VIRTUÁLIS MŰSZEREK ÉS SZIMULÁCIÓ AZ OKTATÁSBAN

Átírás

1 Dr. Aradi Petra VIRTUÁLIS MŰSZEREK ÉS SZIMULÁCIÓ AZ OKTATÁSBAN BEVEZETÉS A számítógépes oktatási anyagok használata napról-napra fokozódik világszerte. Ezeknek az anyagoknak a stílusa a digitalizált kézírásos jegyzetektől a számítógépes dokumentumokon át az interaktív, hipermédia-jellegű online rendszerekig rendkívül változatos. Ezen stílusok mindegyikének az egyéni jelleg mellett megvannak az előnyei és a hátrányai. A kézírásos anyagokat általában beszkennelik és a szabványos dokumentum formátumok valamelyikében (pl. PsotScript, PDF, RTF, DOC) teszik elérhetővé. Bár ezek a dokumentumok hordozzák a készítőjük egyéniségének lenyomatát, rengeteg hátrányuk van. Az esetleges hibák kijavítás nehézkes, nincs bennük interaktivitás és körülményes a továbbfejlesztésük. A szövegszerkesztővel készített előadás- és laborjegyzetek előnyös tulajdonsága a pontos reprodukálhatóság, valamint a javítás és a kiegészítés lehetősége. Az említett két kategóriába tartozó anyagokat statikus dokumentumnak nevezhetjük: amint elkészültek, hozzáférhetővé válnak (általában az interneten keresztül), letölthetők, nyomtathatók. Felhasználásuk célja hasonlít a tankönyvek és nyomtatott jegyzetek céljához. A fejlődés következő lépcsője a statikus dokumentumok kiegészítése dinamikus tartalommal, így például hipertext tulajdonságokkal. Ezek a dokumentumok még mindig lehetnek hagyományos szöveges formátumúak (pl. PDF, DOC), de már rendelkeznek belső (és esetleg külső) hiperhivatkozásokkal. A hipertext dokumentumok talán legáltalánosabb képviselői a HTML-dokumentumok, vagyis a weblapok. A HTML-dokumentumok általában nyilvánosan hozzáférhetőek, céljuk pedig az online olvasás. Természetesen az esetek egy részében lehetséges az ilyen célú weboldalak (és honlapok) tartalmának letöltése offline használatra. Az oktatási anyagok lehetőségeit szélesítik a dokumentumokba ágyazott animációk és filmrészletek, valamint interaktív mintaprogramok (általában szimulációk). Ezek a kiegészítések alkalmasak a fent említett kategóriák közül a másodikba és harmadikba tartozó dokumentumok kiegészítésére. Az animált illusztrációk és videórészletek segítik az egyébként bonyolultan vagy egyáltalán nem szemléltethető valóságos folyamatok megértését. Az alkalmazói programok többféle célt szolgálhatnak: a rendszerek és folyamatok egyszerű bemutatásától az interaktív beavatkozás lehetőségéig. A kísérletezést is hasznosító

