Inżynieria sterowania: Co to jest? (I jej historia)
Co to jest inżynieria sterowania
Inżynieria systemów sterowania to dziedzina inżynierii, która zajmuje się zasadami teorii sterowania, aby zaprojektować system, który w kontrolowany sposób daje pożądane zachowanie. W związku z tym, choć inżynierię sterowania często uczą na kierunkach elektrotechniki na uniwersytetach, jest to temat interdyscyplinarny.
Inżynierowie systemów sterowania analizują, projektują i optymalizują skomplikowane systemy, które składają się z wysoko zintegrowanej koordynacji elementów mechanicznych, elektrycznych, chemicznych, metalurgicznych, elektronicznych lub pneumatycznych. W związku z tym inżynieria sterowania zajmuje się różnorodnymi dynamicznymi systemami, które obejmują interfejsy ludzkie i technologiczne. Te systemy są szeroko nazywane systemami sterowania.
Inżynieria systemów sterowania koncentruje się na analizie i projektowaniu systemów, aby poprawić szybkość odpowiedzi, dokładność i stabilność systemu.
Dwa metody systemów sterowania obejmują klasyczne metody i nowoczesne metody. Jako pierwszy krok tworzony jest matematyczny model systemu, po którym następuje analiza, projektowanie i testowanie. Sprawdzane są niezbędne warunki stabilności, a na końcu następuje optymalizacja.
W metodzie klasycznej modelowanie matematyczne jest zwykle wykonywane w dziedzinie czasu, częstotliwości lub zespolonej. Odpowiedź skokowa systemu jest matematycznie modelowana w analizie różniczkowej w dziedzinie czasu, aby znaleźć jego czas ustalania, przeregulowanie procentowe itp. Transformacje Laplace'a są najczęściej używane w dziedzinie częstotliwości, aby znaleźć wzmocnienie otwartego pętli, margines fazowy, pasmo przenoszenia itp. systemu. Koncepcja funkcji przejściowej, kryterium stabilności Nyquista, próbkowanie danych, wykres Nyquista, bieguny i zera, wykresy Bode'a, opóźnienia systemu wszystkie należą do zakresu klasycznego strumienia inżynierii sterowania.
Nowoczesna inżynieria sterowania zajmuje się systemami wielowejściowymi i wielowyjściowymi (MIMO), podejściem w przestrzeni stanów, wartościami własnymi i wektorami własnymi itp. Zamiast transformować złożone równania różniczkowe zwyczajne, nowoczesne podejście przekształca równania wyższych rzędów do równań różniczkowych pierwszego rzędu i rozwiązuje je metodą wektorową.
Systemy sterowania automatycznego są najczęściej używane, ponieważ nie wymagają ręcznego sterowania. Zmierzana jest sterowana zmienna i porównywana z określonym wartością, aby uzyskać pożądany rezultat. Dzięki zastosowaniu automatycznych systemów sterujących koszt energii lub mocy, jak również koszt procesu, zostanie zmniejszony, co zwiększa jego jakość i produktywność.
Historia systemów sterowania
Zastosowanie automatycznych systemów sterowania uważa się za używane już od czasów starożytnych cywilizacji. W trzecim wieku p.n.e. Grecy i Arabowie zaprojektowali i zaimplementowali różne rodzaje zegarów wodnych, aby dokładnie mierzyć czas. Ale pierwszym automatycznym systemem uznaje się regulator flyballa Wattsa z 1788 roku, który rozpoczął rewolucję przemysłową. Analiza matematycznego modelu regulatora została wykonana przez Maxwella w 1868 roku. W XIX wieku Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace i Joseph Fourier opracowali różne metody modelowania matematycznego. Drugim systemem uznaje się termostat Al Butza – Damper Flapper z 1885 roku. On założył firmę, która obecnie nosi nazwę Honeywell.
Początek XX wieku uważany jest za złoty wiek inżynierii sterowania. W tym czasie opracowano klasyczne metody sterowania w laboratorium Bell przez Hendrika Wade Bode i Harry'ego Nyquista. Automatyczne sterowniki do sterowania statkami zostały opracowane przez Minorsky, rosyjskiego amerykańskiego matematyka. Wprowadził on także koncepcję sterowania całkującego i różniczkującego w latach 20. XX wieku. Tymczasem koncepcję stabilności przedstawił Nyquist, a następnie Evans. Transformacje zastosowano w systemach sterowania przez Olivera Heaviside. Nowoczesne metody sterowania zostały opracowane po 1950 roku przez Rudolfa Kalmana, aby przezwyciężyć ograniczenia klasycznych metod. PLC's zostały wprowadzone w 1975 roku.
Rodzaje inżynierii sterowania
Inżynieria sterowania ma swoje podziały w zależności od różnych stosowanych metodologii. Głównymi rodzajami inżynierii sterowania są:
Klasyczna inżynieria sterowania
Nowoczesna inżynieria sterowania
Robusta inżynieria sterowania
Optymalna inżynieria sterowania
Adaptacyjna inżynieria sterowania
Nieliniowa inżynieria sterowania
Teoria gier
Klasyczna inżynieria sterowania
Systemy są zwykle reprezentowane za pomocą zwykłych równań różniczkowych. W klasycznej inżynierii sterowania te równania są transformowane i analizowane w przekształconej dziedzinie. Transformata Laplace'a, transformata Fouriera i transformata z są przykładami. Ta metoda jest powszechnie stosowana w systemach jednowe
