Lehti 1-1997 (Mallintaminen ja simulointi)

Pääteemana mallintaminen ja simulointi

Uudet mallintamismenetelmät tulivat -tarvitaanko vanhoja?
Dos. Jari Hämäläinen VTT Automaatio

Matemaattisten mallien ja niihin perustuvien simulointien avulla suunnitellaan prosesseja ja laitteita, parannetaan ohjauksia ja säätöjä, ennustetaan ja monitoroidaan erilaisten järjestelmien käyttäytymistä sekä diagnosoidaan häiriö- ja vikatilanteita. Simulaattorin avulla koulutetaan tulevia operaattoreita ja ennen tuotantolaitoksen tai laitteen rakentamista. Usein mallintamisprojektin arvokas anti on oman prosessin dynamiikan ja sen muuttujien välisten riippuvuuksien parempi oppiminen. Suuri osa automaation kannalta keskeisten järjestelmien malleista ja säädöistä on edelleen lineaarista. Mallirakenteet perustuvat hyvin tunnettuihin teorioihin ja toimivat ennustettavasti olosuhteissa, joihin ne on tehty.

Useimmat käytössä olevat epälineaariset prosessien simulointimallit ovat pääosin fysikaaliskemiallisiin periaatteisiin pohjautuvia mekanistisia malleja. Jotkin osajärjestelmät on kuvattu mittaustietoihin perustuvilla empiirisillä malleilla ja asiantuntijatietoon tai heuristiikan perustuviin sääntöihinkin on jouduttu turvautumaan.

80-luvulla tulivat asiantuntijajärjestelmät, joita monet halusivat soveltaa ongelmaan kuin ongelmaan. Perinteisiä malleja ei enää tarvittu. Anekdootin mukaan kalliiksi tulleen projektin viimeisessä projektikokouksessa järjestelmän kehittäjä vielä lopettamispäätöksen jälkeen totesi: "Just a few more rules and it will work!" Tekniikkaa yritettiin soveltaa moniin ongelmiin, joihin se ei sovellu. Toisaalta asiantuntijajärjestelmät ovat jääneet elämään joissakin sovelluksissa ja suurten kokonaisjärjestelmien osina. 90-luvulla tulivat Eurooppaan ja Suomeenkin voimalla neuroverkot ja sumeat järjestelmät. Osataanko niitä soveltaa nimenomaan niille soveltuviin ongelmiin? Uusia menetelmiä testataan laajassa sovellusjoukossa TEKES:n teknologiaohjelmassa "Oppivien ja älykkäiden järjestelmien sovellukset", joka päättyy vuonna 1998.

Mallintamismenetelmästä riippumatta epälineaarinen empiirinen malli parhaimmillaankin ennustaa hyvin vain vanhojen havaintojen läheisyydessä. Mallin perustana olevat mittaukset ovat yleensä merkittävin rajoittava tekijä mallin käytettävyydelle. Mitä epälineaarisempi ilmiö ja malli, setä arvaamattomampi ja epälineaarisempi voi tulos olla määrittelyalueen ulkopuolella. Mittausdatan asettamat rajoitukset on pidettävä mielessä, jos halutaan simulointien perusteella muuttaa prosessia tai sen ohjausta.

Mekanistisista malleista yleensä tiedetään etukäteen missä olosuhteissa ne toimivat. Ja mikä on yhtä tärkeää: missä olosuhteissa ne eivät toimi. Aina ei mekanistisista mallia voida muodostaa ja on turvauduttava empiiriseen malliin, joka toteutetaan perinteisillä tekniikoilla, neuroverkoilla tai sumeilla menetelmillä. Usein parhaan vaihtoehdon valinta on helppoa, kun menetelmät rajoituksineen tunnetaan riittävän hyvin. Viime aikoina on myös yhä useammin päädytty erityyppisten mallien yhdistelmään – hybridimalliin.

