Irányítástechnika: Miben áll? (És története)

Mi a műszaki irányítás?

Az irányítási rendszerek mérnöki területe az olyan mérnöki ág, amely a kontroll elmélet alapelveit használja, hogy egy olyan rendszert tervezzen, amely meghatározott módon ad meg a kívánt viselkedést. Ezért bár a műszaki irányítást gyakran elektromos mérnök szakon tanítják az egyetemen, ez interdiszciplináris témakör.

Az irányítási rendszerek mérnökei elemzik, tervezik és optimalizálják a mélyen integrált koordinációval rendelkező összetett rendszereket, amelyekben mechanikai, elektromos, kémiai, metallurgiai, elektronikus vagy légszomjas elemek találhatók. Így az irányítási mérnöki terület sokféle dinamikus rendszerrel foglalkozik, beleértve az emberi és technológiai interfészeket is. Ezek a rendszerek széles körben irányítási rendszereknek nevezik.

Az irányítási rendszerek mérnöksége a rendszerek elemzésére és tervezésére koncentrál, hogy javítsa a válaszidőt, a pontosságot és a rendszer stabilitását.

A két irányítási rendszer metódusa a klasszikus metódusok és a modern metódusok. A rendszer matematikai modelljének felállítása a legelső lépés, utána következik az elemzés, a tervezés és a tesztelés. Ellenőrizik a stabilitás szükséges feltételeit, végül pedig a folyamatot optimalizálják.

A klasszikus módszer esetén a matematikai modellezést általában időtartományban, frekvencia tartományban vagy komplex tartományban végezzük. A rendszer léptes válaszának matematikai modellezése időtartománybeli differenciál analízissel történik, hogy megtaláljuk a beállítási időt, a % túlszárnyasodást stb. A Laplace-transzformációk a leggyakrabban használtak a frekvencia tartományban, hogy megtaláljuk a nyitott hurok erősítését, a fázis margót, a sávteret stb. A transzferek függvényeinek, a Nyquist-stabilitási kritériumoknak, az adatminta, a Nyquist-diagramoknak, a pólusoknak és zérusoknak, a Bode-diagramoknak, a rendszer késései mind a klasszikus irányítási mérnöki ág részei.

A modern irányítási mérnökség a Több Bemenet-Több Kimenet (MIMO) rendszerekkel, állapot tér megközelítéssel, sajátértékekkel és vektorokkal foglalkozik. A modern megközelítés nem alakítja át a komplex közönséges differenciálegyenleteket, hanem a magasabbrendű egyenleteket elsőrendű differenciálegyenletekre alakítja, és vektormódszerrel oldja meg őket.

Az automatikus irányítási rendszereket a leggyakrabban használják, mivel manuális irányítás nélküli. A vezérlött változót mérjük, és összehasonlítjuk egy meghatározott értékkel, hogy elérjük a kívánt eredményt. Az automatizált rendszerek használata miatt az energia vagy a teljesítmény költsége, valamint a folyamat költsége csökken, miközben a minőség és a termelékenység növekszik.

Az irányítási rendszerek története

Az automatikus irányítási rendszerek alkalmazása már a régi civilizációkban is használatban volt. Számos típusú vízóra tervezését és implementálását hajtották végre a görögök és arabok a Kr. e. 3. századtól kezdve, hogy pontosan mérjék az időt. De az első automatikus rendszer Watts Flyball Governor volt 1788-ban, amely megindította az ipari forradalmat. A governor matematikai modellezését Maxwell elemolta 1868-ban. A 19. században Euler, Laplace és Fourier fejlesztettek ki különböző matematikai modellezési módszereket. A második rendszer Butz Damper Flapper volt – egy termostát 1885-ben. Ő indította el a ma Honeywell néven ismert cégét.

A 20. század eleje az irányítási mérnöki terület aranykora volt. Ebben az időszakban a klasszikus irányítási módszereket fejlesztették ki a Bell Laboratóriumban Bode és Nyquist. Automatikus irányítók tervezését hajtották végre Minorsky, orosz-amerikai matematikus hajók irányításához. Ő vezette be az integrál és derivált irányítás fogalmát a 1920-as években. Ugyanakkor Nyquist és Evans előterjesztette a stabilitás fogalmát. Heaviside alkalmazta a transzformációkat az irányítási rendszerekben. A modern irányítási módszereket Kalman fejlesztette ki 1950-es évektől, hogy feloldja a klasszikus módszerek korlátait. A PLC-ket 1975-ben vezették be.

Irányítási mérnöki területek típusai

Az irányítási mérnöki területeknek saját osztályozása van, amely a különböző használt módszereken alapszik. Az irányítási mérnöki területek főbb típusai:

• Klasszikus irányítási mérnöki terület

• Modern irányítási mérnöki terület

• Robusztus irányítási mérnöki terület

• Optimális irányítási mérnöki terület

• Adaptív irányítási mérnöki terület

• Nemlineáris irányítási mérnöki terület

• Játékelmélet

Klasszikus irányítási mérnöki terület

A rendszereket általában közönséges differenciálegyenletekkel reprezentálják. A klasszikus irányítási mérnöki területen ezeket az egyenleteket átalakítják és elemzik egy átalakított tartományban. A Laplace-transzformációk, a Fourier-transzformációk és a z transzformációk példák erre. Ez a módszer gyakran használatos egyszeres bemenet-egyszeres kimenet rendszerekben (SISO).

Modern irányítási mérnöki terület

A modern irányítási mérnöki területen a magasabbrendű differenciálegyenleteket elsőrendű differenciálegyenletekre alakítják. Ezeket az egyenleteket nagyon hasonlóan oldják meg, mint a vektormódszerrel. Így számos összetettség, amely a magasabbrendű differenciálegyenletek megoldásában merülne fel, megoldható.

Ezeket több bemenet-több kimenet rendszerekben alkalmazzák, ahol a frekvencia tartományban történő elemzés nem lehetséges. A többváltozós nemlinearitásokat a modern módszerekkel oldják meg. Az állapot tér vektorok, a sajátértékek és a sajátvektorok ebben a kategóriában helyezkednek el. Az állapotváltozók leírják a bemenetet, a kimenetet és a rendszerváltozókat.

Robusztus irányítási mérnöki terület

A robusztus irányítási módszerben a rendszer teljesítményének változását a paraméterek változása esetén mérik az optimalizálás érdekében. Ez segít a stabilitás és a teljesítmény kiterjesztésében, valamint alternatív megoldások keresésében. Így a robusztus irányításban a környezeti, belső pontatlanságok, zajok és zavaró