Řídicí inženýrství: Co to je? (A jeho historie)

Co je řídicí inženýrství

Řídicí inženýrství je odvětvím inženýrství, které se zabývá principy teorie řízení pro návrh systémů, které poskytují požadované chování v řízeném způsobu. Proto, i když se řídicí inženýrství často vyučuje na univerzitách v rámci elektrotechnického inženýrství, je to interdisciplinární téma.

Řídicí inženýři analyzují, navrhují a optimalizují složité systémy, které se skládají z vysoké integrace koordinace mechanických, elektrických, chemických, hutních, elektronických nebo pneumatických prvků. Tedy řídicí inženýrství se zabývá rozmanitým spektrem dynamických systémů, které zahrnují lidské a technologické rozhraní. Tyto systémy jsou obecně označovány jako řídicí systémy.

Řídicí inženýrství se zaměřuje na analýzu a návrh systémů, aby se zlepšila rychlost odezvy, přesnost a stabilita systému.

Dvě metody řídicích systémů zahrnují klasické metody a moderní metody. Matematický model systému je vytvořen jako první krok, následovaný analýzou, návrhem a testováním. Jsou zkontrolovány nezbytné podmínky pro stabilitu a nakonec následuje optimalizace.

V klasické metodě je matematické modelování obvykle provedeno v časové doméně, frekvenční doméně nebo komplexní doméně. Kroková odezva systému je matematicky modelována pomocí diferenciální analýzy v časové doméně, aby bylo zjištěno jeho doba ustálení, % překmitu atd. Laplaceovy transformace jsou nejčastěji používány v frekvenční doméně k nalezení otevřené smyčkové zisky, fázového marže, šíře pásma atd. systému. Koncept přenosové funkce, Nyquistova kritéria stability, vzorkování dat, Nyquistův diagram, póly a nuly, Bodeovy diagramy, systémové zpoždění, všechno to spadá pod parapetu klasického řídicího inženýrství.

Moderní řídicí inženýrství se zabývá systémy s více vstupy a výstupy (MIMO), přístupem stavového prostoru, vlastními čísly a vektory atd. Místo transformace komplexních obyčejných diferenciálních rovnic, moderní přístup převádí vyšší řádové rovnice na diferenciální rovnice prvního řádu a řeší je vektorovou metodou.

Automatické řídicí systémy jsou nejčastěji používány, protože nevyžadují ruční řízení. Kontrolovaná veličina je měřena a porovnána s určenou hodnotou, aby byl dosažen požadovaný výsledek. Díky automatizovaným systémům pro účely řízení se sníží náklady na energii nebo výkon, stejně jako náklady na proces, což zlepší jeho kvalitu a produktivitu.

Historie řídicích systémů

Aplikace automatických řídicích systémů se věří, že byla v užívání již od starověkých civilizací. Několik typů vodních hodin bylo navrženo a implementováno, aby bylo možné přesně měřit čas od třetího století př. n. l., Řeky a Arabisty. Prvním automatickým systémem se však považuje Wattsův flyball governor z roku 1788, který inicioval průmyslovou revoluci. Matematické modelování governoru bylo analyzováno Maxwellem v roce 1868. V 19. století Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace a Joseph Fourier vyvinuli různé metody pro matematické modelování. Druhý systém je považován za Al Butzův Damper Flapper – termostat z roku 1885. Založil společnost, která nese nyní název Honeywell.

Počátek 20. století je znám jako zlatý věk řídicího inženýrství. Během této doby byly vyvinuty klasické řídicí metody v Bell Laboratořích Hendrikem Wade Bode a Harry Nyquistem. Automatické řídící systémy pro navigaci lodí byly vyvinuty Minorsky, ruským americkým matematikem. Představil také koncept integračního a derivativního řízení v 20. letech 20. století. Mezitím koncept stability předložil Nyquist a následoval Evans. Transformace byly aplikovány v řídicích systémech Oliverem Heavisidem. Moderní řídicí metody byly vyvinuty po roce 1950 Rudolfem Kalmanem, aby překonaly omezení klasických metod. PLC (Programovatelné logické čidlo) byly zavedeny v roce 1975.

Druhy řídicího inženýrství

Řídicí inženýrství má svou vlastní kategorizaci v závislosti na různých metodologiích, které se používají. Hlavní druhy řídicího inženýrství zahrnují:

• Klasické řídicí inženýrství

• Moderní řídicí inženýrství

• Robustní řídicí inženýrství

• Optimální řídicí inženýrství

• Adaptivní řídicí inženýrství

• Nelineární řídicí inženýrství

• Teorie her

Klasické řídicí inženýrství

Systémy jsou obvykle reprezentovány pomocí obyčejných diferenciálních rovnic. V klasickém řídicím inženýrství jsou tyto rovnice transformovány a analyzovány v transformované doméně. Laplaceova transformace, Fourierova transformace a z-transformace jsou příklady. Tato metoda je běžně používána v systémech s jedním vstupem a jedním výstupem (SISO).

Moderní řídicí inženýrství

V moderním řídicím inženýrství jsou vyšší řádové diferenciální rovnice převedeny na diferenciální rovnice prvního řádu. Tyto rovnice jsou řešeny velmi podobně jako vektorovou metodou. Tím se řeší mnoho komplikací spojených s řešením vyšších řádových diferenciálních rovnic.

Tyto metody jsou používány v systémech s více vstupy a výstupy, kde analýza v frekvenční doméně není možná. Nelinearitní problémy s více proměnnými jsou řešeny moderní metodologií. Stavové vektory, vlastní čísla a vektory patří do této kategorie. Stavové proměnné popisují vstup, výstup a proměnné systému.

Robustní řídicí inženýrství

V robustní metodologii se měří změny výkonu systému v důsledku změn parametrů pro optimalizaci. To pomáhá zvýšit stabilitu a výkon, a také najít alternativ