”Ajattelevat koneet” – automaattiset säätöjärjestelmät

HMINEN on kautta historiansa pyrkinyt jatkuvasti parantamaan osaansa elämässä. Kekseliäisyytensä ansiosta hän kehitti koneita, jotka vapauttivat monet ruumiillisesta raadannasta. Tyytymättä kuitenkaan tähän edistykseen hän meni askeleen pidemmälle ja kehitti koneita, jotka suorittivat osan hänen henkisistäkin ponnisteluistaan. Soveltamalla näitä uudempia keksintöjä tavanomaisempiin koneisiinsa ihminen on nyt saanut palvelukseensa koneita, jotka näyttävät hallitsevan itseään ja tekevät työnsä nopeammin kuin on milloinkaan aikaisemmin ollut mahdollista. Näiden uusien säätöjärjestelmien soveltamisen tulos on jo kauan ollut ihmisen unelmana – AUTOMAATIO!

Monilta kuluu tuskin päivääkään heidän käyttämättä hyödykseen automaation palveluksia. Kotisi miellyttävän lämpötilan säilyttävästä termostaatista aina herätyskelloon, joka niin täsmällisesti herättää sinut aamuisin, ja leivänpaahtimeen saakka, joka paahtaa leipäsi kullankeltaiseksi, sinä saat hyötyä automaattilaitteesta toisensa jälkeen.

Automaattilaitteisiin liittyvien perusperiaatteiden ymmärtäminen auttaa meitä karkottamaan mielestämme tieteisromaanien ilmapiirin. Vaikka säätöjärjestelmien sovellutukset voivatkin vaihdella kotitalouskojeista tekokuiden monimutkaisiin ohjausjärjestelmiin, niin näiden järjestelmien peruselimet ovat verraten yksinkertaiset. Joidenkin yksinkertaisempien järjestelmien toiminnan ymmärtäminen auttaa meitä jossain määrin käsittämään monimutkaisempienkin laitteiden toimintaa.

Avoimet säätöjärjestelmät

Ymmärtääksemme paremmin säätöjärjestelmän toimintaa voimme ottaa esimerkiksi tutun automaattisen leivänpaahtimen. Mielessäsi on haluamasi paahtoleivän laatu ja sen mukaan sinä asetat osoittimen oikeaan asentoon. Tämä on leivänpaahtimelle annettu toimintakäsky. Tällä käskyllä sinä ilmoitat leivänpaahtimelle, millaista paahtoleipää haluat, ts. millaisen tuloksen haluat siltä. Kääntämäsi osoitin, joka toimii todellisuudessa aikakytkimenä, säätää sen leivänpaahtimen osan toimintaa, joka tekee varsinaisen työn, eli kuumennuslankojen toimintaa. Tässä meillä on siis säätöjärjestelmistä yksinkertaisemman tyypin, ns. avoimen säätöjärjestelmän peruselimet. Se voidaan kaaviona esittää seuraavasti:

Järjestelmän kaksi pääosaa ovat siirtovalitsin ja toimielin. Siirtovalitsimen tehtävänä on ”kääntää” toimintakäsky ”kielelle”, jota toimielin voi ”ymmärtää” ja ”totella”. Automaattisessa leivänpaahtimessa siirtovalitsin on osoitin, joka toimii aikakytkimenä ja säätää sen ajan pituuden, minkä kuumennuslangat ovat sähkövirtaan kytkettyinä. Toimintakäsky annetaan halutun paahtoleivän laatuna, joka on joko kullanruskea, keskiruskea tai tummanruskea. Tässä muodossa ei toimintakäskyllä ole kuitenkaan mitään merkitystä toimielimelle. Siksi siirtovalitsin ”kääntää” tämän toimintakäskyn ennaltamäärätyn pituiseksi ajaksi ja syöttää tämän uudelle ”kielelle” käännetyn toimintakäskyn toimielimeen. Tällä tavoin siirtovalitsin siirtää toimintakäskyn toimielimeen kielellä, jonka merkityksen se ymmärtää, niin että se voi toteuttaa tehtävänsä. Tässä nimenomaisessa järjestelmässä kuumennuslangat muodostavat toimielimen, koska juuri ne toimittavat varsinaisen tehtävän eli suorittavat vaaditun työn, ts. paahtavat leivän.