2 tudományterületek lehetőségeit a számítástechnika és az Internet jelentősen kiterjeszti. A világhálón találhatók olyan virtuális laboratóriumok, amelyek valóságos kísérleteket szimulálnak, továbbá laboratóriumok, amelyeknek műszerei és kísérletei interaktív módon, az interneten keresztül használhatók. Igen sok interaktív számítógépes oktatási anyag található az interneten különböző szakterületekhez és tantárgyakhoz. Ezeknek a tananyagoknak a célközönsége mind szintben, mind oktatási típusban széles skálát ölel át: az általános iskolától az egyetemig, a heti rendszerességű oktatástól a távoktatásig. Ebben a cikkben a BME Gépészmérnöki Karán különböző képzésekben és tárgyakban használt főleg rendszer- és irányítástechnikai témájú oktatási anyagok kerülnek bemutatásra. AZ ALKALMAZOTT SZIMULÁCIÓS RENDSZEREK A Rendszertechnika tárgy a valóságos rendszerek modellezésének és szimulációjának kérdéseivel foglalkozik, az elméletet, módszereket és alkalmazási lehetőségeket áttekintve. A tárgy teljesítése előfeltétele az Irányítástechnika tárgy felvételének, azonban nem csak erre készíti fel a hallgatókat, hanem más területeken is használható modellezési és szimulációs ismereteket ad. A modellezés és szimuláció elmélete, módszerei és technikája párhuzamosan és mintegy kiszolgálva a rendszer- és irányítástechnika igényeit jelentős fejlődésen ment keresztül az elmúlt száz esztendő során. A méréstechnika eszközei és lehetőségei hasonlóan növekedtek, így ma modern műszerekkel és mérési elvekkel pontos és gyors mérések végezhetők el. A számítástechnika fejlődése az adatfeldolgozás sebességében és kapacitásában szintén hozzájárul ezen szakterületek eredményeinek összekapcsolására különböző interdiszciplináris alkalmazásokban. Ezeket az új eredményeket mindig a lehető leghamarabb be kell vezetni az oktatásba, ugyanakkor az alapokat továbbra is ugyanúgy meg kell ismertetni a hallgatókkal. A régi ismeretek megtartása és az új eredmények integrálása komoly feladatot jelent az oktatóknak. Meg kell találniuk az egyensúlyt az átadott információ mennyisége és minősége között. Például a rendszer- és irányítástechnikában a frekvencia-tartománybeli módszerek még mindig szerepelnek a tananyagban, bár jelentőségük fokozatosan csökken az időtartománybeli szimulációs módszerek és a számítástechnika fejlődése miatt. Ugyanakkor a frekvencia-tartománybeli módszerek megismertetése elengedhetetlen, mivel rálátást és könnyen kezelhető eszközöket adnak a diákoknak. Emellett a korszerű modellezési és szimulációs ismereteket, így a soft computing-ot, az adaptív és optimális irányítást is be kell vezetni a tananyagba. E két feladat teljesítéséhez olyan programok kerültek kifejlesztésre, amelyek megkönnyítik a tankönyvekben és jegyzetekben közölt hagyományos információk (szöveges, diagramok, ábrák és egyenletek)

3 szemléltetését. Ezek a programok tulajdonképpen tekinthetők számítógépes játékprogramnak. Széleskörű tapasztalatok igazolják a játszva tanulás jelentőségét és hatékonyságát. A szimulációkkal játszva a megértés és a későbbi alkalmazás képessége nagyságrendekkel növekszik a hagyományos szövegesbeszédes információátadáshoz képest. Szimulációs programok Az elmúlt évek során az oktatásban alkalmazott szimulációs programok is jelentős fejlődésen mentek keresztül, az első DOS alatt futó szöveges rendszerektől a korszerű, grafikus felületű programokig. Ezen programok többsége kifejezetten szimulációs célokra fejlesztett alkalmazás, azonban rendelkezésre állnak általános célú programozási rendszereket kiegészítő szimulációs eszközök is. A Gépészeti Informatika Tanszék Rendszer- és Irányítástechnika Csoportja által leginkább használt programozási rendszer a Pascal/Delphi és a LabVIEW. A National Instruments által kifejlesztett LabVIEW rendszer 1994 óta folyamatosan használatban van az oktatásban és a kutatásban egyaránt. LabVIEW A LabVIEW név a Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench rövidítése, egy eredetileg mérésadatgyűjtésre, adatfeldolgozásra és folyamatirányításra fejlesztett, grafikus programozású rendszert takar. A folyamatos fejlesztés eredményeként a szoftver újabb verziói lehetővé teszik az adatbázis-integrációt, az interneten keresztül történő mérésadatgyűjtést és irányítást. Maga a grafikus programozási nyelv a G-nyelv, amelynek számtalan előre definiált eleme van grafikus felhasználói felületek létrehozására, adatfeldolgozásra, file-műveletekre és különböző berendezésekkel való egyszerű kommunikációra. A LabVIEW rendszer többféle platformon használható (pl. Microsoft Windows, Macintosh és UNIX-változatok). A LabVIEW terminológiában a programok neve virtuális műszer, rövidítésük az angol elnevezésből (virtual instrument) származik: VI. Az operációs rendszertől függő VI-októl eltekintve az alkalmazások gond nélkül vihetők át a platformok között. Minden LabVIEW VI két részből áll: az előlap (Front Panel) a grafikus felhasználói felület, a diagram (Block Diagram) pedig a tényleges programot tartalmazza (1. ábra). A szöveges programozási nyelvekkel ellentétben a G-nyelv adatfolyam-programozást tesz lehetővé. A program elemei struktúrák (pl. ciklusok, elágazások) és LabVIEW elemek (matematikai, logikai, mátrix, file, felhasználó által definiált stb. szubrutinok). Ezek az elemek a programban össze vannak drótozva.

