Inxeñaría de Control: Que é? (E a súa Historia)

Que é a Enxeñaría de Control

A enxeñaría de sistemas de control é a rama da enxeñaría que trata os principios da teoría do control para deseñar un sistema que produza o comportamento desexado dun xeito controlado. Polo tanto, aínda que a enxeñaría de control adoita ensinarse dentro da enxeñaría eléctrica na universidade, é un tema interdisciplinar.

Os enxeñeiros de sistemas de control analizan, deseñan e optimizan sistemas complexos que consisten nunha coordinación altamente integrada de elementos mecánicos, eléctricos, químicos, metalúrgicos, electrónicos ou neumáticos. Así, a enxeñaría de control trátase dunha ampla gama de sistemas dinámicos que inclúen a interfaz humana e tecnolóxica. Estes sistemas denomínanse xeralmente sistemas de control.

A enxeñaría de sistemas de control centrase na análise e no deseño de sistemas para mellorar a velocidade de resposta, a precisión e a estabilidade do sistema.

Os dous métodos de enxeñaría de control inclúen os métodos clásicos e os modernos. O modelo matemático do sistema establecése como primeiro paso, seguido da análise, deseño e proba. Compróbanse as condicións necesarias para a estabilidade e, finalmente, realiza-se a optimización.

No método clásico, o modelado matemático fágose xeralmente no dominio do tempo, no dominio da frecuencia ou no dominio complexo. A resposta ao paso dun sistema modeláse matematicamente na análise diferencial do dominio do tempo para atopar o seu tempo de asentamento, o sobrepaso en %, etc. As transformadas de Laplace son as máis comúnmente utilizadas no dominio da frecuencia para atopar a ganancia en bucle aberto, a margen de fase, a anchura de banda, etc., do sistema. O concepto da función de transferencia, os criterios de estabilidade de Nyquist, a mostraxe de datos, o diagrama de Nyquist, os polos e ceros, os diagramas de Bode, os retardos do sistema, todos entran baixo o paraguas da corrente da enxeñaría de control clásica.

A enxeñaría de control moderna ocúpase dos sistemas con múltiples entradas e múltiples salidas (MIMO), a aproximación do espazo de estados, os valores propios e vectores, etc. En vez de transformar ecuacións diferenciais ordinarias complexas, a aproximación moderna converte as ecuacións de orde superior en ecuacións diferenciales de primeira orde e resólvense por medio vectorial.

Os sistemas de control automático son os máis comúnmente utilizados xa que non implican control manual. A variable controlada mídese e compárase con un valor especificado para obter o resultado desexado. Como resultado dos sistemas automatizados para fins de control, o custo da enerxía ou potencia, así como o custo do proceso, reduciranse, aumentando a súa calidade e produtividade.

História dos Sistemas de Control

A aplicación de sistemas de control automático créeuse que está en uso mesmo desde as civilizacións antiguas. Deseñáronse e implementáronse varios tipos de reloxos de auga para medir o tempo con precisión desde o terceiro século a.C., por gregos e árabes. Pero o primeiro sistema automático considerase o gobernador de voo de Watts en 1788, que iniciou a revolución industrial. A modelización matemática do gobernador analízase por Maxwell en 1868. No século XIX, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace e Joseph Fourier desenvolveron diferentes métodos de modelización matemática. O segundo sistema considerase o Damper Flapper de Al Butz - un termostato en 1885. El fundou a empresa agora chamada Honeywell.

O inicio do século XX coñécese como a idade de ouro da enxeñaría de control. Durante este período, desenvolvéronse os métodos clásicos de control no Laboratorio Bell por Hendrik Wade Bode e Harry Nyquist. Desenvolveusen controladores automáticos para a dirección de barcos por Minorsky, matemático rusoa-estadounidense. Tamén introduciu o concepto de control integral e derivativo na década de 1920. Entretanto, o concepto de estabilidade propúxoase por Nyquist e seguiuse por Evans. As transformadas aplicáronse nos sistemas de control por Oliver Heaviside. Os métodos modernos de control desenvolvéronse despois dos anos 1950 por Rudolf Kalman, para superar as limitacións dos métodos clásicos. Introducíronse os PLC en 1975.

Tipo de Enxeñaría de Control

A enxeñaría de control ten a súa propia categorización dependendo das diferentes metodoloxías utilizadas. Os principais tipos de enxeñaría de control inclúen:

• Enxeñaría de control clásica

• Enxeñaría de control moderna

• Enxeñaría de control robusta

• Enxeñaría de control óptima

• Enxeñaría de control adaptativa

• Enxeñaría de control non lineal

• Teoría de xogos

Enxeñaría de control clásica

Os sistemas xeralmente representáronse utilizando ecuacións diferenciais ordinarias. Na enxeñaría de control clásica, estas ecuacións transformáronse e analizaron nun dominio transformado. As transformadas de Laplace, as transformadas de Fourier e a transformada z son exemplos. Este método úsase comúnmente en sistemas con entrada única e saída única (SISO).

Enxeñaría de control moderna

Na enxeñaría de control moderna, as ecuacións diferenciales de orde superior convértense en ecuacións diferenciales de primeira orde. Estas ecuacións resólvense moi semellante ao método vectorial. Ao facelo, solucionanse moitas complicacións tratadas na resolución de ecuacións diferenciales de orde superior.

Estes aplícanse en sistemas con múltiples entradas e múltiples salidas onde a análise no dominio da frecuencia non é posible. Resólvense as non linearidades con múltiples variables mediante a metodoloxía moderna. Os vectores de espazo de estados, os valores propios e vectores propios pertencen a esta categoría. As variables de estado describen a entrada, a saída e as variables do sistema.

Enxeñaría de control robusta

Na metodoloxía de control robusta, midense os cambios no rendemento do sistema con o cambio nos parámetros para a optimización. Isto axuda a alargar a estabilidade e o rendemento, así como a atopar solucións alternativas. Polo tanto, no control robusto, téñense en conta o ambiente, as inexactitudes internas, os ruidos e as perturbacións para reducir o fallo no sistema.

Enxeñaría de control óptima

Na enxeñaría de control óptima, o problema formula como un modelo matemático do proceso, restricións físicas e de rendemento, para minimizar a función de custo. Polo tanto, a enxeñaría de control óptima é a solución máis factible para deseñar un sistema con mínimo custo.

Enxeñaría de control adaptativa

Propina