Génie des systèmes de contrôle : Qu'est-ce que c'est ? (Et son histoire)

Qu'est-ce que l'ingénierie de contrôle

L'ingénierie des systèmes de contrôle est la branche de l'ingénierie qui traite des principes de la théorie du contrôle pour concevoir un système qui donne le comportement souhaité de manière contrôlée. Ainsi, bien que l'ingénierie de contrôle soit souvent enseignée dans le cadre de l'ingénierie électrique à l'université, c'est un sujet interdisciplinaire.

Les ingénieurs en systèmes de contrôle analysent, conçoivent et optimisent des systèmes complexes qui comprennent une coordination hautement intégrée d'éléments mécaniques, électriques, chimiques, métallurgiques, électroniques ou pneumatiques. Ainsi, l'ingénierie de contrôle concerne une large gamme de systèmes dynamiques qui incluent l'interface humaine et technologique. Ces systèmes sont généralement appelés systèmes de contrôle.

L'ingénierie des systèmes de contrôle se concentre sur l'analyse et la conception de systèmes pour améliorer la vitesse de réponse, la précision et la stabilité du système.

Les deux méthodes de l'ingénierie des systèmes de contrôle comprennent les méthodes classiques et modernes. Le modèle mathématique du système est établi comme première étape, suivie de l'analyse, de la conception et des tests. Les conditions nécessaires à la stabilité sont vérifiées et finalement, l'optimisation suit.

Dans la méthode classique, la modélisation mathématique est généralement effectuée dans le domaine temporel, le domaine fréquentiel ou le domaine complexe. La réponse indicielle d'un système est modélisée mathématiquement par analyse différentielle dans le domaine temporel pour trouver son temps de stabilisation, le pourcentage de dépassement, etc. Les transformations de Laplace sont les plus couramment utilisées dans le domaine fréquentiel pour trouver le gain en boucle ouverte, la marge de phase, la bande passante, etc. du système. Le concept de la fonction de transfert, les critères de stabilité de Nyquist, l'échantillonnage des données, le diagramme de Nyquist, les pôles et les zéros, les diagrammes de Bode, les retards du système relèvent tous de la branche de l'ingénierie de contrôle classique.

L'ingénierie de contrôle moderne traite des systèmes à entrées multiples et sorties multiples (MIMO), de l'approche de l'espace d'état, des valeurs propres et vecteurs propres, etc. Au lieu de transformer des équations différentielles ordinaires complexes, l'approche moderne convertit les équations d'ordre supérieur en équations différentielles du premier ordre et les résout par la méthode vectorielle.

Les systèmes de contrôle automatique sont les plus couramment utilisés car ils n'impliquent pas de contrôle manuel. La variable contrôlée est mesurée et comparée à une valeur spécifiée pour obtenir le résultat souhaité. En raison des systèmes automatisés pour les besoins de contrôle, le coût de l'énergie ou de la puissance, ainsi que le coût du processus, sera réduit, augmentant ainsi sa qualité et sa productivité.

Histoire des systèmes de contrôle

L'application des systèmes de contrôle automatique est censée être en usage même depuis les civilisations anciennes. Plusieurs types d'horloges à eau ont été conçues et mises en œuvre pour mesurer précisément le temps dès le troisième siècle avant J.-C., par les Grecs et les Arabes. Mais le premier système automatique est considéré comme étant le gouverneur à volant de Watt en 1788, qui a lancé la révolution industrielle. L'analyse mathématique du gouverneur a été réalisée par Maxwell en 1868. Au 19e siècle, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace et Joseph Fourier ont développé différentes méthodes de modélisation mathématique. Le deuxième système est considéré comme le Damper Flapper d'Al Butz - un thermostat en 1885. Il a fondé la société qui s'appelle maintenant Honeywell.

Le début du 20e siècle est connu comme l'âge d'or de l'ingénierie de contrôle. Pendant cette période, les méthodes de contrôle classiques ont été développées au Bell Laboratory par Hendrik Wade Bode et Harry Nyquist. Des contrôleurs automatiques pour la direction des navires ont été développés par Minorsky, mathématicien russe-américain. Il a également introduit le concept de contrôle intégral et dérivé dans les années 1920. Entre-temps, le concept de stabilité a été mis en avant par Nyquist, suivi par Evans. Les transformations ont été appliquées aux systèmes de contrôle par Oliver Heaviside. Les méthodes de contrôle modernes ont été développées après 1950 par Rudolf Kalman, pour surmonter les limitations des méthodes classiques. Les PLC ont été introduits en 1975.

Types d'ingénierie de contrôle

L'ingénierie de contrôle a sa propre catégorisation en fonction des différentes méthodologies utilisées. Les principaux types d'ingénierie de contrôle comprennent :

• Ingénierie de contrôle classique

• Ingénierie de contrôle moderne

• Ingénierie de contrôle robuste

• Ingénierie de contrôle optimale

• Ingénierie de contrôle adaptative

• Ingénierie de contrôle non linéaire

• Théorie des jeux

Ingénierie de contrôle classique

Les systèmes sont généralement représentés en utilisant des équations différentielles ordinaires. Dans l'ingénierie de contrôle classique, ces équations sont transformées et analysées dans un domaine transformé. Les transformations de Laplace, les transformations de Fourier et la transformation en Z en sont des exemples. Cette méthode est couramment utilisée dans les systèmes à entrée unique et sortie unique (SISO).

Ingénierie de contrôle moderne

Dans l'ingénierie de contrôle moderne, les équations différentielles d'ordre supérieur sont converties en équations différentielles du premier ordre. Ces équations sont résolues de manière similaire à la méthode vectorielle. En procédant ainsi, de nombreuses complications liées à la résolution des équations différentielles d'ordre élevé sont résolues.

Ces méthodes sont appliquées dans les systèmes à entrées multiples et sorties multiples où l'analyse dans le domaine fréquentiel n'est pas possible. Les non-linéarités avec plusieurs variables sont résolues par la méthodologie moderne. Les vecteurs d'espace d'état, les valeurs propres et les vecteurs propres appartiennent à cette catégorie. Les variables d'état décrivent les entrées, les sorties et les variables du système.

Ingénierie de contrôle robuste

Dans la méthodologie de contrôle robuste, les changements dans les performances du système en fonction des paramètres sont mesurés pour l'optimisation. Cela aide à élargir la stabilité et les performances, ainsi qu'à trouver des solutions alternatives. Ainsi, dans le contrôle robuste, l'environnement, les imprécisions internes, les bruits et les perturbations sont pris en compte pour réduire les défauts du système.

Ingénierie de contrôle optimale

Dans l'ingénierie de contrôle optimale, le problème est formulé comme un modèle mathématique du processus, des contraintes physiques et des contraintes de performance, pour minimiser la fonction de coût. Ainsi, l'ingénierie de contrôle optimale est la solution la plus réaliste pour concevoir un