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