Reglerteknikk: Hva er det? (Og dens historie)
Hva er kontrollteknikk
Kontrollsystemteknikk er grenen av ingeniørfag som omhandler prinsippene for kontrollteori for å designe systemer som gir ønsket oppførsel på en kontrollert måte. Derfor, selv om kontrollteknikk ofte undervises innen elektrisk ingeniørfag ved universitet, er det et tverrfaglig emne.
Kontrollsystemingeniører analyserer, designer og optimaliserer komplekse systemer som består av høy grad av integrasjon av mekaniske, elektriske, kjemiske, metallurgiske, elektroniske eller pneumatisk elementer. Således omhandler kontrollteknikk et stort spekter av dynamiske systemer som inkluderer menneskelig og teknologisk samhandling. Disse systemene refereres generelt til som kontrollsystemer.
Kontrollsystemteknikk fokuserer på analyse og design av systemer for å forbedre systemets respons tid, nøyaktighet og stabilitet.
De to metodene for kontrollsystem inkluderer klassiske metoder og moderne metoder. Matematisk modell av systemet settes opp som første skritt, etterfulgt av analyse, design og testing. Nødvendige betingelser for stabilitet sjekkes, og til slutt følger optimalisering.
I den klassiske metoden gjøres matematisk modellering vanligvis i tidsdomenet, frekvensdomenet eller kompleksdomenet. Stegresponsen til et system modelleres matematisk i tidsdomenet differensialanalyse for å finne dens stabiliserings tid, % overskyting, etc. Laplace-transformasjoner brukes mest i frekvensdomenet for å finne åpen løkke forsterkning, fasemargin, båndbredde osv. av systemet. Konseptet med overføringsfunksjon, Nyquist-stabilitetskriterier, sampling av data, Nyquist-diagram, poler og nullpunkter, Bode-diagrammer, systemforsinkelser, alle disse ligger under paraplyen for klassisk kontrollteknikk.
Moderne kontrollteknikk omhandler Flere Innganger Flere Utganger (MIMO)-systemer, tilstandsrommet tilnærming, egenværdier og vektorer, etc. I stedet for å transformere komplekse ordinære differensiallikninger, konverterer moderne tilnærming høyere ordens likninger til første ordens differensiallikninger og løses ved vektormetode.
Automatiske kontrollsystemer er de mest brukte fordi de ikke involverer manuell kontroll. Den kontrollerede variabelen måles og sammenlignes med en angitt verdi for å oppnå ønsket resultat. Som et resultat av automatiserte systemer for kontrollformål, vil kostnaden for energi eller kraft, samt prosesskostnaden, bli redusert, og dermed øke kvaliteten og produktiviteten.
Historie av kontrollsystemer
Anvendelsen av automatiske kontrollsystemer antas å være i bruk enda fra de gamle sivilisasjonene. Flere typer vannure ble designet og implementert for å måle tid nøyaktig fra det tredje århundre f.Kr., av greskerne og araberne. Men det første automatiske systemet regnes som Watts Fly ball Governor i 1788, som startet den industrielle revolusjonen. Matematisk modellering av Gubernatoren ble analysert av Maxwell i 1868. I det 19ende århundre utviklet Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace, og Joseph Fourier ulike metoder for matematisk modellering. Det andre systemet regnes som Al Butz’s Damper Flapper – en termostat i 1885. Han startet selskapet som nå heter Honeywell.
Starten av det 20ende århundre er kjent som gullalderen for kontrollteknikk. Under denne tiden ble klassiske kontrollmetoder utviklet på Bell Laboratory av Hendrik Wade Bode og Harry Nyquist. Automatiske kontroller for styring av skip ble utviklet av Minorsky, en russisk-amerikansk matematiker. Han introduserte også konseptet om integral- og derivasjonskontroll i 1920-årene. Samtidig ble konseptet om stabilitet foreslått av Nyquist og fulgt av Evans. Transformasjoner ble anvendt i kontrollsystemer av Oliver Heaviside. Moderne kontrollmetoder ble utviklet etter 1950-årene av Rudolf Kalman, for å overkomme begrensningene i klassiske metoder. PLCs ble introdusert i 1975.
Typer av kontrollteknikk
Kontrollteknikk har sin egen kategorisering avhengig av de ulike metodologiene som brukes. De hovedtypene av kontrollteknikk inkluderer:
Klassisk kontrollteknikk
Moderne kontrollteknikk
Robust kontrollteknikk
Optimal kontrollteknikk
Adaptiv kontrollteknikk
Ikke-lineær kontrollteknikk
Spillteori
Klassisk kontrollteknikk
Systemene representeres vanligvis ved hjelp av ordinære differensiallikninger. I klassisk kontrollteknikk transformeres og analyseres disse likningene i et transformert domene. Laplace-transformasjon, Fourier-transformasjon og z-transformasjon er eksempler. Denne metoden brukes vanligvis i systemer med én inngang og én utgang (SISO).
Moderne kontrollteknikk
I moderne kontrollteknikk, blir høyere ordens differensiallikninger konvertert til første ordens differensiallikninger. Disse likningene løses på en måte som ligner vektormetoden. Ved å gjøre dette, løses mange komplikasjoner som oppstår når man løser høyere ordens differensiallikninger.
Disse brukes i systemer med flere innganger og flere utganger, hvor analyse i frekvensdomenet ikke er mulig. Ikke-lineariteter med flere variabler løses ved moderne metoder. Tilstandsromvektorer, egenværdier og egenvektorer tilhører denne kategorien. Tilstandsvariabler beskriver inngang, utgang og systemvariabler.
Robust kontrollteknikk
I robust kontrollmetodikk måles endringene i systemets ytelse med endring i parametre for optimalisering. Dette bidrar til å utvide stabilitet og ytelse, samt å finne alternative løsninger. Derfor tas miljø, interne unøyaktigheter, støy og forstyrrelser i betraktning for å redusere feil i systemet.
Optimal kontrollteknikk
I optimal kontrollteknikk, formuleres problemet som en matematisk modell av prosessen, fysiske begrensninger og ytelsesbegrensninger, for å minimere kostnadsfunksjonen. Dermed er optimal kontrollteknikk den mest rimelige løsningen for å designe et system med minimumskostnad.
