Kejuruteraan Kawalan: Apakah itu? (Dan Sejarahnya)
Apakah Kejuruteraan Kawalan
Kejuruteraan sistem kawalan adalah cabang kejuruteraan yang berurusan dengan prinsip teori kawalan untuk merancang sistem yang memberikan hasil yang diinginkan dalam cara yang terkawal. Oleh itu, walaupun kejuruteraan kawalan sering diajar dalam kejuruteraan elektrik di universiti, ia merupakan topik antara disiplin.
Jurutera sistem kawalan menganalisis, merancang, dan mengoptimumkan sistem kompleks yang terdiri daripada koordinasi tinggi elemen mekanikal, elektrik, kimia, metalurgi, elektronik, atau pneumatik. Oleh itu, kejuruteraan kawalan berurusan dengan pelbagai sistem dinamik yang termasuk interfacing manusia dan teknologi. Sistem-sistem ini secara umum dikenali sebagai sistem kawalan.
Kejuruteraan sistem kawalan fokus pada analisis dan perancangan sistem untuk meningkatkan laju tindak balas, ketepatan, dan kestabilan sistem.
Dua kaedah sistem kawalan termasuk kaedah klasik dan kaedah moden. Model matematik sistem ditetapkan sebagai langkah pertama, diikuti oleh analisis, perancangan, dan ujian. Syarat-syarat yang diperlukan untuk kestabilan diperiksa, dan akhirnya, pengoptimuman dilakukan.
Dalam kaedah klasik, pemodelan matematik biasanya dilakukan dalam domain masa, domain frekuensi, atau domain kompleks. Tindak balas langkah sistem dimodelkan secara matematik dalam analisis pembezaan domain masa untuk mencari masa penyelesaian, % overshoot, dll. Transformasi Laplace paling biasa digunakan dalam domain frekuensi untuk mencari gain gelung terbuka, margin fasa, lebar jalur, dll. Konsep fungsi pindah, kriteria kestabilan Nyquist, pensampelan data, plot Nyquist, kutub dan sifar, plot Bode, penundaan sistem semua termasuk dalam aliran kejuruteraan kawalan klasik.
Kejuruteraan kawalan moden berurusan dengan sistem Masukan Berbilang Keluaran Berbilang (MIMO), pendekatan ruang keadaan, nilai eigen, dan vektor, dll. Sebaliknya daripada mentransformasikan persamaan pembezaan biasa yang kompleks, pendekatan moden menukar persamaan tertib tinggi kepada persamaan pembezaan tertib pertama dan diselesaikan dengan kaedah vektor.
Sistem kawalan automatik paling biasa digunakan kerana ia tidak melibatkan kawalan manual. Pemboleh ubah yang dikawal diukur dan dibandingkan dengan nilai yang ditentukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Akibatnya, sistem automatik untuk tujuan kawalan akan mengurangkan kos tenaga atau kuasa, serta kos proses, meningkatkan kualiti dan produktivitinya.
Sejarah Sistem Kawalan
Penggunaan sistem kawalan automatik dipercayai telah digunakan sejak zaman tamadun kuno. Beberapa jenis jam air direka dan dilaksanakan untuk mengukur masa dengan tepat dari abad ke-3 SM, oleh orang Yunani dan Arab. Tetapi sistem automatik pertama dianggap sebagai Gabenor Flyball Watts pada tahun 1788, yang memulakan revolusi industri. Model matematik Gabenor dianalisis oleh Maxwell pada tahun 1868. Pada abad ke-19, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace, dan Joseph Fourier mengembangkan kaedah-kaedah berbeza untuk pemodelan matematik. Sistem kedua dianggap sebagai Damper Flapper Al Butz - sebuah termostat pada tahun 1885. Dia memulakan syarikat yang kini dikenali sebagai Honeywell.
Awal abad ke-20 dikenali sebagai zaman emas kejuruteraan kawalan. Semasa masa ini, kaedah-kaedah kawalan klasik dikembangkan di Bell Laboratory oleh Hendrik Wade Bode dan Harry Nyquist. Pengawal automatik untuk mengekalkan kapal direka oleh Minorsky, ahli matematik Rusia-Amerika. Dia juga memperkenalkan konsep Kawalan Integral dan Derivatif pada tahun 1920-an. Sementara itu, konsep kestabilan diperkenalkan oleh Nyquist dan diikuti oleh Evans. Transformasi diterapkan dalam sistem kawalan oleh Oliver Heaviside. Kaedah-kaedah Kawalan Moden dikembangkan selepas 1950-an oleh Rudolf Kalman, untuk mengatasi had kaedah-kaedah klasik. PLC diperkenalkan pada tahun 1975.
Jenis Kejuruteraan Kawalan
Kejuruteraan kawalan mempunyai kategori sendiri bergantung pada metodologi yang berbeza yang digunakan. Jenis-jenis utama kejuruteraan kawalan termasuk:
Kejuruteraan Kawalan Klasik
Kejuruteraan Kawalan Moden
Kejuruteraan Kawalan Robust
Kejuruteraan Kawalan Optimal
Kejuruteraan Kawalan Adaptif
Kejuruteraan Kawalan Nonlinear
Teori Permainan
Kejuruteraan Kawalan Klasik
Sistem biasanya diwakili menggunakan persamaan pembezaan biasa. Dalam kejuruteraan kawalan klasik, persamaan-persamaan ini ditransformasikan dan dianalisis dalam domain yang ditransformasikan. Transformasi Laplace, transformasi Fourier dan transformasi z adalah contoh. Kaedah ini biasanya digunakan dalam sistem Masukan Tunggal Keluaran Tunggal (SISO).
Kejuruteraan Kawalan Moden
Dalam kejuruteraan kawalan moden, persamaan pembezaan tertib tinggi ditukar kepada persamaan pembezaan tertib pertama. Persamaan-persamaan ini diselesaikan sangat mirip dengan kaedah vektor. Dengan melakukan demikian, banyak masalah yang dihadapi dalam menyelesaikan persamaan pembezaan tertib tinggi dapat diselesaikan.
Kaedah-kaedah ini diterapkan dalam sistem Masukan Berbilang Keluaran Berbilang di mana analisis dalam domain frekuensi tidak mungkin. Nonlinear dengan pelbagai pemboleh ubah diselesaikan dengan metodologi moden. Vektor ruang keadaan, nilai eigen, dan vektor eigen termasuk dalam kategori ini. Pemboleh ubah keadaan menggambarkan input, output, dan pemboleh ubah sistem.
Kejuruteraan Kawalan Robust
Dalam metodologi kawalan robust, perubahan dalam prestasi sistem dengan perubahan parameter diukur untuk pengoptimuman. Ini membantu dalam memperluaskan kestabilan dan prestasi, serta mencari penyelesaian alternatif. Oleh itu, dalam kawalan robust, persekitaran, ketidaktepatan dalaman, hingar, dan gangguan diambil kira untuk mengurangkan kesalahan dalam sistem.
Kejuruteraan Kawalan Optimal
Dalam kejuruteraan kawalan optimal, masalah diformulasikan sebagai model matematik proses, batasan fizikal, dan batasan prestasi, untuk meminimumkan fungsi kos. Oleh itu, kejuruteraan kawalan optimal adalah penyelesaian yang paling layak untuk merancang sistem dengan kos minimum.