4 A korábbi Rendszer- és Irányítástechnika Tanszéken két LabVIEW-hoz illeszkedő szimulációs rendszer TUBSIM (Dr. Lipovszki György) és.:psim:. (Dr. Aradi Petra) került kifejlesztésre. Mindkét rendszer fejlesztése a Folytonos rendszerek szimulációs nyelve (CSSL, Continuous System Simulation Language) alapján kezdődött. A fejlesztés során kialakult az egyes rendszerek alkalmazásának célja, ezért további kiegészítések is készültek (és készülnek ma is, hiszen mindkét csomag folyamatosan fejlődik). 1. ábra: Egyszerű LabVIEW program TUBSIM for LabVIEW A TUBSIM rendszer a fejlesztés első szakaszában a DOS és Windows környezetben futó Pascal fejlesztőrendszerek szimulációs kiegészítéseként készült. Később elkészült a TUBSIM elemek gyűjteménye LabVIEW VI-ok formájában. A TUBSIM tulajdonképpen a LabVIEW grafikus programozású környezetében megvalósított analóg számítógép reprezentáció. Az analóg számítógépeket ezelőtt évvel széles körben alkalmazták szimulációs feladatok megoldására. A digitális számítógépek elterjedésével az analóg számítógépeket és az analóg szimulációt felváltotta a digitális szimuláció. A digitális szimulációs rendszerek egy csoportja amelybe a TUBSIM is tartozik, az analóg szimuláció alapelveit alkalmazza. A TUBSIM VI Könyvtárban az analóg számítógépek tipikus elemei (összegzők, integrátorok, jelgenerátorok, stb.) mellett megtalálhatók a logikai blokkok, tipikus alaptagok (pl. arányos

5 egytárolós, holtidős), folytonos idejű szabályozók (PI, PID, stb.), valamint diszkrét idejű blokkok. A TUBSIM rendszer nem csak oktatási segédletként, de ipari alkalmazásokban (pl. a Paksi Atomerőmű szekunderköri szennyezőanyag-transzporjának vizsgálatában) is bizonyított..:psim:. for LabVIEW A.:PSim:. rendszer a fejlesztés első fázisában (a TUBSIM-hez hasonlóan) a CSSL-ajánlás szerinti, folytonos idejű rendszerek szimulációjára alkalmas VIokat tartalmazott. A.:PSim:. tervezése és megvalósítása során nagy segítséget jelentettek a TUBSIM rendszerrel szerzett tapasztalatok. A.:PSim:. ma már nem csak az időtartománybeli módszereket tartalmazza, hiszen elkészült a frekvenciatartománybeli eljárások gyűjteménye, ezáltal különösen alkalmassá téve a rendszert az oktatási alkalmazásra. A.:PSim:. része a soft computing módszereket (fuzzy rendszereket és neurális hálózatokat) megvalósító blokkgyűjtemény, amely alkalmas összetett nemlineáris- vagy mérési eredményeken alapuló modellek kezelésére. A friss fejlesztések közé tartoznak a bondgraph modellek, a diszkrét-idejű rendszerek, valamint az identifikációs és stabilitásvizsgálati elemek. A legújabb eredmény a.:psim:.compartment rendszer, amely az orvosbiológiai, élettani, farmakokinetikai, stb. területeken használt kompartment modellezés implementációja. A.:PSim:. blokkok funkcionális csoportokba vannak szervezve, amelyek közvetlenül elérhetők a LabVIEW programozása során. Míg a TUBSIM rendszerben a modellek megadása az analóg számítógépeknél megszokott elvekhez hasonlóan történik, a.:psim:. lehetőségei tágabbak. A modell megadási és konverziós lehetőségek hasonlítanak a MATLAB rendszerben meglévőkhöz. Az időtartománybeli modellek megadhatók átviteli függvénnyel, pólus-zéruserősítés alakban, állapottér modellként és összeállíthatók alapelemekből. A modellek megadását megkönnyítik az előlapon használható elemek. Szintén itt találhatók az előre definiált diagramok (Bode, Nyquist, Nichols). SZIMULÁCIÓK Folyamatosan nő az alap- és szakirányú rendszer- és irányítástechnika képzésben használt TUBSIM és.:psim:. szimulációs alkalmazások száma. A fő alkalmazási területek mellett egyéb tárgyakban és fórumokon (diplomatervezés, doktori kutatás) használják ezeket a rendszereket. A következő ábrákon néhány kiragadott minta szerepel a TUBSIM és.:psim:. alkalmazások köréből. A Rendszertechnika tárgyban az egyik első bemutatott

