Управление на процесите: Какво е това? (И неговата история)

Какво е инженерията на контрола

Инженерията на контролните системи е отрасъл на инженерията, който се занимава с принципите на теорията на контрола, за да се проектира система, която дава желаното поведение по контролиран начин. Въпреки че инженерията на контрола често се преподава в рамките на електротехниката в университетите, тя е междудисциплинарна тема.

Инженерите на контролните системи анализират, проектират и оптимизират сложни системи, които се състоят от високо интегрирани координации на механични, електрически, химически, металургически, електронни или пневматични елементи. Така инженерията на контрола се занимава с разнообразен спектър от динамични системи, които включват интерфейс между хора и технологии. Тези системи са широко известни като контролни системи.

Инженерията на контролните системи се фокусира върху анализа и проектирането на системи, за да се подобри бързодействието, точността и стабилността на системата.

Двете методики на контролните системи включват класически методи и модерни методи. Математическата модель на системата се създава като първа стъпка, следвана от анализ, проектиране и тестове. Проверяват се необходимите условия за стабилност и накрая следва оптимизация.

В класическия метод математическото моделиране обикновено се извършва в времевата, честотната или комплексната област. Стъпковата реакция на системата се моделира математически в диференциален анализ във времевата област, за да се намерят времето за установяване, процентното превишаване и т.н. Преобразуванията на Лаплас най-често се използват в честотната област, за да се намерят отворената петлова печалба, фазовият резерв, ширината на лентата и т.н. на системата. Концепцията за преходната функция, критерият на Найквист за стабилност, пробиране на данни, графика на Найквист, полюси и нули, графики на Боде, забавяне на системата всичко това попада под покривалото на класическата инженерия на контрола.

Модерната инженерия на контрола се занимава с системи с множество входове и изходи (MIMO), подход на пространството на състоянията, собствени стойности и вектори и т.н. Вместо да се трансформират сложни обикновени диференциални уравнения, модерният подход превръща уравнения от по-висок ред в диференциални уравнения от първи ред, които се решават с векторен метод.

Автоматичните контролни системи са най-често използвани, тъй като не изискват ръчно управление. Контролируемата променлива се измерва и сравнява с зададена стойност, за да се получи желаният резултат. В резултат на автоматизираните системи за контрол, цената на енергията или мощността, както и цената на процеса, ще бъде намалена, увеличавайки качеството и продуктивността.

История на контролните системи

Приложението на автоматичните контролни системи се смята, че се използва дори от древните цивилизации. Няколко типа водни часовници са били проектирани и приложени, за да се измерва времето точно от трети век пр.н.е., от гръцки и арабски учени. Но първата автоматична система се счита за Управителния механизъм на Уатс през 1788 г., който започнал индустриалната революция. Математическото моделиране на управителя е анализирано от Максуел през 1868 г. През 19ти век Леонард Ойлер, Пиер Симон Лаплас и Жозеф Фурие разработват различни методи за математическо моделиране. Втората система се счита за Демпер Флапър – термостат на Ал Бутз през 1885 г. Той започнал компанията, която днес се нарича Ханивел.

Началото на 20ти век се смята за златната ера на инженерията на контрола. По това време класическите методи на контрол са разработени в Бел Лабораторията от Хендрик Уейд Бод и Хари Найквист. Автоматични контролери за управление на кораби са разработени от Минорски, руско-американски математик. Той въвежда концепцията за интегрален и производен контрол през 1920-те години. Междувременно, концепцията за стабилност е предложена от Найквист и последвана от Еванс. Преобразуванията са приложени в контролните системи от Оливер Хевисайд. Модерните методи на контрол са разработени след 1950-те години от Рудолф Калман, за да се преодолеят ограниченията на класическите методи. PLC-товете са въведени през 1975 г.

Типове инженерия на контрола

Инженерията на контрола има своята категоризация, в зависимост от различните методики, които се използват. Основните типове инженерия на контрола включват:

• Класическа инженерия на контрола

• Модерна инженерия на контрола

• Робустна инженерия на контрола

• Оптимална инженерия на контрола

• Адаптивна инженерия на контрола

• Нелинейна инженерия на контрола

• Теория на игрите

Класическа инженерия на контрола

Системите обикновено се представят чрез обикновени диференциални уравнения. В класическата инженерия на контрола, тези уравнения се трансформират и анализират в трансформирана област. Преобразуванията на Лаплас, преобразуванията на Фурие и z-преобразуванията са примери. Този метод се използва обикновено в системи с един вход и един изход (SISO).

Модерна инженерия на контрола

В модерната инженерия на контрола, диференциалните уравнения от по-висок ред се преобразуват в диференциални уравнения от първи ред. Тези уравнения се решават по метод, много подобен на векторния метод. По този начин, много усложнения, свързани с решаването на диференциални уравнения от по-висок ред, се решават.

Тези методи се прилагат в системи с множество входове и изходи, където анализът в честотната област не е възможен. Нелинейностите с множество променливи се решават с модерни методи. Вектори на пространството на състоянията, собствени стойности и собствени вектори принадлежат към тази категория. Променливите на състоянието описват входа, изхода и променливите на системата.

Робустна инженерия на контрола