazują one ile bloków wchodzi w skład rozpatrywanego układu i jak są one ze sobą połączone. Wszystkie sygnały przepływające między poszczególnymi blokami są zawsze rysowane w formie ciągłych linii zakończonych strzałkami. Obok tych linii podaje się nazwy lub symbole poszczególnych sygnałów. Sygnały mogą podlegać rozgałęzianiu w węzłach informacyjnych (rozgałęźnych). Dzięki temu ten sam sygnał (np. pochodzący z jednego, konkretnego bloku) może w tym samym czasie docierać do kilku innych bloków. Istnieje również możliwość integrowania kilku różnych sygnałów (np. pochodzących z różnych bloków) tak by postawał z nich jeden, wypadkowy sygnał. Sygnał zintegrowany stanowi sumę algebraiczną sygnałów składowych (co oznacza, że sygnały można nie tylko dodawać ale i odejmować, o ile oczywiście ma to sens fizyczny). Służą do tego węzły sumacyjne zwane też czasem sumatorami.

Podstawowe symbole graficzne stosowane podczas tworzenia schematów blokowych używanych w automatyce pokazano na rys.3.2.

Warto dodać, że wszystkie występujące na schematach blokowych sygnały mogą zmieniać się w miarę upływu czasu. Ich wartości są zatem zawsze chwilowymi wartościami konkretnych funkcji czasu co na rys. 3.2 symbolicznie zapisano tak, jak zwykle zapisuje się wartości różnych funkcji tej samej zmiennej czyli: „x(t)”, „y(t)”, „a(t)”, „b(t)” itd. gdzie zmienna „t” oznacza czas dzielący daną chwilę od umownej chwili zerowej. Zasadnicza kwestia polega na tym, że dla każdego bloku sygnał wejściowy może być generalnie niezależny od sygnału wyjściowego. Natomiast sygnał wyjściowy zawsze stanowi odpowiedź (reakcję) obiektu na sygnał wejściowy.

By stworzyć i omówić przykład jakiegoś typowego, ale nieco bardziej rozbudowanego schematu blokowego spróbujmy zmodyfikować schemat pokazany na rys. 3.1. Tym razem załóżmy, że naszym celem jest uproszczona analiza jak to się dzieje, że samochód może przemieszczać się z prędkością, która jest dostosowana do przepisów o ruchu drogowym oraz do aktualnych warunków panujących na drodze. Z punktu widzenia teorii sterowania chodzi zatem o układ sterowania prędkością pojazdu. Załóżmy, że nie mamy do czynienia z samochodem autonomicznym co oznacza, że za jego prędkość odpowiada człowiek siedzący za kierownicą. Rzeczywista prędkość powinna być zatem w każdej chwili zgodna z intencją kierowcy, która to intencja powinna z kolei uwzględniać znaki drogowe, sygnalizację świetlną na skrzyżowaniach, ogólne zasady zawarte w kodeksie drogowym itd. Dla uproszczenia załóżmy, że kierowca ma do dyspozycji samochód z automatyczną skrzynią biegów oraz chce pokonać całą trasę z maksymalną prędkością, jaka jest w danej chwili dopuszczalna.

Po poczynieniu powyższych założeń można zbudować schemat blokowy układu sterowania prędkością, który, wraz z komentarzem, pokazano na rys. 3.3 Na schemacie tym widoczne są dwa znane nam już (z rys. 3.1) bloki: „człowiek” oraz „pojazd”. Poza tym schemat uwzględnia szereg sygnałów, które zostaną omówione poniżej. Na początku należy przypomnieć, że celem sterowania jest nieustanne utrzymywanie rzeczywistej, chwilowej prędkości pojazdu (sygnał „y”) na poziomie równym aktualnej prędkości zadanej (sygnał „w”) czyli maksymalnej prędkości jaka jest w danej chwili dopuszczalna zgodnie z przepisami prawa o ruchu drogowym i sytuacją na drodze. Cel ten można to zapisać krótko w formie równania matematycznego: „y = w”. Zdefiniowana powyżej prędkość zadana jest narzucona z zewnątrz, bo to przecież nie kierowca jest autorem kodeksu drogowego i nie on ustawiał znaki drogowe na swojej trasie. Z tego powodu sygnał „w” narysowano jako sygnał pochodzący z otoczenia zewnętrznego. Sygnał „w” trafia bezpośrednio na węzeł sumacyjny, gdzie jest porównywany z sygnałem „y”. Sygnał „y” trafia na węzeł sumacyjny z węzła rozgałęźnego (oznaczonego na schemacie jako symboliczna kropka, z której sygnał „y” rozchodzi się w dwóch kierunkach). Węzeł rozgałęźny można w tym przypadku interpretować także jako symbol prędkościomierza. W ten oto, umowny sposób struktura schematu blokowego odzwierciedla fakt, że kierowca mając świadomość jaka jest wartość prędkości zadanej („w”) może ją stale porównywać z prędkością rzeczywistą („y”). W praktyce wygląda to tak, że kierowca co pewien czas zerka na prędkościomierz i na tej podstawie może sprawdzić, czy jedzie za szybko, czy za wolno w odniesieniu do prędkości zadanej. Ma zatem stały dostęp do tzw. sygnału uchybu sterowania (sygnału „e”), który stanowi różnicę między prędkością rzeczywistą („y”) a zadaną („w”). Dzięki temu może zorientować się, że np. jedzie o 20 km/h za szybko (co oznacza, że sygnał „e =  ̶ 20 km/h”) lub np. o 10  km/h za wolno („e = +10 km/h”). Na tej właśnie podstawie kierowca może generować odpowiedni sygnał sterujący (sygnał „x”), czyli taki, jaki jest w danej chwili potrzebny by osiągnąć cel sterowania, czyli uzyskać zerowy uchyb regulacji („e = 0”). Oczywiste jest, że w tym przypadku sygnałem sterującym, wysyłanym przez „człowieka” do „pojazdu”, jest umiejętne naciskanie jednego z dwóch pedałów czyli tzw. gazu lub hamulca. Kluczowe znaczenie dla kierowcy ma fakt, że dzięki stałemu dostępowi do sygnału uchybu („e”) może on natychmiast obserwować skutki własnych działań i płynnie zmieniać nacisk na wybrany pedał, tak by osiągnąć zamierzony, w danym momencie, efekt. Jest to bardzo przydatne, bo warto zauważyć, że kierowca boryka się z dwoma, niezależnymi od siebie problemami. Po pierwsze wartość zadana (sygnał „w”) może w każdej chwili ulec gwałtownej zmianie (np. wtedy gdy zapali się czerwone światło lub dziecko goniące piłkę wbiegnie na szosę). Po drugie każdy samochód jest stale narażony na oddziaływanie zewnętrznych zakłóceń (symbolizowanych przez sygnały „z1” oraz „z2”) czyli czynników, które wbrew woli kierowcy mają istotny wpływ na prędkość. Najważniejsze z nich to nagła zmiana nachylenia terenu (np. podczas jazdy w górach) oraz zmienność siły i kierunku wiatru.

