مهندسی کنترل: چه چیزی است؟ (و تاریخچه آن)

چه کنترل مهندسی است

مهندسی سیستم کنترل شاخه‌ای از مهندسی است که با اصول نظریه کنترل سروکار دارد تا سیستمی طراحی کند که رفتار مورد نظر را به صورت کنترل شده ارائه دهد. بنابراین، اگرچه مهندسی کنترل غالباً در دانشگاه‌ها در حوزه مهندسی برق تدریس می‌شود، اما موضوعی میان‌رشته‌ای است.

مهندسین سیستم کنترل سیستم‌های پیچیده را تحلیل، طراحی و بهینه‌سازی می‌کنند که شامل هماهنگی بالا از عناصر مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی، متالورژیکی، الکترونیکی یا پنوماتیکی هستند. بنابراین مهندسی کنترل با محدوده وسیعی از سیستم‌های دینامیکی که شامل رابطه انسانی و فناوری است، سروکار دارد. این سیستم‌ها به طور کلی به عنوان سیستم‌های کنترل شناخته می‌شوند.

مهندسی سیستم کنترل بر تحلیل و طراحی سیستم‌ها تمرکز دارد تا سرعت پاسخ، دقت و ثبات سیستم را بهبود بخشد.

دو روش سیستم کنترل شامل روش‌های کلاسیک و مدرن است. مدل ریاضی سیستم به عنوان اولین مرحله تنظیم می‌شود و سپس تحلیل، طراحی و آزمایش انجام می‌شود. شرایط لازم برای ثبات بررسی می‌شود و در نهایت بهینه‌سازی انجام می‌شود.

در روش کلاسیک، مدل‌سازی ریاضی معمولاً در حوزه زمانی، فرکانسی یا مختلط انجام می‌شود. پاسخ گامی یک سیستم به صورت تحلیلی در حوزه زمانی برای یافتن زمان استقرار، % افزایش و غیره مدل‌سازی می‌شود. تبدیلات لاپلاس بیشترین کاربرد را در حوزه فرکانسی برای یافتن کسب بازخورد باز، حاشیه فاز، پهنای باند و غیره دارد. مفهوم تابع انتقال، معیار پایداری نایکوئیست، نمونه‌برداری داده‌ها، نمودار نایکوئیست، قطب‌ها و صفرها، نمودار بود، تأخیر سیستم‌ها همه تحت پوشش روش کلاسیک مهندسی کنترل قرار دارند.

مهندسی کنترل مدرن با سیستم‌های چند ورودی چند خروجی (MIMO)، رویکرد فضای حالت، مقادیر ویژه و بردارهای ویژه سروکار دارد. به جای تبدیل معادلات دیفرانسیل معمولی پیچیده، رویکرد مدرن معادلات مرتبه بالا را به معادلات دیفرانسیل مرتبه اول تبدیل می‌کند و با روش برداری حل می‌کند.

سیستم‌های کنترل خودکار بیشترین کاربرد را دارند زیرا کنترل دستی نمی‌طلبد. متغیر کنترل شده اندازه‌گیری می‌شود و با یک مقدار مشخص مقایسه می‌شود تا نتیجه مورد نظر به دست آید. به دلیل استفاده از سیستم‌های خودکار برای کنترل، هزینه انرژی یا قدرت و همچنین هزینه فرآیند کاهش می‌یابد و کیفیت و بهره‌وری آن افزایش می‌یابد.

تاریخچه سیستم‌های کنترل

استفاده از سیستم کنترل خودکار از تمدن‌های باستانی حتی قبل از سومین قرن قبل از میلاد مسیح توسط یونانیان و عرب‌ها وجود داشته است. چند نوع ساعت آب طراحی و پیاده‌سازی شده بود تا زمان را به صورت دقیق اندازه‌گیری کند. اما اولین سیستم خودکار به عنوان گاورنر فلای بال واتس در سال 1788 در نظر گرفته می‌شود که انقلاب صنعتی را آغاز کرد. مدل‌سازی ریاضی گاورنر توسط ماکسول در سال 1868 تحلیل شد. در قرن 19، لئونارد اویلر، پیر سیمون لاپلاس و ژوزف فوریه روش‌های مختلفی برای مدل‌سازی ریاضی توسعه دادند. دومین سیستم به عنوان دامپر فلپر آل بوتز - یک ترموستات در سال 1885 در نظر گرفته می‌شود. او شرکتی را تأسیس کرد که حالا با نام هانیول شناخته می‌شود.

آغاز قرن 20 به عنوان دوران طلایی مهندسی کنترل شناخته می‌شود. در این زمان روش‌های کلاسیک کنترل توسط هندریک وید بود و هری نایکوئیست در آزمایشگاه بل توسعه یافت. کنترلرهای خودکار برای هدایت کشتی‌ها توسط مینورسکی، ریاضیدان روس-آمریکایی توسعه یافت. او همچنین مفهوم کنترل انتگرال و مشتق را در دهه 1920 معرفی کرد. در همین زمان، مفهوم پایداری توسط نایکوئیست و ایوانز مطرح شد. تبدیلات در سیستم‌های کنترل توسط الیور هاویساید اعمال شد. روش‌های مدرن کنترل پس از دهه 1950 توسط رودلف کالمن توسعه یافت تا محدودیت‌های روش‌های کلاسیک را غلبه کند. PLC‌ها در سال 1975 معرفی شدند.

نوع‌های مهندسی کنترل

مهندسی کنترل دسته‌بندی خاص خود را بر اساس روش‌های مختلفی که استفاده می‌شود دارد. نوع‌های اصلی مهندسی کنترل شامل:

• مهندسی کنترل کلاسیک

• مهندسی کنترل مدرن

• مهندسی کنترل مقاوم

• مهندسی کنترل بهینه

• مهندسی کنترل تطبیقی

• مهندسی کنترل غیرخطی

• نظریه بازی‌ها

مهندسی کنترل کلاسیک

سیستم‌ها معمولاً با استفاده از معادلات دیفرانسیل معمولی نمایش داده می‌شوند. در مهندسی کنترل کلاسیک، این معادلات در حوزه تبدیل تجزیه و تحلیل می‌شوند. تبدیل لاپلاس، تبدیل فوریه و تبدیل z نمونه‌هایی از این روش‌ها هستند. این روش معمولاً در سیستم‌های یک ورودی یک خروجی (SISO) استفاده می‌شود.

مهندسی کنترل مدرن

در مهندسی کنترل مدرن، معادلات دیفرانسیل مرتبه بالا به معادلات دیفرانسیل مرتبه اول تبدیل می‌شوند. این معادلات به طور مشابه با روش برداری حل می‌شوند. با این کار، بسیاری از پیچیدگی‌های موجود در حل معادلات دیفرانسیل مرتبه بالا حل می‌شوند.

این روش‌ها در سیستم‌های چند ورودی چند خروجی که تحلیل در حوزه فرکانسی ممکن نیست، استفاده می‌شوند. غیرخطی‌بودن‌ها با متغیرهای چندگانه با روش‌های مدرن حل می‌شوند. بردارهای فضای حالت، مقادیر ویژه و بردارهای ویژه به این دسته تعلق دارند. متغیرهای فضای حالت ورودی، خروجی و متغیرهای سیستم را توصیف می‌کنند.

مهندسی کنترل مقاوم