Regeltechniek: Wat is het? (En zijn geschiedenis)

Wat is regeltechniek

Regeltechniek is de tak van techniek die zich bezighoudt met de principes van regeltheorie om een systeem te ontwerpen dat het gewenste gedrag op een gecontroleerde manier oplevert. Regeltechniek wordt vaak binnen de elektrotechniek aan universiteiten onderwezen, maar het is een interdisciplinair onderwerp.

Regelingenontwerpers analyseren, ontwerpen en optimaliseren complexe systemen die bestaan uit nauw geïntegreerde coördinatie van mechanische, elektrische, chemische, metallurgische, elektronische of pneumatische elementen. Regeltechniek houdt zich bezig met een breed scala aan dynamische systemen, waaronder menselijke en technologische interfaces. Deze systemen worden in het algemeen aangeduid als regelsystemen.

Regeltechniek richt zich op de analyse en het ontwerp van systemen om de responssnelheid, nauwkeurigheid en stabiliteit van het systeem te verbeteren.

De twee methoden van regeltechniek zijn klassieke methoden en moderne methoden. Het wiskundige model van het systeem wordt als eerste opgesteld, gevolgd door analyse, ontwerp en testen. De noodzakelijke voorwaarden voor stabiliteit worden gecontroleerd en tenslotte volgt de optimalisatie.

Bij de klassieke methode wordt het wiskundige model meestal opgesteld in het tijdsdomein, frequentiedomein of complexe domein. De staprespons van een systeem wordt wiskundig gemodelleerd in differentiële analyses in het tijdsdomein om de settling time, % overschrijding, enz. te bepalen. Laplacetransformaties worden meestal gebruikt in het frequentiedomein om de openlusversterking, fasevoorsprong, bandbreedte, enz. van het systeem te bepalen. Het concept van de overdrachtsfunctie, Nyquist-stabiliteitscriteria, gegevenssampling, Nyquist-diagram, polen en nullen, Bodediagrammen, systeemvertragingen vallen allemaal onder de paraplu van de klassieke regeltechniek.

Moderne regeltechniek gaat in op Meerdere Invoer Meerdere Uitvoer (MIMO)-systemen, state space-benadering, eigenwaarden en -vectoren, enz. In plaats van complexe gewone differentiaalvergelijkingen te transformeren, zet de moderne benadering hogere orde vergelijkingen om in eerste orde differentiaalvergelijkingen en lost deze op door middel van vectormethoden.

Automatische regelsystemen worden het meest gebruikt omdat ze geen handmatige controle vereisen. De gereguleerde variabele wordt gemeten en vergeleken met een gespecificeerde waarde om het gewenste resultaat te verkrijgen. Als gevolg van geautomatiseerde systemen voor regeldoelen zal de kosten van energie of vermogen, evenals de kosten van het proces, worden verlaagd, wat leidt tot een verbetering van kwaliteit en productiviteit.

Geschiedenis van regelsystemen

Het gebruik van automatische regelsystemen wordt al sinds de oude beschavingen toegepast. Verschillende soorten waterklokken werden ontworpen en geïmplementeerd om de tijd nauwkeurig te meten vanaf de derde eeuw v.Chr., door Grieken en Arabieren. Maar het eerste automatische systeem wordt beschouwd als de Watts Fly ball Governor in 1788, die de industriële revolutie inluidde. De wiskundige modellering van de Governor werd in 1868 geanalyseerd door Maxwell. In de 19e eeuw ontwikkelden Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace en Joseph Fourier verschillende methoden voor wiskundige modellering. Het tweede systeem wordt beschouwd als Al Butz’s Damper Flapper – een thermostaat in 1885. Hij begon het bedrijf dat nu Honeywell heet.

Het begin van de 20e eeuw staat bekend als de gouden eeuw van regeltechniek. Tijdens deze periode werden klassieke regelmethoden ontwikkeld bij Bell Laboratory door Hendrik Wade Bode en Harry Nyquist. Automatische stuurapparaten voor schepen werden ontwikkeld door Minorsky, een Russisch-Amerikaanse wiskundige. Hij introduceerde ook het concept van Integraal- en Derivaatregeling in de jaren 1920. Ondertussen bracht Nyquist het concept van stabiliteit naar voren, gevolgd door Evans. De transformaties werden in regelsystemen toegepast door Oliver Heaviside. Moderne regelmethoden werden na de jaren 1950 ontwikkeld door Rudolf Kalman, om de beperkingen van klassieke methoden te overwinnen. PLC's werden in 1975 geïntroduceerd.

Soorten regeltechniek

Regeltechniek heeft zijn eigen categorisering, afhankelijk van de gebruikte methodologieën. De belangrijkste soorten regeltechniek omvatten:

• Klassieke regeltechniek

• Moderne regeltechniek

• Robuuste regeltechniek

• Optimale regeltechniek

• Adaptieve regeltechniek

• Niet-lineaire regeltechniek

• Speltheorie

Klassieke regeltechniek

De systemen worden meestal weergegeven met behulp van gewone differentiaalvergelijkingen. Bij klassieke regeltechniek worden deze vergelijkingen getransformeerd en geanalyseerd in een getransformeerd domein. Laplacetransformaties, Fouriertransformaties en z-transformaties zijn hierbij voorbeelden. Deze methode wordt meestal gebruikt in Single Input Single Output-systemen (SISO).

Moderne regeltechniek

In moderne regeltechniek worden hogere orde differentiaalvergelijkingen omgezet in eerste orde differentiaalvergelijkingen. Deze vergelijkingen worden opgelost op een manier die erg lijkt op de vectormethode. Door dit te doen, worden veel complicaties die optreden bij het oplossen van hogere orde differentiaalvergelijkingen opgelost.

Dit wordt toegepast in Multiple Input Multiple Output-systemen waar analyse in het frequentiedomein niet mogelijk is. Non-lineariteiten met meerdere variabelen worden opgelost met moderne methodologieën. State space-vectoren, eigenwaarden en -vectoren vallen in deze categorie. State variables beschrijven de invoer, uitvoer en systeemvariabelen.

Robuuste regeltechniek

Bij robuuste regelmethodologie worden de veranderingen in de prestaties van het systeem bij wijzigingen in parameters gemeten voor optimalisatie. Dit draagt bij aan het verbreden van de stabiliteit en prestaties, en het vinden van alternatieve oplossingen. Daarom worden in robuuste regeltechniek de omgeving, interne onnauwkeurigheden, ruis en verstoringen in rekening gebracht om de fout in het systeem te verminderen.

Optimale regeltechniek

In optimale regeltechniek wordt het probleem geformuleerd als een wiskundig model van het proces, fysieke beperkingen en prestatiebeperkingen, om de kostfunctie te minimaliseren. Optimale regeltechniek is dus de meest haalbare oplossing voor het ontwerpen van een