6 probléma egy magasból leejtett labda mozgását elemzi a modellezés és szimuláció eszközeivel (2. ábra). A modellalkotás során a labda-talaj rendszert kell leírni a fizikai törvényszerűségek segítségével. A következő feladat a matematikai modell megoldása különböző paraméter- és gerjesztés értékek esetén. Ennek megoldására kiválóan alkalmasak a szimulációs programok. A számítógépes szimuláció bevezetése a rendszertechnika oktatásában segít abban, hogy a hallgatók megértsék ennek a megközelítésnek a szükségességét és előnyeit a konvencionális numerikus módszerekhez képest. A grafikus modell-megadáshoz és programkészítéshez szükséges alapszintű LabVIEW programozási készségek könnyen elsajátíthatók, így a TUBSIM vagy.:psim:. rendszer alkalmazása nem jelent megoldhatatlan feladatot a diákoknak. Amennyiben nincs szükség a TUBSIM-mel vagy.:psim:.-mel való közvetlen programkészítésre, a hallgatók használhatják az előre elkészített szimulációs keretprogramokat. 2. ábra: Pattogó labda mintapélda TUBSIM-ben További rendszertechnikai példa a frekvencia-tartománybeli ábrázolás és az állapottér modellek bemutatása. Nagyon fontos kihangsúlyozni az idő- és frekvenciatartománybeli leírás közötti kapcsolatot. Erre természetesen a hagyományos módszerek (tábla-kréta) is alkalmasak, azonban az interaktív, szimuláción alapuló megközelítés hatékonysága megkérdőjelezhetetlen (3. ábra). Az ilyen, szimulációkkal illusztrált előadások megtartását segítik elő a szerencsére egyre növekvő számban rendelkezésre álló projektorral és számítógéppel felszerelt előadótermek. Ezek a berendezések nem csak lehetővé teszik, de kifejezetten ösztönzik a kivetíthető, aktív oktatási anyagok fejlesztését és használatát.

7 3. ábra:.:psim:. alkalmazás egyidejű idő- és frekvenciatartománybeli modellezésre Az állapottér modellek megoldása hagyományos módszerekkel különösen nehéz, ha a modell nemlineáris és holtidős késleltetést tartalmaz. Ilyen típusú állapottér modelleket használ az orvosbiológia az olyan összetett nemlineáris problémák leírására, mint például az enterohepatikus keringés (4. ábra). Az orvosbiológiai szimulációk különösen jelentősek akkor, ha betegségek hatását kompenzáló szabályozásokat kell tervezni. Erre egy példa lehet cukorbetegek gyógyszerezésének beállítása szimuláció segítségével. 4. ábra: Enterohepatikus keringés modellje.:psim:.-ben A szimuláció segítségül hívható a különböző típusú szabályozók bemutatására és összehasonlítására is. Az elméletben megismert módszereket így gyakorlatban is

8 ki lehet próbálni egy számítógépes szimulációs programmal. Ilyen alkalmazás egy három tartályos rendszer vízszint-szabályozási feladat megoldása (5. ábra). Ez a rendszer valós folyamatként és szimulációként is rendelkezésre áll, így a hallgatók megismerhetik a szimuláció alkalmazásának előnyeit a költségek és kockázatok csökkentésében. 5. ábra: Szabályozási kör.:psim:.-ben Az oktatásban a soft computing különböző alkalmazásai is bemutatásra kerülnek, így például egy diplomaterv keretében a TUBSIM és.:psim:. rendszerek felhasználásával készült alkalmazás: automata sebességváltó fuzzy szabályozása (6. ábra). 6. ábra: : Automata sebességváltó fuzzy szabályozása

