Инженерия управления: Что это? (И ее история)

Что такое контрольная инженерия

Контрольная инженерия — это область инженерии, которая занимается принципами теории управления для проектирования системы, обеспечивающей желаемое поведение в управляемом режиме. Хотя контрольная инженерия часто преподается в рамках электротехнической инженерии в университетах, это междисциплинарная тема.

Инженеры-контроллеры анализируют, проектируют и оптимизируют сложные системы, состоящие из высокой степени интеграции координации механических, электрических, химических, металлургических, электронных или пневматических элементов. Таким образом, контрольная инженерия имеет дело с разнообразными динамическими системами, которые включают взаимодействие человека и технологий. Эти системы широко известны как системы управления.

Контрольная инженерия сосредоточена на анализе и проектировании систем для улучшения скорости отклика, точности и стабильности системы.

Два метода управления системами включают классические методы и современные методы. Математическая модель системы создается в качестве первого шага, за которым следует анализ, проектирование и тестирование. Проверяются необходимые условия для стабильности, и, наконец, проводится оптимизация.

В классическом методе математическое моделирование обычно выполняется во временном, частотном или комплексном домене. Шаговый отклик системы математически моделируется с помощью дифференциального анализа во временном домене, чтобы найти время установления, процент перерегулирования и т.д. Преобразования Лапласа наиболее часто используются в частотной области для определения открытого цикла усиления, фазового запаса, полосы пропускания и т.д. Концепция передаточной функции, критерий устойчивости Найквиста, дискретизация данных, диаграмма Найквиста, полюсы и нули, диаграммы Боде, задержки системы — все это входит в состав классической контрольной инженерии.

Современная контрольная инженерия занимается системами с множеством входов и выходов (MIMO), подходом к пространству состояний, собственными значениями и векторами и т.д. Вместо преобразования сложных обыкновенных дифференциальных уравнений, современный подход преобразует уравнения высокого порядка в уравнения первого порядка и решает их методом векторов.

Автоматические системы управления наиболее часто используются, так как они не требуют ручного управления. Управляемая переменная измеряется и сравнивается со специфическим значением для получения желаемого результата. В результате автоматизации систем управления снижаются затраты на энергию или мощность, а также стоимость процесса, что увеличивает его качество и производительность.

История систем управления

Применение автоматических систем управления считается используемым даже в древних цивилизациях. Несколько типов водяных часов были спроектированы и внедрены для точного измерения времени с третьего века до нашей эры греками и арабами. Однако первой автоматической системой считается губернатор Ватта 1788 года, который начал промышленную революцию. Математическое моделирование губернатора было проанализировано Максвеллом в 1868 году. В 19 веке Леонард Эйлер, Пьер Симон Лаплас и Жозеф Фурье разработали различные методы математического моделирования. Второй системой считается термостат Альбутца — регулятор заслонки 1885 года. Он основал компанию, которая теперь называется Honeywell.

Начало 20 века известно как золотой век контрольной инженерии. В это время классические методы управления были разработаны в лаборатории Bell Хендриком Вейдом Боде и Гарри Найквистом. Автоматические контроллеры для управления кораблями были разработаны Минорским, русско-американским математиком. Он также представил концепцию интегрального и дифференциального управления в 1920-х годах. Тем временем концепцию устойчивости выдвинул Найквист, за которым последовал Эванс. Преобразования применялись в системах управления Оливером Хевисайдом. Современные методы управления были разработаны после 1950-х годов Рудольфом Калманом, чтобы преодолеть ограничения классических методов. ПЛК были введены в 1975 году.

Типы контрольной инженерии

Контрольная инженерия имеет свою классификацию, зависящую от различных используемых методологий. Основные типы контрольной инженерии включают:

• Классическая контрольная инженерия

• Современная контрольная инженерия

• Робастная контрольная инженерия

• Оптимальная контрольная инженерия

• Адаптивная контрольная инженерия

• Нелинейная контрольная инженерия

• Теория игр

Классическая контрольная инженерия

Системы обычно представляются с использованием обыкновенных дифференциальных уравнений. В классической контрольной инженерии эти уравнения преобразуются и анализируются в преобразованной области. Преобразование Лапласа, преобразование Фурье и z-преобразование являются примерами. Этот метод обычно используется в системах с одним входом и одним выходом (SISO).

Современная контрольная инженерия

В современной контрольной инженерии дифференциальные уравнения высокого порядка преобразуются в уравнения первого порядка. Эти уравнения решаются методом, похожим на метод векторов. Таким образом, многие трудности, связанные с решением дифференциальных уравнений высокого порядка, решаются.

Эти методы применяются в системах с множеством входов и выходов, где анализ в частотной области невозможен. Нелинейности с несколькими переменными решаются современной методологией. Векторы состояния, собственные значения и собственные векторы относятся к этой категории. Переменные состояния описывают вход, выход и переменные системы.

Робастная контрольная инженерия

В робастной методологии изменения в производительности системы при изменении параметров измеряются для оптимизации. Это способствует расширению устойчивости и производительности, а также нахождению альтернативных решений. Таким образом, в робастном управлении учитываются окружающая среда, внутренние неточности, шумы и возмущения, чтобы снизить ошибку в системе.

Оптимальная контрольная инженерия

В