Ingegneria del Controllo: Cos'è? (E la sua Storia)
Cos'è l'Ingegneria del Controllo
L'ingegneria dei sistemi di controllo è il ramo dell'ingegneria che si occupa dei principi della teoria del controllo per progettare un sistema che fornisca il comportamento desiderato in modo controllato. Pertanto, sebbene l'ingegneria del controllo venga spesso insegnata all'interno dell'ingegneria elettrica all'università, è un argomento interdisciplinare.
Gli ingegneri dei sistemi di controllo analizzano, progettano e ottimizzano sistemi complessi che consistono in una coordinazione altamente integrata di elementi meccanici, elettrici, chimici, metallurgici, elettronici o pneumatici. Pertanto, l'ingegneria del controllo si occupa di una vasta gamma di sistemi dinamici che includono interfacciamenti umani e tecnologici. Questi sistemi sono generalmente definiti come sistemi di controllo.
L'ingegneria dei sistemi di controllo si concentra sull'analisi e sul progetto di sistemi per migliorare la velocità di risposta, l'accuratezza e la stabilità del sistema.
I due metodi di ingegneria del controllo includono i metodi classici e quelli moderni. Il modello matematico del sistema viene impostato come primo passo, seguito da analisi, progettazione e test. Vengono verificate le condizioni necessarie per la stabilità e, infine, segue l'ottimizzazione.
Nel metodo classico, la modellizzazione matematica viene solitamente effettuata nel dominio del tempo, del dominio delle frequenze o del dominio complesso. La risposta al gradino di un sistema viene modellata matematicamente nell'analisi differenziale nel dominio del tempo per trovare il suo tempo di assestamento, l'overshoot percentuale, ecc. Le trasformate di Laplace sono le più comunemente utilizzate nel dominio delle frequenze per trovare il guadagno a ciclo aperto, il margine di fase, la banda passante, ecc. del sistema. Il concetto di funzione di trasferimento, criteri di stabilità di Nyquist, campionamento dei dati, grafico di Nyquist, poli e zeri, diagrammi di Bode, ritardi del sistema, tutti rientrano sotto l'ombrello del flusso classico dell'ingegneria del controllo.
L'ingegneria del controllo moderna si occupa di sistemi con Multiple Input Multiple Output (MIMO), approccio dello spazio degli stati, autovettori e autovalori, ecc. Invece di trasformare equazioni differenziali ordinarie complesse, l'approccio moderno converte equazioni di ordine superiore in equazioni differenziali di primo ordine e le risolve con il metodo vettoriale.
I sistemi di controllo automatici sono i più comunemente utilizzati in quanto non richiedono controllo manuale. La variabile controllata viene misurata e confrontata con un valore specificato per ottenere il risultato desiderato. Grazie ai sistemi automatizzati per scopi di controllo, il costo dell'energia o della potenza, così come il costo del processo, sarà ridotto, aumentandone la qualità e la produttività.
Storia dei Sistemi di Controllo
Si crede che l'applicazione dei sistemi di controllo automatico sia in uso fin dai tempi delle civiltà antiche. Diversi tipi di orologi ad acqua sono stati progettati e implementati per misurare il tempo con precisione dal terzo secolo a.C., da parte dei Greci e degli Arabi. Tuttavia, il primo sistema automatico è considerato il governatore a palla di Watts nel 1788, che ha dato inizio alla rivoluzione industriale. La modellizzazione matematica del governatore è stata analizzata da Maxwell nel 1868. Nel XIX secolo, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace e Joseph Fourier hanno sviluppato diversi metodi per la modellizzazione matematica. Il secondo sistema è considerato il Damper Flapper di Al Butz, un termostato nel 1885. Ha fondato la società ora chiamata Honeywell.
L'inizio del XX secolo è noto come l'età dell'oro dell'ingegneria del controllo. Durante questo periodo, i metodi di controllo classici sono stati sviluppati presso il Bell Laboratory da Hendrik Wade Bode e Harry Nyquist. I controller automatici per la navigazione delle navi sono stati sviluppati da Minorsky, matematico russo-americano. Ha introdotto anche il concetto di controllo integrale e derivativo negli anni '20. Nel frattempo, il concetto di stabilità è stato proposto da Nyquist e seguito da Evans. Le trasformate sono state applicate nei sistemi di controllo da Oliver Heaviside. I metodi di controllo moderni sono stati sviluppati dopo il 1950 da Rudolf Kalman, per superare le limitazioni dei metodi classici. I PLC sono stati introdotti nel 1975.
Tipi di Ingegneria del Controllo
L'ingegneria del controllo ha la sua propria categorizzazione a seconda dei diversi metodi utilizzati. I principali tipi di ingegneria del controllo includono:
Ingegneria del controllo classica
Ingegneria del controllo moderna
Ingegneria del controllo robusto
Ingegneria del controllo ottimale
Ingegneria del controllo adattivo
Ingegneria del controllo non lineare
Teoria dei giochi
Ingegneria del Controllo Classica
I sistemi sono solitamente rappresentati utilizzando equazioni differenziali ordinarie. Nell'ingegneria del controllo classica, queste equazioni vengono trasformate e analizzate in un dominio trasformato. Le trasformate di Laplace, le trasformate di Fourier e le trasformate z sono esempi. Questo metodo viene comunemente utilizzato in sistemi con Singolo Ingresso Singola Uscita (SISO).
Ingegneria del Controllo Moderna
Nell'ingegneria del controllo moderna, le equazioni differenziali di ordine superiore vengono convertite in equazioni differenziali di primo ordine. Queste equazioni vengono risolte in modo molto simile al metodo vettoriale. In questo modo, molte complicazioni nella risoluzione delle equazioni differenziali di ordine superiore vengono risolte.
Questi metodi vengono applicati in sistemi con Multiple Input Multiple Output dove l'analisi nel dominio delle frequenze non è possibile. Le non linearità con variabili multiple vengono risolte con la metodologia moderna. I vettori dello spazio degli stati, gli autovalori e gli autovettori appartengono a questa categoria. Le variabili di stato descrivono l'ingresso, l'uscita e le variabili del sistema.
Ingegneria del Controllo Robusto
Nella metodologia di controllo robusto, le variazioni delle prestazioni del sistema con il cambiamento dei parametri vengono misurate per l'ottimizzazione. Questo aiuta ad ampliare la stabilità e le prestazioni, nonché a trovare soluzioni alternative. Pertanto, nel controllo robusto, l'ambiente, le imprecisioni interne, i rumori e le perturbazioni vengono considerati per ridurre i malfunzionamenti del sistema.
Ingegneria del Controllo Ottimale
Nell'ingegneria del controllo ottimale, il problema viene formulato come un modello matematico del processo, vincoli fisici e prestazionali, per minimizzare la funzione di costo. Pertanto, l'ingegneria del controllo ottimale è la soluzione più fattibile per progettare un sistema con un costo minimo.
