Enginyeria de Control: Què és? (I la seva història)
Què és l'enginyeria de control
L'enginyeria de sistemes de control és la branca de l'enginyeria que tracta els principis de la teoria de control per dissenyar un sistema que produeixi el comportament desitjat d'una manera controlada. Per tant, encara que l'enginyeria de control sovint es ensenyarà dins de l'enginyeria elèctrica a la universitat, és un tema interdisciplinari.
Els enginyers de sistemes de control analitzen, dissenyen i optimitzen sistemes complexos que consisteixen en una coordinació altament integrada d'elements mecànics, elèctrics, químics, metallúrgics, electrònics o neumàtics. Així, l'enginyeria de control tracta una diversa gamma de sistemes dinàmics que inclou l'interfície humana i tecnològica. Aquests sistemes s'anomenen generalment sistemes de control.
L'enginyeria de sistemes de control es centra en l'anàlisi i el disseny de sistemes per millorar la velocitat de resposta, la precisió i la estabilitat del sistema.
Els dos mètodes de sistemes de control inclouen els mètodes clàssics i els mètodes moderns. El primer pas és establir el model matemàtic del sistema, seguit per l'anàlisi, el disseny i les proves. Es comproven les condicions necessàries per a la estabilitat i finalment, s'optimitza.
En el mètode clàssic, el modelitzat matemàtic sol fer-se en el domini temporal, el domini de freqüència o el domini complex. La resposta al pas d'un sistema es modelitza matemàticament en l'anàlisi diferencial del domini temporal per trobar el seu temps de repos, el % de sobresortida, etc. Les transformacions de Laplace són les més utilitzades en el domini de freqüència per trobar la guany a bucle obert, el marge de fase, l'amplada de banda, etc. del sistema. El concepte de la funció de transferència, els criteris de stabilitat de Nyquist, la mostreig de dades, el diagrama de Nyquist, els pols i zeros, els diagrames de Bode, els retards del sistema, tots aquests elements cauen sota la rambla de l'enginyeria de control clàssica.
L'enginyeria de control moderna tracta els sistemes MIMO (Multiple Input Multiple Output), l'enfocament de l'espai d'estats, els valors propis i vectors, etc. En lloc de transformar equacions diferencials ordinàries complexes, l'enfocament modern converteix equacions d'ordre superior en equacions diferencials d'ordre primer i les resol mitjançant el mètode vectorial.
Els sistemes de control automàtics són els més utilitzats ja que no impliquen control manual. La variable controlada es mesura i es compara amb un valor especificat per obtenir el resultat desitjat. Com a resultat dels sistemes automàtics per a propòsits de control, el cost de l'energia o la potència, així com el cost del procés, es reduiran, augmentant-ne la qualitat i la productivitat.
Història dels Sistemes de Control
La aplicació dels sistemes de control automàtics es creu que es va utilitzar fins i tot des de les civilitzacions antics. Diversos tipus de rellotges d'aigua van ser dissenyats i implementats per mesurar el temps amb precisió des del tercer segle aC, pels grecs i els àrabs. Però el primer sistema automàtic es considera el governador de volant de Watts de 1788, que va iniciar la revolució industrial. La modelització matemàtica del governador va ser analitzada per Maxwell el 1868. Al segle XIX, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace i Joseph Fourier van desenvolupar mètodes diferents per a la modelització matemàtica. El segon sistema es considera el Damper Flapper d'Al Butz - un termostàtic del 1885. Va fundar la companyia que avui es coneix com Honeywell.
El començament del segle XX és conegut com l'edat d'or de l'enginyeria de control. Durant aquest període, es van desenvolupar els mètodes clàssics de control al Laboratori Bell per Hendrik Wade Bode i Harry Nyquist. Els controladors automàtics per a la direcció de vaixells van ser desenvolupats per Minorsky, matemàtic rus-americà. També va introduir el concepte de control integral i derivatiu a la dècada del 1920. Mentre, el concepte d'estabilitat va ser proposat per Nyquist i seguit per Evans. Les transformacions van ser aplicades als sistemes de control per Oliver Heaviside. Després de 1950, Rudolf Kalman va desenvolupar mètodes moderns de control per superar les limitacions dels mètodes clàssics. Els PLC's van ser introduïts el 1975.
Tips d'Enginyeria de Control
L'enginyeria de control té la seva pròpia categorització depenent de les diferents metodologies utilitzades. Els principals tipus d'enginyeria de control inclouen:
Enginyeria de control clàssica
Enginyeria de control moderna
Enginyeria de control robusta
Enginyeria de control òptima
Enginyeria de control adaptativa
Enginyeria de control no lineal
Teoria de jocs
Enginyeria de control clàssica
Els sistemes solen representar-se utilitzant equacions diferencials ordinàries. En l'enginyeria de control clàssica, aquestes equacions es transformen i s'analisen en un domini transformat. La transformació de Laplace, la transformació de Fourier i la transformació z són exemples. Aquest mètode es fa servir comunament en sistemes d'entrada única i sortida única (SISO).
Enginyeria de control moderna
En l'enginyeria de control moderna, les equacions diferencials d'ordre superior es converteixen en equacions diferencials d'ordre primer. Aquestes equacions es resolen de manera molt similar al mètode vectorial. Fent-ho així, moltes complicacions en la resolució d'equacions diferencials d'ordre superior es resolen.
Es fan servir en sistemes d'entrada múltiple i sortida múltiple on l'anàlisi en el domini de freqüència no és possible. Les no linealitats amb múltiples variables es resolen amb la metodologia moderna. Els vectors d'espai d'estats, els valors propis i els vectors propis pertanyen a aquesta categoria. Les variables d'estat descriuen les entrades, les sortides i les variables del sistema.
Enginyeria de control robusta
En la metodologia de control robust, es mesuren els canvis en el rendiment del sistema amb el canvi de paràmetres per a l'optimització. Això ajuda a ampliar l'estabilitat i el rendiment, així com a trobar solucions alternatives. Per tant, en el control robust, l'entorn, les inexactituds internes, els sorolls i les pertorbacions es tenen en compte per reduir l'error en el sistema.
Enginyeria de control òptima
En l'enginyeria de control òptima, el problema es formula com un model matemàtic del procés, les restriccions físiques i de rendiment, per minimitzar la funció de cost. Així, l'enginyeria de control òptima és la solució m