Vaikka onkin mahdollista paahtaa leivänviipale täsmälleen halutulla tavalla pitämällä sitä käsin avoimen tulen yllä, liikuttamalla ja kääntelemällä sitä ja tarkkailemalla sitä jatkuvasti, niin tämä menetelmä vaatii käyttäjältään jatkuvaa tarkkaavaisuutta ja vaivannäköä. Ottamalla käyttöön yllä kuvatun yksinkertaisen säätöjärjestelmän elimet voi silti vielä säädellä lopullisen tuotteen laatua, mutta samalla vapautuu jatkuvasta vaivannäöstä ja tarkkaavaisuudesta, mitä käsikäyttöinen menetelmä vaati. Täten yksinkertainen säätöjärjestelmä täyttää automaattikoneiston perustehtävän.

Mutta miksi tällaista säätöjärjestelmää kutsutaan avoimeksi järjestelmäksi? Kun toimintakäsky syötetään järjestelmään, niin se merkitsee todellisuudessa säätämistoiminnan päättymistä. Tästä lähtien toiminta noudattaa kuvassa 1 esitettyä ohjausta. Mitään jälkisäätöä ei enää ole. Normaaleissa olosuhteissa, kun jokainen järjestelmän osa toimii niin kuin sen pitääkin, lopullinen tuote on toimintakäskyn mukainen.

Mutta mitä tapahtuu, jos jokin ei toimikaan niin kuin sen pitäisi? Mitä tapahtuu, kun jotkut odottamattomat tekijät astuvat kuvaan? Sanokaamme, että leipä onkin tavallista kuivempaa. Järjestelmässä ei mikään kerro tätä tietoa toimielimelle, niin että sen toiminta muuttuisi tai korvattaisiin jollain muulla toiminnalla. Tuloksena voi siksi olla palanut paahtoleipä, vaikka olisitkin asettanut osoittimen esimerkiksi keskiruskean kohdalle. Tähän järjestelmään ei ole rakennettu mitään sellaista osaa, joka muuttaisi tai oikaisisi sen toimintaa, vaikka lopullinen tuote ei olisikaan sellainen, kuin oli odotettu. Tulos ei pysty vaikuttamaan järjestelmän toimintaan eikä säätämään sitä. Siksi tällaista säätöjärjestelmää kutsutaan avoimeksi järjestelmäksi.

Selvää on, että tämän ilmeisen puutteen poistamiseksi täytyisi löytyä jokin keino, millä järjestelmän toimintaa voitaisiin muuttaa, jos tuloksen laadussa olisi valittamista. Avoimessa järjestelmässä tällainen keino on ihminen, sen käyttäjä. Nähdessäsi leivänviipaleen alkavan savuta paahtimessa voit kääntää leivänpaahtimessa olevaa paahtoasteen valitsinta. Tai nähdessäsi, ettei leipä ole vielä paahtunut tarpeeksi, voit kääntää valitsinta tummemmalle leivälle. Täten sinä itse syötät tiedon tuloksen laadusta takaisin järjestelmään. Ihminen korjaa järjestelmän toimintaa, niin että tulos vastaa haluttuja vaatimuksia.

Suljetut säätöjärjestelmät

Todella automaattisessa säätöjärjestelmässä korjausta eli takaisinkytkentää ei tietenkään aikaansaa ihminen vaan itse järjestelmään rakennetut elimet, jotka voivat suorittaa samat valvontatehtävät, mutta vain paljon nopeammin ja tarkemmin. Tällaisia järjestelmiä kutsutaan suljetuiksi säätöjärjestelmiksi eli -piireiksi.

Ymmärtääksemme, miten yksinkertainen suljettu säätöjärjestelmä toimii, voimme tarkastella erästä toista hyvin tuttua esimerkkiä, termostaatin säätelemää talon lämmitysjärjestelmää. Tässä järjestelmässä on kaikki ne piirteet, jotka olivat myös edellä tarkastelemassamme avoimessa säätöjärjestelmässä. Toimielin on tietenkin keskuslämmityskattila, joka todellisuudessa lämmittää talon ilmatilan. Siirtovalitsin on termostaatin kierrettävä lämpötila-asteikko, ja itse termostaatti on tuo lisätty takaisinkytkentäelin. Näiden perusosien järjestely on esitetty kaaviona kuvassa 2.

