مهندسی کنترل: این چیست؟ (و تاریخچه آن)

مهندسی کنترل چیست

مهندسی سیستم‌های 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 تولید کند. بنابراین، اگرچه مهندسی کنترل غالباً در رشته مهندسی برق در دانشگاه‌ها تدریس می‌شود، اما موضوعی میان‌رشته‌ای است.

مهندسین سیستم‌های کنترل سیستم‌های پیچیده را تحلیل، طراحی و بهینه‌سازی می‌کنند که شامل هماهنگی بالا از عناصر مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی، فلزکاری، الکترونیکی یا پنوماتیکی می‌باشند. بنابراین مهندسی کنترل با مجموعه وسیعی از سیستم‌های پویا سروکار دارد که شامل رابطه بین انسان و فناوری می‌باشد. این سیستم‌ها به طور کلی به عنوان سیستم‌های کنترل شناخته می‌شوند.

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

دو روش کنترل سیستم شامل روش‌های کلاسیک و مدرن است. ابتدا مدل ریاضی سیستم تنظیم می‌شود و سپس تحلیل، طراحی و تست انجام می‌شود. شرایط ضروری برای پایداری بررسی می‌شوند و در نهایت بهینه‌سازی انجام می‌شود.

در روش کلاسیک، مدل‌سازی ریاضی معمولاً در حوزه زمان، حوزه فرکانس یا حوزه مختلط انجام می‌شود. پاسخ گامی سیستم به صورت ریاضی در تحلیل دیفرانسیل حوزه زمان مدل‌سازی می‌شود تا زمان تعادل، درصد افراز و غیره را پیدا کند. تبدیلات لاپلاس بیشترین کاربرد را در حوزه فرکانس برای یافتن gain حلقه باز، حاشیه فاز، پهنای باند و غیره دارد. مفهوم تابع انتقال، معیار پایداری نایکوئیست، نمونه‌برداری داده‌ها، نمودار نایکوئیست، قطب‌ها و صفرها، نمودار بود، تأخیرهای سیستم همه تحت عنوان مهندسی کنترل کلاسیک قرار می‌گیرند.

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

سیستم‌های کنترل خودکار بیشترین کاربرد را دارند زیرا کنترل دستی را شامل نمی‌شود. متغیر کنترل شده اندازه‌گیری می‌شود و با مقدار مشخص شده مقایسه می‌شود تا نتیجه مورد نظر به دست آید. به عنوان نتیجه سیستم‌های خودکار برای کنترل، هزینه انرژی یا توان و همچنین هزینه فرآیند کاهش می‌یابد و کیفیت و بهره‌وری آن افزایش می‌یابد.

تاریخچه سیستم‌های کنترل

استفاده از سیستم‌های کنترل خودکار حتی از تمدن‌های باستانی وجود داشته است. چندین نوع ساعت آبی برای اندازه‌گیری دقیق زمان از سال ۳۰۰ قبل از میلاد توسط یونانیان و عرب‌ها طراحی و پیاده‌سازی شده است. اما اولین سیستم خودکار به عنوان حاکم فلای بال واتس در سال ۱۷۸۸ در نظر گرفته شده است که انقلاب صنعتی را آغاز کرد. مدل‌سازی ریاضی حاکم توسط مکسول در سال ۱۸۶۸ تحلیل شد. در قرن ۱۹ام، لئونارد اویلر، پیر سیمون لاپلاس و ژوزف فوریه روش‌های مختلفی برای مدل‌سازی ریاضی توسعه دادند. دومین سیستم به عنوان دمپر فلپر آل بوتز - یک ترموستات در سال ۱۸۸۵ در نظر گرفته شده است. او شرکتی را تأسیس کرد که اکنون هانی‌ول نام دارد.

آغاز قرن ۲۰ام به عنوان دوران طلایی مهندسی کنترل شناخته می‌شود. در این دوران روش‌های کلاسیک کنترل در آزمایشگاه بل توسط هندریک ویلد بود و هری نایکوئیست توسعه یافت. کنترل‌کننده‌های خودکار برای هدایت کشتی‌ها توسط مینورسکی، ریاضیدان روس-آمریکایی توسعه یافت. او همچنین مفهوم کنترل انتگرال و مشتق را در دهه ۱۹۲۰ معرفی کرد. در حالی که مفهوم پایداری توسط نایکوئیست و ایوانز مطرح شد. تبدیلات در سیستم‌های کنترل توسط اولیور هیویساید استفاده شد. روش‌های کنترل مدرن پس از دهه ۱۹۵۰ توسط رودلف کالمن برای غلبه بر محدودیت‌های روش‌های کلاسیک توسعه یافت. PLC‌ها در سال ۱۹۷۵ معرفی شدند.

نوع‌های مهندسی کنترل

مهندسی کنترل بر اساس روش‌های مختلفی که استفاده می‌شود دسته‌بندی می‌شود. اصلی‌ترین نوع‌های مهندسی کنترل عبارتند از:

• 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 روش 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 بردار 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 (MIMO) که تحلیل در حوزه فرکانس امکان‌پذیر نیست، استفاده می‌شوند. غیرخطی‌ها با چندین متغیر با استفاده از روش‌های مدرن حل می‌شوند. بردارهای فضای حالت، مقادیر ویژه و بردارهای ویژه به این دسته تعلق دارند. متغیرهای حالت ورودی، خروجی و متغیرهای سیستم را توصیف می‌کنند.

پاداش