Juhtimistingimineerimine: Mida see on? (Ja selle ajalugu)
Mis on juhtimistehnika
Juhtimissüsteemide inseneri on inseneriteaduse haru, mis tegeleb juhtimisteooria põhimõtete rakendamisega süsteemide disainimiseks, et saavutada soovitud käitumine kontrollitud viisil. Seetõttu, kuigi juhtimistehnika õpetatakse tihti ülikoolides elektritehnika raames, on see mitmeteaduslik teema.
Juhtimissüsteemi insinöörid analüüsivad, disainivad ja optimeerivad keerulisi süsteeme, mis koosnevad tihedalt integreeritud mehaaniliste, elektriliste, keemiliste, metallurgiliste, elektrooniliste või pneumaatiliste elemendidest. Nii käsitleb juhtimistehnika laia valikut dünaamilisi süsteeme, mis hõlmavad inimese ja tehnoloogia liidet. Neid süsteeme nimetatakse tavaliselt juhtimissüsteemideks.
Juhtimissüsteemi inseneri fookuseerib süsteemide analüüsil ja disainil, et parandada süsteemi vastusesstihi, täpsust ja stabiilsust.
Kaks juhtimissüsteemi meetodit hõlmavad klassikalisi meetodeid ja kaasaegseid meetodeid. Süsteemi matemaatiline mudel luuakse esimesena, järgnevalt analüüsitakse, disainitakse ja testitakse. Kontrollitakse stabiilsuse tarvilikud tingimused ja lõpuks toimub optimeerimine.
Klassikalisel meetodil tehakse matemaatiline modelleerimine tavaliselt ajaplokis, sageduspiirkonnas või kompleksis. Sisendi reaktsiooni matemaatiline modelleerimine tehakse ajapiirkonna diferentsiaalanalüüsi abil, et leida tema määramisaeg, % ületundmine jne. Laplace'i teisendused kasutatakse sageduspiirkonnas, et leida süsteemi avatud silmusrõhk, faasimarginaal, laiendusvõime jne. Üleminekufunktsiooni, Nyquisti stabiilsuskriteeriumi, andmete vahetamine, Nyquisti joon, poolused ja nullpunktid, Bode'i joonised, süsteemide viivitus kõik kuuluvad klassikalise juhtimistehnika ala alla.
Kaasaegne juhtimistehnika tegeleb mitme sisendi ja mitme väljundi (MIMO) süsteemidega, olekupruugi lähenemisviisiga, omaväärtustega ja vektoritega jne. Kaasaegne lähenemisviis ei teisenda keerukaid tavalisi diferentsiaalvõrrandeid, vaid teisendab kõrgemat järku võrrandid esimest järku diferentsiaalvõrrandiks ja lahendab need vektorite abil.
Automaatkontrollisüsteeme kasutatakse tavaliselt kõige rohkem, sest neil ei ole vaja manuaalset juhtimist. Juhitav muutuja mõõdetakse ja võrreldakse kindla väärtusega, et saada soovitud tulemus. Automaatsüsteemide kasutamise tulemuseks on energia või võimsuse hindade, kui ka protsessikulude vähenemine, mis suurendab kvaliteeti ja tootlikkust.
Juhtimissüsteemide ajalugu
Automaatkontrollisüsteemide rakendamist usutakse olevat kasutusel isegi antiikteaduslikest tsivilisatsioonidest. Mitmeid tüüpi veekellu disainiti ja rakendati täpseks aja mõõtmiseks kolmandast eaaegist BC-st, Kreeklaste ja Araablaste poolt. Kuid esimene automaatne süsteem peetakse Watts'i lendballi guverneeriks 1788. aastal, mis algatas tööstusrevolutsiooni. Guverneeri matemaatiline modelleerimine analüüsitakse Maxwelli poolt 1868. aastal. 19ndal sajandil arendasid Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace ja Joseph Fourier erinevaid meetodeid matemaatiliseks modelleerimiseks. Teine süsteem peetakse Al Butzi damper-flapperi - termostaadi 1885. aastal. Ta asutas ettevõtte, mille nimi on praegu Honeywell.
20ndal sajandi algus on tuntud kui juhtimistehnika kuldkaud. Sel ajal Bell Laboratooriumis arendas Hendrik Wade Bode ja Harry Nyquist klassikalisi juhtimismeetodeid. Venemaa-Ameerika matemaatik Minorsky arendas automaatkontrollerid laevade juhtimiseks. Ta tutvustas ka integraali ja tuletise kontrolli 1920. aastatel. Samal ajal esitas Nyquist ja Evans stabiilsuse mõistet. Heaviside rakendas teisendusi juhtimissüsteemides. Rudolf Kalman arendas 1950. aastate järel kaasaegseid juhtimismeetodeid, et ületada klassiliste meetodite piiranguid. PLC-dest sai teada 1975. aastal.
Juhtimistehnika tüübid
Juhtimistehnika on oma kategooriseerimisel sõltuv erinevatest kasutatavatest meetoditest. Peamised juhtimistehnika tüübid hõlmavad:
Klassikaline juhtimistehnika
Kaasaegne juhtimistehnika
Tugev juhtimistehnika
Optimaalne juhtimistehnika
Adaptiivne juhtimistehnika
Mitte-lineaarne juhtimistehnika
Mänguteooria
Klassikaline juhtimistehnika
Süsteemid kirjeldatakse tavaliselt tavaliste diferentsiaalvõrrandite abil. Klassikalises juhtimistehnikas teisendatakse ja analüüsitakse need võrrandid teisendatud piirkonnas. Laplace'i teisendus, Fourieri teisendus ja z-teisendus on näited. See meetod kasutatakse tavaliselt ühe sisendi ja ühe väljundi süsteemides (SISO).
Kaasaegne juhtimistehnika
Kaasaegses juhtimistehnikas teisendatakse kõrgemat järku diferentsiaalvõrrandid esimest järku diferentsiaalvõrrandiks. Need võrrandid lahendatakse väga sarnaselt vektormetoodiga. Nii lahendatakse paljud keerukad probleemid, mis tekivad kõrgemat järku diferentsiaalvõrrandite lahendamisel.
Need rakendatakse mitme sisendi ja mitme väljundi süsteemides, kus analüüs sageduspiirkonnas ei ole võimalik. Mitme muutujaga mittelineaarsed probleemid lahendatakse kaasaegse meetodi abil. Olekupruugivektorid, omaväärtused ja omavektorid kuuluvad selle kategooria alla. Olekumuutujad kirjeldavad sisendit, väljundit ja süsteemi muutujaid.
Tugev juhtimistehnika
Tugeva juhtimismeetodi puhul mõõdetakse süsteemi jõudluse muutusi parameetrite muutumisel optimeerimiseks. See aitab laiendada stabiilsust ja jõudlust, samuti leida alternatiivseid lahendusi. Seetõttu tugevas juhtimises arvestatakse keskkonda, sisemisi ebatäpsusi, müra ja häireid, et vähendada süsteemi vigu.
