Sivilingeniør / Masterprogram 5-årig, Trondheim

Kybernetikk og robotikk

– Hva er kybernetikk?

Kybernetikk er vitenskapen om hvordan dynamiske systemer som f.eks. fartøyer, roboter og industrielle prosesser oppfører seg, og hvordan man kan styre slike systemer automatisk. Det benyttes avanserte datatekniske og elektroniske virkemidler til måling, overvåkning og styring. Et enkelt eksempel på kybernetisk teknologi er en termostatstyrt varmeovn.

I 1947 ble begrepet cybernetics (på norsk kybernetikk) lansert av den amerikanske matematikeren Norbert Wiener. Han lot seg inspirere av det greske ordet "kybernetes", som betyr styrmann/rormann - "den som styrer". Kybernetiske anvendelser finnes overalt og det er skrevet mye litteratur om dette emnet og historien til fagfeltet.
 

Generelt reguleringssystem

Utdanningen innen kybernetikk skal gi en forståelse for alle de deler som skal til for å lage et overvåknings- og styresystem. Figuren viser noen sentrale begrep i et forenklet reguleringssystem. Et slikt system vil ofte være så omfattende at det er nødvendig å spesialisere seg innenfor en mindre del av fagområdet. For å kunne overvåke og/eller styre et system må man:

  • Forstå systemet, og kunne uttrykke denne forståelsen på en form som gjør at man kan anvende kybernetiske verktøy både til å analysere systemets oppførsel, og til å finne ut hvordan man skal påvirke systemet for å oppnå den oppførselen man ønsker. Matematisk modellering er derfor sentralt i kybernetikken. Modelleringen kan være basert på fundamental forståelse av det aktuelle systemet, eller være basert på observasjoner av systemets oppførsel uten å forklare denne ut fra fundamentale sammenhenger i systemet.
  • Observere viktige variable i systemet. Instrumentering og måleteknikk er derfor sentrale fagemner. Ofte må måledatene gjennomgå en omfattende behandling og analyse før man kan trekke ut den informasjonen man er ute etter. Dette kan skyldes at det er mye støy på måledataene som må filtreres vekk. I andre tilfelle skyldes det at man ønsker informasjon om noe som ikke kan måles direkte. I slike tilfelle kan man bli nødt til å kombinere en eller flere sekundære målinger med kunnskap om systemet for å trekke ut den informasjonen man egentlig ønsker.
  • For å styre eller regulere et system må man kunne påvirke systemet. Hvordan man påvirker systemet er selvsagt helt avhengig av hva slags system det dreier seg om. Det kan for eksempel dreie seg om å sette en riktig ventilåpning i en kjemisk prosess, gi en riktig styrestrøm til en robotmotor, eller injisere riktig mengde medisin i en pasient på et sykehus.
  • Det vil vanligvis være nødvendig å behandle store datamengder, og utføre forskjellige regneoperasjoner på disse, med meget strenge krav til responstider i databehandlingen. Sanntids datateknikk hører derfor hjemme på Institutt for Teknisk Kybernetikk, og er et viktig fagområde på instituttet.
  • Overvåking og styring av komplekse systemer vil dermed vanligvis forutsette et komplekst teknisk system for innhenting av data, datakommunikasjon, utføring av beregninger basert på måledata, og utsending av styresignaler. Design av slike systemer må ta tilstrekkelig hensyn til sikkerhet i alle deler av systemet – samt selvfølgelig også sikkerheten til det systemet man overvåker eller styrer. I et kjemisk prosessanlegg kan det være tusenvis av måle- og styresignaler som utveksles mellom prosessen og styresystemet.
  • I mange styre- eller overvåkningssystemer utgjør operatørene (dvs. menneskene) en viktig del. Operatørkommunikasjon er derfor viktig. Dette kan dreie seg om å presentere store datamengder på en forståelig måte (datavisualisering), eller å forsikre seg om at operatørene blir gjort oppmerksom på kritisk informasjon (f. eks. alarmer og filtrering av mindre viktige alarmer). Det er også viktig at operatørene kan betjene styresystemet på en enkel og forståelig måte, slik at man kan gjøre de ønskede endringer på systemet.