هندسة التحكم: ما هي؟ (و تاريخها)
ما هو هندسة التحكم
هندسة أنظمة التحكم هي فرع الهندسة الذي يتعامل مع مبادئ نظرية التحكم لتصميم نظام يعطي السلوك المرغوب بطريقة محكمة. لذلك، رغم أن هندسة التحكم غالباً ما تُدرس ضمن الهندسة الكهربائية في الجامعات، إلا أنها موضوع متعدد التخصصات.
يقوم مهندسو أنظمة التحكم بتحليل وتصميم وتحسين الأنظمة المعقدة التي تتكون من تنسيق عالي التكامل بين العناصر الميكانيكية والكهربائية والكيميائية والميتالورجية والإلكترونية أو الهوائية. وهكذا فإن هندسة التحكم تتعامل مع مجموعة متنوعة من الأنظمة الديناميكية والتي تشمل التفاعل البشري والتكنولوجي. هذه الأنظمة تُعرف بشكل عام بأنها أنظمة التحكم.
تركز هندسة أنظمة التحكم على تحليل وتصميم الأنظمة لتحسين سرعة الاستجابة والدقة والاستقرار للنظام.
تشمل طرق نظام التحكم الطرق الكلاسيكية والحديثة. يتم إعداد النموذج الرياضي للنظام كخطوة أولى يتبعها التحليل والتصميم والاختبار. يتم التحقق من الشروط اللازمة للاستقرار وأخيراً يأتي التحسين.
في الطريقة الكلاسيكية، يتم عادةً إعداد النمذجة الرياضية في المجال الزمني أو المجال الترددي أو المجال المعقد. يتم نمذجة استجابة الخطوة لنظام رياضياً في تحليل المجال الزمني التفاضلي لإيجاد وقت الاستقرار والتجاوز النسبي وما إلى ذلك. تحويلات لابلاس هي الأكثر استخداماً في المجال الترددي لإيجاد المكسب الفتحي والهامش الطوري والعرض النصفي للنظام وما إلى ذلك. مفهوم الدالة الانتقالية، معايير استقرار نيكيست، أخذ العينات من البيانات، رسم نيكيست، الأقطاب والصفرات، رسومات بود، تأخيرات النظام كلها تأتي تحت مظلة هندسة التحكم الكلاسيكية.
هندسة التحكم الحديثة تتعامل مع أنظمة الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد (MIMO)، والنهج الفضائي، والقيم الذاتية والمتجهات الذاتية، وغيرها. بدلاً من تحويل المعادلات التفاضلية العادية المعقدة، يقوم النهج الحديث بتحويل المعادلات ذات الرتبة العليا إلى معادلات تفاضلية من الرتبة الأولى ويتم حلها باستخدام طريقة المتجهات.
تستخدم أنظمة التحكم الآلية بشكل شائع لأنها لا تتطلب التحكم اليدوي. يتم قياس المتغير الخاضع للتحكم ومقارنته بقيمة محددة للحصول على النتيجة المرجوة. نتيجة لاستخدام الأنظمة الآلية لأغراض التحكم، سيتم خفض تكلفة الطاقة أو القوة وكذلك تكلفة العملية مما يزيد من جودتها وإنتاجيتها.
تاريخ أنظمة التحكم
يعتقد أن تطبيق نظام التحكم الآلي كان مستخدماً حتى في الحضارات القديمة. تم تصميم وتنفيذ العديد من أنواع الساعات المائية لقياس الوقت بدقة منذ القرن الثالث قبل الميلاد، من قبل اليونانيين والعرب. ولكن يعتبر نظام التحكم الآلي الأول هو حاكم كرة فلاي لواتس في عام 1788، والذي بدأ الثورة الصناعية. تم تحليل النمذجة الرياضية لحاكم كرة فلاي بواسطة ماكسويل في عام 1868. في القرن الـ19، طور ليونهارد أويلر وبير سيمون لابلاس وجوزيف فورييه طرق مختلفة للنمذجة الرياضية. يعتبر النظام الثاني هو دامبر فلايبر لأل بوتز - ثيرموستات في عام 1885. أسس شركة هيونداي.
يُعرف بداية القرن الـ20 بالعصر الذهبي لهندسة التحكم. خلال هذا الوقت، تم تطوير الطرق الكلاسيكية لهندسة التحكم في مختبرات بيل بواسطة هندرك وايد بود وهاري نيكيست. تم تطوير المتحكمات الآلية لتوجيه السفن بواسطة مينورسكي، رياضي روسي أمريكي. كما قدم مفهوم التحكم التكاملي والتفاضلي في العشرينات. وفي الوقت نفسه، قدم نيكيست مفهوم الاستقرار وتبعه إيفانز. تم تطبيق التحويلات في أنظمة التحكم بواسطة أوليفر هافيسايد. تم تطوير الطرق الحديثة لهندسة التحكم بعد الخمسينات بواسطة رودولف كالمان للتغلب على حدود الطرق الكلاسيكية. تم تقديم PLCs في عام 1975.
أنواع هندسة التحكم
لهندسة التحكم تصنيفاتها الخاصة اعتماداً على الأساليب المستخدمة. تشمل أنواع هندسة التحكم الرئيسية:
هندسة التحكم الكلاسيكية
هندسة التحكم الحديثة
هندسة التحكم القوية
هندسة التحكم الأمثل
هندسة التحكم المتكيفة
هندسة التحكم اللاخطية
نظرية الألعاب
هندسة التحكم الكلاسيكية
عادةً ما يتم تمثيل الأنظمة باستخدام المعادلات التفاضلية العادية. في هندسة التحكم الكلاسيكية، يتم تحويل هذه المعادلات وتحليلها في مجال محول. تحويل لابلاس، تحويل فورييه وتحويل z هي أمثلة. يستخدم هذا الأسلوب بشكل شائع في أنظمة الإدخال الواحد والإخراج الواحد (SISO).
هندسة التحكم الحديثة
في هندسة التحكم الحديثة، يتم تحويل المعادلات التفاضلية ذات الرتبة العالية إلى معادلات تفاضلية من الرتبة الأولى. يتم حل هذه المعادلات بطريقة مشابهة لطريقة المتجهات. عن طريق القيام بذلك، يتم حل العديد من التعقيدات المتعلقة بحل المعادلات التفاضلية ذات الرتبة العالية.
يتم تطبيق هذه الأساليب في أنظمة الإدخال المتعدد والإخراج المتعدد حيث لا يمكن تحليلها في المجال الترددي. يتم حل اللاخطية المتعددة المتغيرات بطريقة حديثة. تتعلق المتجهات الفضائية والأعداد الذاتية والمتجهات الذاتية بهذه الفئة. تصف المتغيرات الفضائية الإدخال والإخراج ومتغيرات النظام.
هندسة التحكم القوية
في أسلوب التحكم القوي، يتم قياس التغييرات في أداء النظام مع تغيير المعلمات بهدف التحسين. هذا يساعد في توسيع الاستقرار والأداء، وكذلك في العثور على حلول بديلة. وبالتالي، في التحكم القوي، يتم اعتبار البيئة والدقة الداخلية والضوضاء والاضطرابات لتقليل الأخطاء في النظام.
هندسة التحكم الأمثل
في هندسة التحكم الأمثل، يتم صياغة المشكلة كنموذج رياضي للمعالجة، مع القيود الفيزيائية والأداء، لتقليل دالة التكلفة. وهكذا فإن هندسة التحكم الأمثل هي الحل الأكثر ملاءمة لتصميم نظام بتكلفة أقل.