9 Az oktatásban nem csak szimulációs alkalmazások szerepelnek, vannak olyan valóságos rendszerek, amelyeket LabVIEW-val lehet irányítani. Ilyen például a National Instruments folyamatmodell demója, amelyben egy ventilátor, egy izzó, egy hőmérő és egy mikrofon van. Ennek a doboznak a használata kettős, egyrészt használható a számítógépes mérésadatgyűjtés bemutatására, másrészt alkalmas irányítási algoritmusok bemutatására és kipróbálására. Szintén a külvilággal való kapcsolatot szolgálják a LEGO Dacta rendszerben megépített modellek, amelyek érzékelői és motorjai a számítógéphez a soros porton keresztül kapcsolódnak. A LEGO modellek irányítása szintén LabVIEW-val történik. Az ismertetett szimulációk egy része az előadásokon és laboratóriumi foglalkozásokon szerepel illusztrációként, mások szabadon hozzáférhetők és letölthetők az internetről tanulási segédletként. Félévről félévre nő a szimulációs alkalmazások száma, a fejlesztők között a tanszék oktatói mellett megtalálhatók a hallgatók is. A szimulációs alkalmazások iránt egyre több hallgató érdeklődik a Kar más tanszékeiről, sőt a társ-karokról is. A megszerzett szimulációs tudást más tárgyak feladataiban, diplomatervekben és PhD értekezésekben kamatoztatják. ÖSSZEFOGLALÁS A LabVIEW alkalmazások sebessége szerepel a jelenlegi vizsgálatok központjában. A számításigényes feladatokban, így például egy fuzzy szabályozó genetikus algoritmussal történő behangolásában (készülő diplomaterv) a számításokat egy Delphi-ben megírt DLL végzi el, jelentősen meggyorsítva a LabVIEW program futását. A cikk áttekinti a LabVIEW-alapú szimulációk oktatási segédletként való alkalmazásait a BME Gépészmérnöki Karán. A korábbi Rendszer- és Irányítástechnika Tanszéken kifejlesztett TUBSIM és.:psim:. szimulációs csomagokra alapozott LabVIEW alkalmazások előadásokat illusztrálnak és megkönnyítik a hallgatók egyéni felkészülését. Az utóbbi években oktatott tárgyak, elkészített és megvédett diplomatervek alátámasztják az ilyen alkalmazott szimuláció létjogosultságát. A jelenlegi kutatási és fejlesztési munka része speciális DLL-ek fejlesztése fuzzy, neurális és genetikus alkalmazásokhoz. A közelmúltban Dr. Lipovszki György által kifejlesztett diszkrét-esemény szimulációs rendszer oktatási alkalmazása a következő szemeszterben kezdődik. Az oktatási anyagok iránti nemzetközi igénynek megfelelően a Gépészeti Informatika Tanszék Rendszer- és Irányítástechnika Csoportja által fejlesztett anyagok kétnyelvűvé (magyar-angol) tétele folyamatban van.

10 FORRÁSOK ÅSTRÖM, K.J., WITTENMARK B.: Computer-Controlled Systems, Prentice-Hall, 1997 BÁRDOSSY, A., DUCKSTEIN, L.: Fuzzy Rule-Based Modelling with Applications to Geophysical, Biological and Engineering Systems, CRC Press, 1995 BEQUETTE, B.W.: Process Dynamics, Prentice Hall, 1995 BRONZINO, J.D. (Editor-in-Chief) (1995) The Biomedical Engineering Handbook, CRC Press DORF, R.C., BISHOP, R.H.: Modern Control Systems, Addison Wesley Longman, 1998 GORDON, G.: System Simulation, Prentice Hall, 1969 HARTLEY, T.T., BEALE, G.O., CHICATELLI, S.P.: Digital Simulation of Dynamic Systems A Control Theory Approach, Prentice Hall, 1994 JOHNSON, GW: LabVIEW Graphical Programming. Practical Applications in Instrumentation and Control, McGraw-Hill, 1994 KHEIR, N.A. (EDITOR): Systems Modeling and Computer Simulation, Marcel Dekker, Inc., 1995 LAW, A.M., KELTON W.D.: Simulation Modeling & Analysis, McGraw-Hill, 1991 MAN, KF, TANG, KS AND KWONG, S.: Genetic Algorithms, Springer, 1999 MONSEF, Y.: Modelling and Simulation of Complex Systems. Concepts, Methods and Tools, Society for Computer Simulation International, 1997 NATIONAL INSTRUMENTS: LabVIEW User Manual at WELLS, L.K.; TRAVIS J.: LabVIEW for EveryOne Graphical Programming Made Even Easier, Prentice Hall, 1995 ZEIGLER, B.P., PRAEHOFER, H., KIM T.G.: Theory of Modelling and Simulation, Academic Press, 2000