Strojnikiški inženiring: Kaj je to? (In njegova zgodovina)

Kaj je Kontrolna Inženirstvo

Kontrolna inženirstvo je vej inženirstva, ki se ukvarja z načeli teorije kontrole za oblikovanje sistema, ki omogoča želeno vedenje na nadziran način. Zato, čeprav se kontrolno inženirstvo pogosto poučuje v okviru električnega inženirstva na univerzi, gre za meddisciplinsko temo.

Inženirji za kontrolne sisteme analizirajo, oblikujejo in optimizirajo kompleksne sisteme, sestavljene iz visoko integrirane koordinacije mehanskih, električnih, kemijskih, metalurgijskih, elektronskih ali pnevmatskih elementov. Tako se kontrolno inženirstvo ukvarja z raznolikim naborom dinamičnih sistemov, ki vključujejo človeško in tehnološko povezovanje. Ti sistemi so splošno označeni kot kontrolni sistemi.

Kontrolno inženirstvo se osredotoča na analizo in oblikovanje sistemov za izboljšanje hitrosti odziva, natančnosti in stabilnosti sistema.

Dve metodi kontrolnega inženirstva vključujeta klasične metode in moderne metode. Prvi korak je postavljanje matematičnega modela sistema, sledi analiza, oblikovanje in testiranje. Preverijo se potrebni pogoji za stabilnost, nakonec pa sledi optimizacija.

V klasični metodi se matematično modeliranje običajno izvaja v časovnem, frekvenčnem ali kompleksnem domeni. Korakovni odziv sistema se matematično modelira z diferencialno analizo v časovnem domeni, da se določi njegov čas ustalitve, preseg % itd. Laplaceova transformacija je najpogostejše uporabljena v frekvenčnem domeni za določitev odprtih zank, faznega marža, pasovske širine itd. sistema. Koncept prenosne funkcije, Nyquistovi kriteriji stabilnosti, vzorčenje podatkov, Nyquistov diagram, poli in ničle, Bodeovi diagrami, zamude sistema, vse to spada pod okrilje klasičnega kontrolnega inženirstva.

Moderno kontrolno inženirstvo se ukvarja z sistemoma z več vhodov in več izhodov (MIMO), pristopom stanje-prostor, lastnimi vrednostmi in vektorji itd. Namesto preoblikovanja kompleksnih navadnih diferencialnih enačb, moderni pristop prevede višje redne enačbe v prve redne diferencialne enačbe in jih reši s pomočjo vektorske metode.

Samodejni kontrolni sistemi so najpogosteje uporabljeni, ker ne vključujejo ročnega nadzora. Merjeno je nadzorovana spremenljivka in primerjana z določeno vrednostjo, da se dobi željeni rezultat. Zaradi avtomatiziranih sistemov za namen kontrole se zmanjša strošek energije ali moči ter tudi strošek procesa, kar poveča kakovost in produktivnost.

Zgodovina Kontrolnih Sistemov

Uporaba samodejnega kontrolnega sistema se verjetno uporablja že od antičnih civilizacij. Številni tipi vodnih ur so bili oblikovani in implementirani za točno merjenje časa od tretjega stoletja pr. n. št., od Grkov in Arabov. Vendar se prvi samodejni sistem smatra Watts Fly ball Governor leta 1788, ki je začel industrijsko revolucijo. Matematično modeliranje Gubernatorja je analiziral Maxwell leta 1868. V 19. stoletju so Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace in Joseph Fourier razvili različne metode za matematično modeliranje. Drugi sistem se smatra Al Butz's Damper Flapper – termostat leta 1885. Ustanovil je podjetje, danes poimenovan Honeywell.

Začetek 20. stoletja se imenuje zlato doba kontrolnega inženirstva. Tega časa so se razvile klasične metode kontrole v Bell Laboratory pod Hendrik Wade Bode in Harry Nyquist. Samodejni regulacijski sistemi za upravljanje ladje so razvili Minorsky, rusko-ameriški matematik. Tudi on je vpeljal koncept integralnega in odvodnega nadzora v 20. letih. Medtem je koncept stabilnosti predlagal Nyquist, sledil pa mu je Evans. Transformacije so bile uporabljene v kontrolnih sistemih Oliverjem Heaviside. Moderne metode kontrole so razvili po letu 1950 Rudolf Kalman, da bi premagali omejitve klasičnih metod. PLC-so bili uvedeni leta 1975.

Vrste Kontrolnega Inženirstva

Kontrolno inženirstvo ima svojo kategorizacijo, odvisno od uporabljenih metodologij. Glavne vrste kontrolnega inženirstva vključujejo:

• Klasično Kontrolno Inženirstvo

• Moderno Kontrolno Inženirstvo

• Odporno Kontrolno Inženirstvo

• Optimalno Kontrolno Inženirstvo

• Prilagodljivo Kontrolno Inženirstvo

• Nelinearno Kontrolno Inženirstvo

• Teorija Igre

Klasično Kontrolno Inženirstvo

Sistemi so običajno predstavljeni z uporabo navadnih diferencialnih enačb. V klasičnem kontrolnem inženirstvu so te enačbe pretransformirane in analizirane v pretransformiranem domeni. Laplaceova transformacija, Fourierova transformacija in z-transformacija so primeri. Ta metoda se običajno uporablja v sistemih z enim vhodom in enim izhodom (SISO).

Moderno Kontrolno Inženirstvo

V modernem kontrolnem inženirstvu so višje redne diferencialne enačbe prevedene v prve redne diferencialne enačbe. Te enačbe so rešene podobno kot vektorska metoda. S tem se rešijo mnogi zapleti, s katerimi se soočamo pri reševanju višjih rednih diferencialnih enačb.

To se uporablja v sistemih z več vhodov in več izhodov, kjer analiza v frekvenčnem domeni ni mogoča. Nelinearnosti z več spremenljivkami se rešijo z moderno metodologijo. Vektorji stanja, lastne vrednosti in lastni vektorji spadata v to kategorijo. Spremenljivke stanja opisujejo vhode, izhode in spremenljivke sistema.

Odporno Kontrolno Inženirstvo

V metodologiji odpornega nadzora se meri sprememba v delovanju sistema zaradi sprememb parametrov za optimizacijo. To pomaga pri širjenju stabilnosti in zmogljivosti, tudi pri iskanju alternativnih rešitev. Zato v odpornem nadzoru se upoštevajo okolje, notranje nepreciznosti, šum in motnje, da se zmanjša napaka v sistemu.

Optimalno Kontrolno Inženirstvo