Ohjausinsinööri: Mika se on? (Ja sen historia)
Mikä on ohjausinsinööri
Ohjausjärjestelmäinsinööri on insinööri, joka käsittelee ohjausteorian periaatteita suunnellakseen järjestelmää, joka tuottaa halutun käyttäytymisen ohjatulla tavalla. Siksi vaikka ohjausinsinööriä opetetaankin yleensä sähkötekniikan puitteissa yliopistoissa, se on monitieteinen aihe.
Ohjausjärjestelmäinsinöörit analysoivat, suunnittelevat ja optimoivat monimutkaisia järjestelmiä, jotka koostuvat korkeasti integroitusta mekaanisten, sähköisten, kemiallisten, metallurgisten, sähkömagneettisten tai tyynypohjaisen elementtien koordinoinnista. Näin ohjausinsinööri käsittelee monipuolista dynaamisia järjestelmiä, jotka sisältävät ihmisen ja teknologian rajapinnan. Nämä järjestelmät kutsutaan yleisesti ohjausjärjestelmiksi.
Ohjausjärjestelmäinsinöörintyö keskittyy järjestelmien analyysiin ja suunnitteluun parantamaan järjestelmän vastaamisnopeutta, tarkkuutta ja vakautta.
Kaksi ohjausjärjestelmän menetelmää ovat klassiset menetelmät ja modernit menetelmät. Järjestelmän matemaattinen malli luodaan ensimmäiseksi, minkä jälkeen se analysoidaan, suunnitellaan ja testataan. Tarkistetaan tarvittavat vakauden ehdot, ja lopuksi tehdään optimointi.
Klassisessa menetelmässä matemaattinen mallintaminen tehdään yleensä aika-, taajuus- tai kompleksitasossa. Järjestelmän askeleenvastaus mallinnetaan aika-aluetta differentiaalianalyysillä löytääkseen sen vakautumisajan, % ylivaihtelun jne. Laplacen muunnos on yleisin taajuusalueessa avoimen silmukan voiman, vaiheen marginaalin, taajuuslaitteen jne. löytämiseen. Siirtymäfunktion käsite, Nyquistin vakauskriteerit, datan otanta, Nyquistin kuvaaja, polut ja nollat, Bode-kuvaajat, järjestelmän viivästykset kaikki kuuluvat klassisen ohjausinsinööriopin piiriin.
Moderni ohjausinsinööri käsittelee usean syöte- ja ulostekijällisiä (MIMO) järjestelmiä, tila-avaruuden lähestymistapaa, ominaisarvoja ja vektoreita. Sen sijaan, että muunnetaan monimutkaisia tavallisia differentiaaliyhtälöitä, moderni lähestymistapa muuntaa korkeamman asteen yhtälöt ensimmäisen asteen differentiaaliyhtälöiksi ja ratkaistaan ne vektorimenetelmällä.
Automaattiset ohjausjärjestelmät ovat yleisimmin käytettyjä, koska niissä ei ole manuaalista ohjausta. Ohjattava muuttuja mitataan ja verrataan määriteltyyn arvoon saadaan haluttu tulos. Automaattisten ohjausjärjestelmien ansiosta energia- tai tehon kustannukset sekä prosessin kustannukset pienenevät, mikä lisää laadun ja tuottavuuden.
Ohjausjärjestelmien historia
Automaattisten ohjausjärjestelmien soveltaminen uskotaan olleen käytössä jo antiikin sivilisaatioissa. Useita vesikelloja suunniteltiin ja toteutettiin tarkkaan ajan mittaukseen kolmannella vuosisadalla eKr, kreikkalaisten ja arabien toimesta. Mutta ensimmäinen automaattinen järjestelmä pidetään Wattsin flywheel-governorina vuonna 1788, joka aloitti teollisen vallankumouksen. Governorin matemaattinen mallintaminen analysoitiin Maxwellin toimesta vuonna 1868. 1900-luvulla Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace ja Joseph Fourier kehittivät erilaisia matemaattista mallintamista varten. Toisena järjestelmänä pidetään Al Butzin Damper Flapper -termostaatti vuonna 1885. Hän perusti yrityksen, joka nykyään tunnetaan nimellä Honeywell.
2000-luvuksen alku on tunnettu ohjausinsinöörin kultana ikänä. Tässä ajassa klassiset ohjausmenetelmät kehitettiin Bell Laboratoriossa Hendrik Wade Bode'n ja Harry Nyquistin toimesta. Automaattiset ohjausjärjestelmät laivojen ohjaamiseen kehitettiin Minorskin, venäläisen-amerikkalaisen matemaatikon, toimesta. Hän esitteli myös integraali- ja derivointiohjausajatuksen 1920-luvulla. Samalla Nyquist ja Evans esittivät vakauden käsitteen. Muunnokset sovellettiin ohjausjärjestelmiin Oliver Heavisiden toimesta. Modernit ohjausmenetelmät kehitettiin Rudolf Kalmanin toimesta 1950-luvun jälkeen klassisten menetelmien rajoitusten ylittämiseksi. PLC:t otettiin käyttöön vuonna 1975.
Ohjausinsinöörityypit
Ohjausinsinööri on oma luokittelunsa eri käytettyjen menetelmien mukaan. Pääasialliset ohjausinsinöörityypit ovat:
Klassinen ohjausinsinööri
Moderni ohjausinsinööri
Robusti ohjausinsinööri
Optimaalinen ohjausinsinööri
Adaptiivinen ohjausinsinööri
Epälineaarinen ohjausinsinööri
Peliteoria
Klassinen ohjausinsinööri
Järjestelmät edustetaan yleensä tavallisten differentiaaliyhtälöiden avulla. Klassisessa ohjausinsinööriopissa nämä yhtälöt muunnetaan ja analysoidaan muunnossuhteessa. Laplacen muunnos, Fourierin muunnos ja z-muunnos ovat esimerkkejä. Tätä menetelmää käytetään yleisesti yhden syöte- ja yhden ulostekijällisissä järjestelmissä (SISO).
Moderni ohjausinsinööri
Moderna ohjausinsinöörissa korkeamman asteen differentiaaliyhtälöt muutetaan ensimmäisen asteen differentiaaliyhtälöiksi. Nämä yhtälöt ratkaistaan vektorimenetelmällä. Näin monimutkaisuuksia korkeamman asteen differentiaaliyhtälöiden ratkaisussa voidaan välttää.
Näitä sovelletaan usean syöte- ja ulostekijällisiin järjestelmiin, joissa taajuusaluetteen analyysi ei ole mahdollista. Monimuuttujaiset epälinearisuudet ratkaistaan modernilla menetelmällä. Tila-avaruuden vektorit, ominaisarvot ja ominaisvektorit kuuluvat tähän kategoriaan. Tila-avaruuden muuttujat kuvaavat syöttöä, ulostetta ja järjestelmän muuttujia.
Robusti ohjausinsinööri
Robustissa ohjausmenetelmässä järjestelmän suorituskyvyn muutokset parametrien muuttuessa mitataan optimointia varten. Tämä auttaa laajentamaan vakautta ja suorituskykyä sekä löytämään vaihtoehtoisia ratkaisuja. Siksi robustissa ohjausmenetelmässä huomioidaan ympäristö, sisäiset epätarkkuudet, häiriöt ja melut vähentääkseen virheitä järjestelmässä.