Przedstawiona na rys. 3.3. struktura układu sterowania obejmuje tzw. ujemne sprzężenie zwrotne. W ten sposób określa się przekazywanie informacji o aktualnym stanie sygnału wielkości sterowanej na węzeł sumacyjny celem określenia aktualnej wartości uchybu sterowania. Warto zwrócić uwagę, że to właśnie pętla sprzężenia zwrotnego jest zasadniczym elementem przyjętej koncepcji sterowania.

Opisany powyżej przykład sterowania dotyczy tzw. sterowania ręcznego, czyli realizowanego przez człowieka, który musi szybko oceniać sytuację i podejmować trafne decyzje „na bieżąco”, czyli wysyłać sygnał sterujący w tzw. czasie rzeczywistym. Wprawdzie ze sterowaniem ręcznym nadal spotykamy się dość często, ale automatyka koncentruje się na układach samoczynnych, to znaczy takich, w których kluczową rolę pełni nie człowiek ale odpowiednio zaprojektowane urządzenie sterujące. Urządzenie to jest w stanie skutecznie zastąpić człowieka pod warunkiem, że realizuje dostatecznie efektywny algorytm sterowania czyli w odpowiedni sposób reaguje na sygnał uchybu.

Wyobraźmy sobie na przykład, że chodzi nam nie o sterowanie prędkością samochodu, ale prędkością silnika elektrycznego zainstalowanego w obrabiarce sterowanej numerycznie. Podobnie jak poprzednio wielkością sterowaną „y” jest prędkość. Tym razem załóżmy jednak, że pożądana w danej chwili prędkość silnika jest zapisana w programie obróbkowym przygotowanym przez człowieka (technologa) i realizowanym przez system komputerowy sterujący obrabiarką. Oczekiwany przez technologa poziom prędkości możemy zatem określić jak wartość zadaną „w”. Schemat blokowy automatycznego sterowania prędkością silnika obrabiarki pokazano na rys. 3.4. Jego ogólny wygląd i zasada działania są podobne (można powiedzieć analogiczne) jak w przypadku schematu znajdującego się na rys.3.3. Zasadnicza różnica polega na tym, że na rys. 3.4 miejsce „człowieka” zajmuje „urządzenie sterujące”. Przepływ informacji jest jednak identyczny. Dzięki pomiarowi rzeczywistej prędkości silnika określany jest sygnał uchybu „e”, który stanowi różnicę między prędkością jaka została zapisana w programie (czyli prędkością zadaną „w”) a prędkością jaka jest naprawdę. Na podstawie sygnału uchybu urządzenie sterujące „wie” co ma robić, czyli „wie” jaki sygnał sterujący „x” ma w danej chwili wysłać na obiekt sterowany. Może zatem realizować algorytm sterowania, który pozwala adekwatnie oddziaływać na układ zasilający silnik tak, by odpowiednio zwiększyć lub zmniejszyć jego prędkość. Celem sterowania jest, jak zawsze, utrzymanie wielkości sterowanej na poziomie zadanym, czyli uzyskanie sytuacji, w której: „y = w” (co jest równoznaczne ze spełnieniem zależności: „e=0”). W przypadku silnika obrabiarki podstawowym zakłóceniem mającym wpływ na jego chwilową prędkość są zmienne w czasie opory ruchu, wynikające na przykład ze zmienności sił skrawania.