Styringsingeniørvidenskab: Hvad er det? (Og dets historie)
Hvad er kontrolteknik
Kontrolsystem-teknik er den gren af teknik, der beskæftiger sig med principperne for kontrollæren, for at designe et system, der giver det ønskede adfærd på en kontrolleret måde. Derfor undervises kontrolteknik ofte inden for elektronikteknik på universiteter, men det er et interdisciplinært emne.
Kontrolsystem-teknikere analyserer, designer og optimerer komplekse systemer, som består af højt integreret koordinering af mekaniske, elektriske, kemiske, metallurgiske, elektroniske eller pneumatisk elementer. Således omhandler kontrolteknik en bred vifte af dynamiske systemer, der inkluderer menneskelig og teknologisk grænseflade. Disse systemer omtales generelt som kontrolsystemer.
Kontrolsystem-teknik fokuserer på analyse og design af systemer for at forbedre systemets svarhastighed, præcision og stabilitet.
De to metoder til kontrolsystem inkluderer klassiske metoder og moderne metoder. Matematisk modellering af systemet opstilles som det første trin, fulgt af analyse, design og test. Nødvendige betingelser for stabilitet tjekkes, og til sidst følger optimering.
I den klassiske metode foregår matematisk modellering normalt i tidsdomænet, frekvensdomænet eller det komplekse domæne. Trinresponsen af et system modeleres matematisk i tidsdomænet differentialanalyse for at finde dets stabiliserings tid, % overskyd, osv. Laplace-transformationer anvendes mest i frekvensdomænet for at finde det åbne løkkeoverslag, fasemargen, båndbredde mv. af systemet. Begrebet overførselsfunktion, Nyquist-stabilitetskriterier, sampling af data, Nyquist-diagram, poler og nulpunkter, Bode-diagrammer, systemforsinkelser falder alle under paraplyen af klassisk kontrolteknik.
Moderne kontrolteknik omhandler Flere Indgangs Flere Udgangs (MIMO) systemer, tilstandsrummetilgang, egenværdier og -vektorer, osv. I stedet for at transformere komplekse almindelige differentialligninger, konverterer den moderne tilgang højere ordens ligninger til første ordens differentialligninger og løses ved vektormetode.
Automatiske kontrolsystemer anvendes mest, da de ikke involverer manuel kontrol. Den kontrollerede variabel måles og sammenlignes med en specificeret værdi for at opnå det ønskede resultat. Som resultat af automatiserede systemer til kontrolformål vil energi- eller effektkosten, samt proceskosten, blive reduceret, hvilket øger kvaliteten og produktiviteten.
Historie af Kontrolsystemer
Anvendelsen af automatiske kontrolsystemer antages at være i brug endda fra de ældre civilisationer. Adskillige typer vandure blev designet og implementeret for at måle tiden præcist fra det 3. århundrede f.Kr., af grækere og arabere. Men det første automatiske system anses for at være Watts Fly ball Governor i 1788, som startede den industrielle revolution. Matematisk modellering af Gouverneur blev analyseret af Maxwell i 1868. I det 19. århundrede udviklede Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace og Joseph Fourier forskellige metoder til matematisk modellering. Det andet system anses for at være Al Butz's Damper Flapper – en termostat i 1885. Han startede firmaet, nu kendt som Honeywell.
Starten på det 20. århundrede er kendt som guldalderen for kontrolteknik. Under denne periode blev klassiske kontrolmetoder udviklet på Bell Laboratoriet af Hendrik Wade Bode og Harry Nyquist. Automatiske styringer til styring af skibe blev udviklet af Minorsky, en russisk-amerikansk matematiker. Han indførte også begrebet Integral- og Differentialstyring i 1920'erne. Mellemtiden blev begrebet stabilitet foreslået af Nyquist og fulgt af Evans. Transformationer blev anvendt i kontrolsystemer af Oliver Heaviside. Moderne kontrolmetoder blev udviklet efter 1950'erne af Rudolf Kalman, for at overkomme begrænsningerne i de klassiske metoder. PLC'er blev introduceret i 1975.
Typer af kontrolteknik
Kontrolteknik har sin egen kategorisering, afhængig af de forskellige metoder, der anvendes. De hovedtyper af kontrolteknik inkluderer:
Klassisk kontrolteknik
Moderne kontrolteknik
Robust kontrolteknik
Optimal kontrolteknik
Adaptiv kontrolteknik
Ikke-lineær kontrolteknik
Spilteori
Klassisk kontrolteknik
Systemer repræsenteres normalt ved hjælp af almindelige differentialligninger. I klassisk kontrolteknik transformeres disse ligninger og analyseres i et transformeret domæne. Laplace-transformation, Fourier-transformation og z-transformation er eksempler. Denne metode anvendes normalt i Systemer med Enkel Indgang Enkel Udgang (SISO).
Moderne kontrolteknik
I moderne kontrolteknik, konverteres højere ordens differentialligninger til første ordens differentialligninger. Disse ligninger løses meget ligesom vektormetoden. Ved at gøre dette løses mange komplikationer, der opstår ved at løse højere ordens differentialligninger.
Disse anvendes i Systemer med Flere Indgang Flere Udgang, hvor analyse i frekvensdomænet ikke er muligt. Ikke-lineariteter med flere variable løses ved moderne metode. Tilstandsrumsvektorer, egenværdier og -vektorer hører til denne kategori. Tilstandsvariable beskriver input, output og systemvariabler.
Robust kontrolteknik
I robust kontrolmetodologi måles ændringer i systemets ydeevne med ændringer i parametre for optimering. Dette bidrager til at udvide stabilitet og ydeevne, samt at finde alternative løsninger. Derfor tages miljø, interne unøjagtigheder, støj og forstyrrelser i betragtning i robust kontrol for at reducere fejl i systemet.
Optimal kontrolteknik
I optimal kontrolteknik formuleres problemet som en matematisk model af processen, fysiske begrænsninger og ydeevnebegrænsninger, for at minimere kostningsfunktionen. Derfor er optimal kontrolteknik den mest realistiske løsning for at designe et system med mindste omkostning.