Jari Lappalainen ja Heikki Välisuo, VTT Automaatio
Dynaaminen simulointi yleistyy paperiteollisuudessa
Dynaaminen simulointi on arkipäivää monilla teollisuudenaloilla, mutta ei paperiteollisuudessa. Staattinen simulointi on yleinen työkalu. Dynaamista simulointia on hyödynnetty lähinnä säätöteknisten ongelmien ratkaisussa. Tilanne on nyt muuttumassa.

Johan Scholliers, VTT Automaatio, Koneautomaatio
Mekatronisten laitteiden mallinnus ja simulointi analogiapiirisimulaattorin avulla
Mekatronisten järjestelmien simulointiin ei tarvita kallista työkalua, vaan siihen voidaan soveltaa edullisia analogiapiirisimulaattoreita. VTT:ssä on kehitetty monitekninen SPICE-mallikirjasto, joka sisältää sähköisiä, sähkömekaanisia ja hydraulisia komponentteja.

Jari Kallela, ABB Service Oy
Käyttäjät ovat mahdollisuus automaation suunnittelussa
Prosessiteollisuudessa vaikuttaa monia muutosvoimia, jotka edellyttävät laadullisesti toisenlaista ohjausjärjestelmän suunnittelu- ja käyttötapaa. Erityisesti automaatiojärjestelmät näyttävät olevan puutteellisia monimutkaistuvien ja joustavien prosessien hallintaan. Tämä käy ilmi kirjallisuudessa esitetyistä arvioista prosessiteollisuudesta sekä havainnoista, haastatteluista ja kyselyistä suomalaisesta tuotantoelämästä.

Timo Harju ja Arto Marttinen, Control CAD Oy
Teollisuusprosessien säätöjenviritys
Säätöpiirin virityksessä keskeinen ongelma on löytää sopivat säätimen parametriarvot, jotka täyttävät piirille asetetut toiminnalliset vaatimukset. Usein käytännössä jo sopivien vaatimusten määritteleminen saattaa olla vaikeaa. Suositun lambda-säädön avulla piirin virittäjä voi asettaa säätöpiirin nopeuden haluamakseen. Lisäksi yksinkertaiset virityssäännöt takaavat rauhalliset ohjaussignaalit.

Pekka Korpiharju, VTT Tietotekniikka ja Mika Lindholm, OR-Tech Finland Oy
Tapahtumapohjaisten simulointiohjelmistojen vertaileminen
Tapahtumapohjaisen simuloinnin havainnollisuutta on selventänyt 3D-grafiikka. Nämä järjestelmät ovatkin yhä tavallisempia työkaluja tuotantoyrityksissä. Sopivimman simulointijärjestelmän valinta on vaikeaa

Jarmo T. Alander, Vaasan yliopisto, tuotantotekniikka
Umpimähkäinen heuristinen etsintä usein ainoa vaihtoehto monimutkaisen tehtävän
optimoimiseksi

Evoluutioteoria ja genetiikka tarjoaa insinöörille menetelmiä hyödyntää tietokoneiden suurta laskentakapasiteettia yksinkertaisella tavalla vaikeiden optimointiongelmien ratkaisemiseksi.

Aarne Halme, Mika Vainio, Torsten Schönberg, Pekka Appelqvist, Teknillinen korkeakoulu, Automaatiotekniikan laboratorio
Yhteisörobotiikan periaatteelle rakentuva liikkuva anturi/toimilaitejärjestelmä
Teknillisessä korkeakoulussa kehitetty anturi/toimilaitejärjestelmä on tarkoitettu mittaamaan, tarkastamaan ja suorittamaan paikallista vaikuttamista prosessivirtausten mukana liikkuvien robottimaisten laitteiden avulla. Bakteerirobottiyhteisöksi kutsuttu järjestelmä voidaan kytkeä prosessin automaatiojärjestelmään ja sen avulla on mahdollista saada tarkempaa tietoa mm. prosessin sisäisten muuttujien jakaumista ja paikallisista ongelmakohdista