Olettakaamme, että haluat pitää huoneen miellyttävässä 23 asteen lämpötilassa. Termostaatin lämpötila-asteikko asetetaan siis osoittamaan tätä lämpötilaa. Tämä on järjestelmälle annettu toimintakäsky. Käsky vaikuttaa lämmityskattilan säätimiin ja kytkee sen toimintaan. Kattilan lämmittäessä huoneen lämpötila alkaa nousta ja lähestyy vähitellen valittua lämpötilaa. Kun huoneen lämpötila lopulta saavuttaa 23 astetta, niin termostaatti laukeaa ja lähettää tästä tiedon kattilan säätimiin lopettaen sen toiminnan.

Tavallisesti lämpötila jatkaa nousuaan hieman senkin jälkeen, kun lämmitys kattilassa on päättynyt. Sitten se saavuttaa maksiminsa ja alkaa laskea. Kaikki tämä tapahtuu tietenkin ennalta valitun lämpötilan läheisyydessä. Huoneen lämpötilan laskiessa takaisin 23 asteeseen termostaatti kytkeytyy jälleen, ja kattila alkaa lämmittää kiertovettä ehkäistäkseen huoneen lämpötilaa laskemasta enempää. Tällä tavoin lämmityskattilan ja termostaatin yhdistelmästä muodostuu automaattijärjestelmä, joka pystyy lämmittämään halutun tilan ja pitämään sen valitussa lämpötilassa. Termostaatti toimii tässä tapauksessa järjestelmän ”aivoina” valvoen ja säädellen sitä.

Takaisinkytkentäelin

Avoimen ja suljetun säätöjärjestelmän lyhyestä erittelystä ja kuvien 1 ja 2 vertailusta nähdään helposti, että olennaisena erona näiden kahden välillä on takaisinkytkentä. Tämä on todellisuudessa automaattisen säätöjärjestelmän sydän. Juuri takaisinkytkentäelin antaa näille järjestelmille niiden ”automaattiset” ominaisuudet. Takaisinkytkentäelimen perustehtävänä on mitata tulos ja verrata sitä toimintakäskyyn. Useimmissa tapauksissa tämä tapahtuu sähköisesti, koska se on yleensä kätevin ja tarkin menetelmä.

Fysikaalisten suureiden, kuten lämpötilan, paineen, siirtymisen, nopeuden, kiihtymisen, valoisuuden yms. muuttamiseen sähköisiksi signaaleiksi käytetään erikoisia muuntolaitteita. Nämä signaalit mitataan ja jopa rekisteröidäänkin, niin että järjestelmän toimintaa voidaan jatkuvasti tarkkailla. Tunnetuimpia tällaisista muuntolaitteista ovat valokenno, gyroskooppi ja pietsosähköinen kide. Näiden rakenne ja sovellutukset ovat jo itsessään kiehtova ala.

Vaikka automaattiset säätöjärjestelmät ovatkin pitkälle kehittyneitä nykyään, niiden historia on verraten lyhyt, vain puolisen vuosisataa. Tänä aikana on nähty säätöjärjestelmien teorian synty, kehitys ja sovellutukset. Tämän alan nopean kehityksen voidaan katsoa johtuvan kahdesta pääsyystä.

Ensiksikin alati kehittyvä sähkötekniikka ja elektroniikka varasivat säätöinsinööreille tarvittavat työvälineet säätöjärjestelmien rakentamiseksi. Teollisuus on puolestaan vaatimuksillaan edistänyt tutkimustyötä, mikä on ollut välttämätöntä säätötekniikan saattamiseksi nykyiselle tasolleen.

Nykyään on tavanomaista nähdä koteja, jotka on runsaasti varustettu automaattikojein, toimistoja, joissa automaattisia konttorikoneita ja tietokoneita surisee joka puolella, ja tehtaita, joissa automaattiset säätöjärjestelmät huolehtivat kokonaisista valmistusprosesseista raaka-aineista lopulliseen tuotteeseen saakka. Säätöjärjestelmien tarina valaisee todella hyvin Luojan ihmiselle lahjoittamaa kykyä, jonka avulla ihminen on voinut tutkia ja käyttää hyödykseen Jumalasta itsestään lähtöisin olevia aineita ja lakeja.

[Kuva s. 14]

KUVA 1 AVOIN SÄÄTÖJÄRJESTELMÄ

[Kuva s. 16]

KUVA 2 KAAVIO SULJETUSTA SÄÄTÖJÄRJESTELMÄSTÄ