Inženjerstvo upravljanja: Što je to? (I njegova povijest)
Što je kontrolna inženjerija
Kontrolna inženjerija je grana inženjerstva koja se bavi principima teorije kontrole kako bi dizajnirala sustav koji daje željeno ponašanje na kontroliran način. Stoga, iako se kontrolna inženjerija često predaje unutar elektrotehničkog inženjerstva na sveučilištima, to je interdisciplinarni temat.
Inženjeri za kontrolne sustave analiziraju, dizajniraju i optimiziraju složene sustave koji sastoje se od visoko integrirane koordinacije mehaničkih, električnih, kemskih, metalurških, elektroničkih ili pneumatnih elemenata. Stoga kontrolna inženjerija obuhvaća raznolik raspon dinamičkih sustava koji uključuju sučelja između ljudi i tehnologije. Ovi sustavi općenito se nazivaju kontrolnim sustavima.
Kontrolna inženjerija fokusira se na analizu i dizajn sustava kako bi se poboljšali brzina odgovora, točnost i stabilnost sustava.
Dva metoda kontrolnog sustava uključuju klasične metode i moderne metode. Matematički model sustava stavlja se kao prvi korak, nakon čega slijedi analiza, dizajn i testiranje. Provjeravaju se nužni uvjeti za stabilnost, a na kraju slijedi optimizacija.
U klasičnoj metodi, matematičko modeliranje obično se vrši u vremenskom domenu, frekvencijskom domenu ili kompleksnom domenu. Korak odziva sustava matematički se modelira u diferencijalnoj analizi vremenskog domena kako bi se pronašli njegov vrijeme usmirevanja, % prevazilaženja itd. Laplaceove transformacije najčešće se koriste u frekvencijskom domenu kako bi se pronašli otvoreni zalihe, fazni margine, širina pasmosa itd. sustava. Koncept prijenosne funkcije, Nyquistov kriterij stabilnosti, uzorkovanje podataka, Nyquistov dijagram, polovi i nule, Bodeovi dijagrami, kašnjenja sustava svi spadaju pod klasičnu kontrolnu inženjeriju.
Moderna kontrolna inženjerija bavi se višeulaznim višeizlaznim (MIMO) sustavima, pristupom prostora stanja, svojstvenim vrijednostima i vektorima itd. Umjesto transformiranja složenih običnih diferencijalnih jednadžbi, moderni pristup pretvara viši red jednadžbi u prvi red diferencijalnih jednadžbi i rješava ih metodom vektora.
Automatski kontrolni sustavi su najčešće korišteni jer ne uključuju ručnu kontrolu. Kontrolirana varijabla se mjeri i uspoređuje s određenom vrijednosti kako bi se dobilo željeni rezultat. Kao rezultat automatskih sustava za kontrolne svrhe, cijena energije ili snage, kao i cijena procesa, bit će smanjena, povećavajući njegovu kvalitetu i produktivnost.
Povijest kontrolnih sustava
Primjena automatskog kontrolnog sustava smatra se da se koristi čak i od davnih civilizacija. Različiti tipovi satova na vodu dizajnirani su i implementirani kako bi se točno mjeralo vrijeme od trećeg stoljeća pr. Kr., od strane Grka i Arabaca. Međutim, prvi automatski sustav smatra se Watts Fly ball Governor iz 1788. godine, koji je započeo industrijsku revoluciju. Matematičko modeliranje Gubernatora analizirao je Maxwell 1868. godine. U 19. stoljeću, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace i Joseph Fourier razvili su različite metode matematičkog modeliranja. Drugi sustav smatra se Al Butz’s Damper Flapper – termostat iz 1885. godine. On je osnovao tvrtku koja danas nosi ime Honeywell.
Početak 20. stoljeća poznat je kao zlatno doba kontrolne inženjerije. Tijekom tog vremena, klasične metode kontrole razvijene su u Bell Laboratoriju od strane Hendrika Wade Bodea i Harryja Nyquista. Automatski upravljači za upravljanje brodovima razvili su Minorsky, rusko-američki matematičar. On je također uveo koncept integralne i derivacijske kontrole u 1920-ima. U međuvremenu, koncept stabilnosti postavio je Nyquist, a slijedio ga je Evans. Transformacije primijenjene su u kontrolnim sustavima Oliverom Heavisidom. Moderne metode kontrole razvijene su nakon 1950. godine Rudolfom Kalmanom, kako bi se prebrodile ograničenja klasičnih metoda. PLC-ovi su uvedeni 1975. godine.
Vrste kontrolne inženjerije
Kontrolna inženjerija ima svoju kategorizaciju ovisno o različitim metodologijama koje se koriste. Glavne vrste kontrolne inženjerije uključuju:
Klasična kontrolna inženjerija
Moderna kontrolna inženjerija
Robusta kontrolna inženjerija
Optimalna kontrolna inženjerija
Adaptivna kontrolna inženjerija
Nelinearna kontrolna inženjerija
Teorija igara
Klasična kontrolna inženjerija
Sustavi obično se predstavljaju koristeći obične diferencijalne jednadžbe. U klasičnoj kontrolnoj inženjeriji, ove jednadžbe se transformiraju i analiziraju u transformiranom domenu. Laplaceova transformacija, Fourierova transformacija i z-transformacija su primjeri. Ova metoda se često koristi u sustavima s jednim ulazom i jednim izlazom (SISO).
Moderna kontrolna inženjerija
U modernoj kontrolnoj inženjeriji, diferencijalne jednadžbe višeg reda pretvaraju se u diferencijalne jednadžbe prvog reda. Ove jednadžbe rješavaju se vrlo slično metodi vektora. Time se riješi mnogo komplikacija koje se javljaju pri rješavanju diferencijalnih jednadžbi višeg reda.
Ovo se primjenjuje u sustavima s više ulaza i više izlaza gdje analiza u frekvencijskom domenu nije moguća. Nelinearnosti s više varijabli rješavaju se modernom metodologijom. Vektori prostora stanja, svojstvene vrijednosti i svojstveni vektori pripadaju ovoj kategoriji. Promjenljive stanja opisuju ulaze, izlaze i promjenljive sustava.
Robusta kontrolna inženjerija
U robustnoj metodologiji kontrole, mijenja se performanse sustava s promjenom parametara radi optimizacije. To pomaže u proširenju stabilnosti i performansi, kao i u pronalasku alternativnih rješenja. Stoga u robustnoj kontroli uzimaju se u obzir okruženje, interne netočnosti, šumovi i perturbacije kako bi se smanjila greška u sustavu.
