Μηχανική Ελέγχου: Τι είναι; (Και η Ιστορία Της)

Τι είναι η Μηχανική Ελέγχου

Η μηχανική συστημάτων ελέγχου είναι η κλάδος της μηχανικής που ασχολείται με τις αρχές της θεωρίας ελέγχου, για να σχεδιάσει ένα σύστημα που παράγει τη ζητούμενη συμπεριφορά με ελεγχόμενο τρόπο. Συνεπώς, παρόλο που η μηχανική ελέγχου διδάσκεται συχνά στην ηλεκτρολόγο μηχανική στο πανεπιστήμιο, είναι ένα διεπιστημονικό θέμα.

Οι μηχανικοί συστημάτων ελέγχου αναλύουν, σχεδιάζουν και βελτιώνουν περίπλοκα συστήματα που αποτελούνται από υψηλά ενσωματωμένη συντονισμό μηχανικών, ηλεκτρικών, χημικών, μεταλλουργικών, ηλεκτρονικών ή πνευματικών στοιχείων. Συνεπώς, η μηχανική ελέγχου ασχολείται με μια ποικιλία δυναμικών συστημάτων που περιλαμβάνουν ανθρώπινη και τεχνολογική διεπιδράσεις. Αυτά τα συστήματα αναφέρονται ευρέως ως συστήματα ελέγχου.

Η μηχανική συστημάτων ελέγχου εστιάζει στην ανάλυση και σχεδίαση συστημάτων για τη βελτίωση της ταχύτητας απόκρισης, ακρίβειας και σταθερότητας του συστήματος.

Οι δύο μεθόδοι συστημάτων ελέγχου περιλαμβάνουν τις κλασικές και τις σύγχρονες μεθόδους. Το μαθηματικό μοντέλο του συστήματος ορίζεται ως πρώτο βήμα, ακολουθούμενο από ανάλυση, σχεδίαση και δοκιμές. Έλεγχος των απαραίτητων συνθηκών για τη σταθερότητα και τελικά, βελτιστοποίηση.

Στην κλασική μέθοδο, το μαθηματικό μοντέλο συνήθως ορίζεται στο χρονικό, συχνοτικό ή περίπλοκο πεδίο. Η απόκριση του συστήματος σε βήμα μοντελοποιείται μαθηματικά με διαφορική ανάλυση στο χρονικό πεδίο για να βρεθεί η χρονική άρηξη, η προσαρμογή, κλπ. Οι μετατροπές Laplace χρησιμοποιούνται πιο συχνά στο συχνοτικό πεδίο για να βρεθεί η ανοιχτή διαδρομή, η φάση, η πλάτος ζώνης, κλπ. του συστήματος. Οι έννοιες της μεταφορικής λειτουργίας, κριτήρια σταθερότητας Nyquist, δείγματα δεδομένων, διάγραμμα Nyquist, πόλοι και μηδενοί, διαγράμματα Bode, καθυστερήσεις συστήματος, όλες αυτές περιλαμβάνονται στην κλασική μηχανική ελέγχου.

Η σύγχρονη μηχανική ελέγχου ασχολείται με συστήματα πολλαπλών εισόδων και πολλαπλών εξόδων (MIMO), προσέγγιση χώρου καταστάσεων, ιδιοτιμές και ιδιοδιανύσματα, κλπ. Αντί για τη μετατροπή πολύπλοκων διαφορικών εξισώσεων, η σύγχρονη προσέγγιση μετατρέπει υψηλότερες τάξεις εξισώσεων σε πρώτη τάξη διαφορικές εξισώσεις και τις λύνει με τη μέθοδο διανυσμάτων.

Τα αυτόματα συστήματα ελέγχου είναι τα πιο συνηθισμένα, καθώς δεν περιλαμβάνουν χειροκίνητον έλεγχο. Η ελεγχόμενη μεταβλητή μετριέται και συγκρίνεται με μια καθορισμένη τιμή για να προκύψει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Ως αποτέλεσμα των αυτοματοποιημένων συστημάτων για ελεγχολογικούς σκοπούς, ο κόστος ενέργειας ή ισχύος, καθώς και ο κόστος της διαδικασίας, θα μειωθεί, αυξάνοντας την ποιότητα και την παραγωγικότητα.

Ιστορία των Συστημάτων Ελέγχου

Η εφαρμογή αυτόματων συστημάτων ελέγχου πιστεύεται ότι χρησιμοποιείται ακόμη και από τις αρχαίες πολιτισμούς. Διάφορα είδη ρολογιών νερού σχεδιάστηκαν και εφαρμόστηκαν για την ακριβή μέτρηση του χρόνου από το 3ο π.Χ. αιώνα, από τους Έλληνες και τους Αράβες. Ωστόσο, το πρώτο αυτόματο σύστημα θεωρείται ως ο Γυροσκοπικός Κυβερνήτης του Watts το 1788, ο οποίος ξεκίνησε τη βιομηχανική επανάσταση. Η μαθηματική μοντελοποίηση του Γυροσκοπικού Κυβερνήτη αναλύθηκε από τον Maxwell το 1868. Στο 19^ο αιώνα, ο Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace και Joseph Fourier ανέπτυξαν διαφορετικές μεθόδους μαθηματικής μοντελοποίησης. Το δεύτερο σύστημα θεωρείται ως ο Θερμόστατος του Al Butz’s Damper Flapper – το 1885. Έχει ξεκινήσει την εταιρεία που σήμερα ονομάζεται Honeywell.

Η αρχή του 20^ου αιώνα θεωρείται ως η χρυσή εποχή της μηχανικής ελέγχου. Σε αυτή την περίοδο, αναπτύχθηκαν οι κλασικές μεθόδοι ελέγχου στο Bell Laboratory από τον Hendrik Wade Bode και τον Harry Nyquist. Αυτόματοι ελεγκτές για την καθοδήγηση πλοίων αναπτύχθηκαν από τον Minorsky, ρωσοαμερικανό μαθηματικό. Εισήγαγε επίσης την έννοια του Ολοκληρωτικού και Διαφορικού Ελέγχου τη δεκαετία του 1920. Παράλληλα, η έννοια της σταθερότητας προτάθηκε από τον Nyquist και ακολουθήθηκε από τον Evans. Οι μετατροπές εφαρμόστηκαν σε συστήματα ελέγχου από τον Oliver Heaviside. Οι σύγχρονες μεθόδους ελέγχου αναπτύχθηκαν μετά το 1950 από τον Rudolf Kalman, για να ξεπεράσουν τις περιορισμούς των κλασικών μεθόδων. Οι PLCs εισήχθησαν το 1975.

Τύποι Μηχανικής Ελέγχου

Η μηχανική ελέγχου έχει τη δική της κατηγοριοποίηση με βάση τις διαφορετικές μεθοδολογίες που χρησιμοποιούνται. Οι κύριοι τύποι μηχανικής ελέγχου περιλαμβάνουν:

• Κλασική Μηχανική Ελέγχου

• Σύγχρονη Μηχανική Ελέγχου

• Ανθεκτική Μηχανική Ελέγχου

• Βέλτιστη Μηχανική Ελέγχου

• Προσαρμοστική Μηχανική Ελέγχου

• Μη Γραμμική Μηχανική Ελέγχου