Kontrolinženierija: Kas tas ir? (Un tā vēsture)
Kas ir Kontroles Inženierija
Kontrolēšanas sistēmu inženierija ir inženierijas nozare, kas nodarbojas ar kontroles teorijas principiem, lai izstrādātu sistēmas, kas sniedz vēlamu uzvedību kontrolētā veidā. Tāpēc, neskatoties uz to, ka kontrolēšanas inženieriju bieži māca universitātēs elektrikumu inženierijas kontekstā, tā ir starpzinātniskā tēma.
Kontrolēšanas sistēmu inženieri analizē, dizaina un optimizē sarežģītas sistēmas, kas sastāv no augsti integrētā mehānisko, elektrisko, ķīmisko, metallurgisku, elektronisko vai pneimatisko elementu koordinācijas. Tāpēc kontrolēšanas inženierija attiecas uz daudzveidīgu dinamisko sistēmu klasi, kas ietver cilvēka un tehnoloģiju interfēces. Šīs sistēmas plaši tiek sauktas par kontrolēšanas sistēmām.
Kontrolēšanas sistēmu inženierija fokusējas uz sistēmu analīzi un dizainu, lai uzlabotu sistēmas atbildes ātrumu, precizitāti un stabilitāti.
Divi kontrolēšanas sistēmu metodi ietver klasiskos metodes un modernās metodes. Pirmajā solī tiek izveidota sistēmas matemātiskā modeļa, pēc tam seko analīze, dizains un testēšana. Pārbaudītas tiek nepieciešamās stabilitātes nosacījumi, un beigās notiek optimizācija.
Klasiskajā metodē matemātiskais modelis parasti tiek izveidots laika domēnā, frekvences domēnā vai kompleksā domēnā. Sistēmas solis reakcija tiek matemātiski modelēta laika domēna diferenciālanalīzē, lai atrastu to uzturēšanas laiku, % pārspridzinājumu utt. Laplasa transformācijas parasti tiek izmantotas frekvences domēnā, lai atrastu atvērtās smugura guvumu, fāzes marģināli, diapazonu utt. Transfere funkcijas koncepts, Nijkstra stabilitātes kritēriji, datu mērīšana, Nijkstra diagramma, poli un nuli, Bode diagrammas, sistēmas aizkavējumi visi ietilpst klasiskās kontrolēšanas inženierijas strūkā.
Modernā kontrolēšanas inženierija nodarbojas ar vairāku ieplūdes-vairāku izplūdes (MIMO) sistēmām, statusa telpas pieeju, Eigenvertībām un vektoriem utt. Lai gan sarežģītās ordinārijas diferenciālvienādojumu transformācijas, modernā pieeja pārvērš augstākos vienādojumus par pirmās kārtas diferenciālvienādojumiem un risina tos ar vektora metodi.
Automātiskās kontrolēšanas sistēmas parasti tiek izmantotas, jo tās neietver manuālo kontrolēšanu. Kontrolējamā mainīgā tiek mērīts un salīdzināts ar noteiktu vērtību, lai iegūtu vēlamo rezultātu. Automātiskās sistēmas lietošanas dēļ kontrolēšanas nolūkos samazinās enerģijas vai spēka izmaksas, kā arī procesa izmaksas, tādas kvalitātes un produktivitātes paaugstināšanās.
Kontroles sistēmu vēsture
Automātiskās kontrolēšanas sistēmu lietošana tika sākta pat senajās civilizācijās. Dažādi veidi no ūdens gadiem tika izstrādāti un ieviesti, lai precīzi mērītu laiku no trešā gadsimta pirms Krista, Grieķiem un Arābijā. Tomēr pirmā automātiskā sistēma tika uzskatīta par Vatsa lidojošo guva valdnieku 1788. gadā, kas sāka industriālo revolūciju. Guva matemātiskais modelis tika analizēts Maksvella 1868. gadā. 19. gadsimtā Leonards Eilers, Pier Simon Laplas un Džozefs Furjē izstrādāja dažādas matemātiskās modelēšanas metodes. Otra sistēma tika uzskatīta par Al Butza Damper Flapper – termostatu 1885. gadā. Viņš uzsāka uzņēmumu, kas tagad pazīstams kā Honeywell.
20. gadsimta sākums tika zināts kā kontrolēšanas inženierijas zelta laiks. Šajā laikā Bell Laboratorijā Hendrik Vade Bode un Hārijs Nijkstra izstrādāja klasiskās kontrolēšanas metodes. Minorskis, Krievijas-Amerikas matemātisks, izstrādāja automātiskus valdniekus kuģu virzienam. Viņš ieviesa integrales un derivācijas kontrolēšanas konceptu 1920. gados. Mezklā un Evans izvirzīja stabilitātes konceptu. Transformācijas tika piemērotas kontrolēšanas sistēmās Oliver Heaviside. Modernās kontrolēšanas metodes tika izstrādātas pēc 1950. gada Rudolfs Kalmanis, lai pārvarētu klasiskās metodēs esošās ierobežojumus. PLC tika ieviesti 1975. gadā.
Kontroles inženierijas veidi
Kontroles inženierija ir savā kategorizācijā atkarīga no dažādām izmantotajām metodoloģijām. Galvenie kontroles inženierijas veidi ietver:
Klasiskā Kontroles Inženierija
Modernā Kontroles Inženierija
Robusta Kontroles Inženierija
Optimālā Kontroles Inženierija
Adaptīvā Kontroles Inženierija
Nelineārā Kontroles Inženierija
Spēles Teorija
Klasiskā Kontroles Inženierija
Sistēmas parasti tiek pārstāvētas, izmantojot parasto diferenciālvienādojumu. Klasiskajā kontroles inženierijā šie vienādojumi tiek transformēti un analizēti transformētajā domēnā. Laplasa transformācija, Furjē transformācija un z transformācija ir piemēri. Šī metode parasti tiek izmantota viena ieplūde-viena izplūde sistēmās (SISO).
Modernā Kontroles Inženierija
Modernā kontroles inženierijā augstākās kārtas diferenciālvienādojumi tiek pārveidoti par pirmās kārtas diferenciālvienādojumiem. Šie vienādojumi tiek atrisināti, līdzīgi kā vektora metode. Tas palīdz risināt daudzas sarežģītības, kas rodas, risinot augstākās kārtas diferenciālvienādojumus.
Šīs metodes tiek piemērotas vairāku ieplūdes-vairāku izplūdes sistēmām, kurās frekvences domēnā nav iespējama analīze. Neatrisinātas problēmas ar vairākiem mainīgajiem tiek atrisinātas modernā metodoloģijā. Statusa telpas vektori, Eigenvertības un Eigenvektori ietilpst šajā kategorijā. Statusa mainīgie apraksta ieplūdes, izplūdes un sistēmas mainīgos.
Robusta Kontroles Inženierija
Robusta kontrolēšanas metodoloģijā sistēmas veiktspējas maiņa ar parametru maiņu tiek mērīta optimizācijai. Tas palīdz paplašināt stabilitāti un veiktspēju, kā arī atrast alternatīvus risinājumus. Tāpēc robustā kontrolēšanā tiek ņemti vērā vides, iekšējie neprecizitātes, troksnis un traucējumi, lai samazinātu sistēmas kļūdas.
