Inženjering kontrole: Šta je to? (I njegova istorija)
Šta je kontrolna inženjerija
Kontrolna inženjerija je grana inženjerstva koja se bavi principima teorije kontrole kako bi dizajnirala sistem koji daje željeni ponašanje na kontrolisan način. Stoga, iako se kontrolna inženjerija često predaje unutar elektronskog inženjerstva na fakultetima, to je interdisciplinarna oblast.
Inženjeri za kontrolne sisteme analiziraju, dizajniraju i optimizuju složene sisteme koji se sastoje od visoko integrirane koordinacije mehaničkih, električnih, hemijskih, metalurških, elektronskih ili pneumatnih elemenata. Stoga se kontrolna inženjerija bavi raznovrsnim dinamičkim sistemima koji uključuju sučelje ljudi i tehnologije. Ovi sistemi su široko poznati kao kontrolni sistemi.
Kontrolna inženjerija se fokusira na analizu i dizajn sistema kako bi se poboljšali brzina odgovora, tačnost i stabilnost sistema.
Dve metode kontrolnog inženjerstva uključuju klasične metode i moderne metode. Matematički model sistema se postavlja kao prvi korak, zatim sledi analiza, dizajniranje i testiranje. Proveravaju se neophodni uslovi za stabilnost, a na kraju sledi optimizacija.
U klasičnoj metodi matematičko modelovanje se obično vrši u vremenskom domenu, frekvencijskom domenu ili kompleksnom domenu. Korak odziv sistema se matematički modelira u diferencijalnoj analizi vremenskog domena kako bi se našao njegov vremenski period, procenat prelaska, itd. Laplasove transformacije se najčešće koriste u frekvencijskom domenu kako bi se našli otvoreni petlinski dobit, fazni margine, pasos, itd. sistema. Koncept transfer funkcije, Kriterijum stabilnosti Nijkvista, uzorkovanje podataka, Nijkvistov dijagram, polovi i nule, Bodeovi dijagrami, kašnjenja sistema svi spadaju pod okrovite klasične metode kontrolnog inženjerstva.
Moderno kontrolno inženjerstvo se bavi sistemima sa više ulaza i više izlaza (MIMO), pristupom prostora stanja, sopstvenim vrednostima i vektorima, itd. Umesto da se transformišu složene obične diferencijalne jednačine, moderni pristup pretvara visokoredne jednačine u prvoredne diferencijalne jednačine i rešava ih metodom vektora.
Automatski kontrolni sistemi se najčešće koriste jer ne uključuju ručnu kontrolu. Kontrolisana promenljiva se meri i upoređuje sa zadatom vrednošću kako bi se dobio željeni rezultat. Kao rezultat automatizovanih sistema za kontrolne svrhe, trošak energije ili snage, kao i trošak procesa, će biti smanjen, povećavajući kvalitet i produktivnost.
Istorija kontrolnih sistema
Primena automatskih kontrolnih sistema smatra se da se koristi čak i od drevnih civilizacija. Razni tipovi vodnih satova su dizajnirani i implementirani kako bi se tačno merilo vreme od trećeg veka p.n.e., od strane Grka i Arabaca. Ali prvi automatski sistem smatra se Vatts Fly ball Governor iz 1788. godine, koji je započeo industrijsku revoluciju. Matematičko modelovanje Gubernatora je analizirao Maksvel 1868. godine. U 19.m veku, Leonhard Euler, Pjer Simon Laplas i Žozef Furije su razvili različite metode za matematičko modelovanje. Drugi sistem se smatra Al Butzovim Damper Flapper - termostatom iz 1885. godine. On je osnovao kompaniju koja danas nosi ime Honeywell.
Početak 20.m veka poznat je kao zlatni doba kontrolnog inženjerstva. Tada su se razvile klasične metode kontrolnog inženjerstva u Bell laboratoriji od strane Hendrika Veda Boda i Harija Nijkvista. Automatski kontroleri za upravljanje brodovima su razvili Minorski, rusko-američki matematičar. On je takođe uveo koncept integralne i derivativne kontrole u 1920-ima. Međutim, koncept stabilnosti je predložio Nijkvist i pratila ga je Evans. Transformacije su primenjene u kontrolnim sistemima od strane Olivera Heavisidea. Moderne metode kontrolnog inženjerstva su razvijene posle 1950-ih od strane Rudolfa Kalmana, kako bi se prevazišla ograničenja klasičnih metoda. PLC-ovi su uvedeni 1975. godine.
Vrste kontrolnog inženjerstva
Kontrolno inženjerstvo ima svoju kategorizaciju u zavisnosti od različitih metodologija koje se koriste. Glavne vrste kontrolnog inženjerstva uključuju:
Klasično kontrolno inženjerstvo
Modern kontrolno inženjerstvo
Robusno kontrolno inženjerstvo
Optimalno kontrolno inženjerstvo
Adaptivno kontrolno inženjerstvo
Nelinearno kontrolno inženjerstvo
Teorija igara
Klasično kontrolno inženjerstvo
Sistemi se obično predstavljaju korišćenjem običnih diferencijalnih jednačina. U klasičnom kontrolnom inženjerstvu, ove jednačine se transformišu i analiziraju u transformisanom domenu. Laplasove transformacije, Furijeove transformacije i z transformacije su primeri. Ova metoda se često koristi u sistemima sa jednim ulazom i jednim izlazom (SISO).
Modern kontrolno inženjerstvo
U modernom kontrolnom inženjerstvu, visokoredne diferencijalne jednačine se pretvaraju u prvoredne diferencijalne jednačine. Ove jednačine se rešavaju na sličan način kao i metodom vektora. Time se rešavaju mnoge komplikacije koje nastaju pri rešavanju visokorednih diferencijalnih jednačina.
Ove se primenjuju u sistemima sa više ulaza i više izlaza gde analiza u frekvencijskom domenu nije moguća. Nelinearnosti sa više promenljivih rešavaju se modernom metodologijom. Vektori prostora stanja, sopstvene vrednosti i sopstveni vektori pripadaju ovoj kategoriji. Promenljive stanja opisuju ulaze, izlaze i promenljive sistema.
Robusno kontrolno inženjerstvo
U robusnoj metodologiji, mere se promene u performansama sistema sa promenom parametara radi optimizacije. To pomaže u proširenju stabilnosti i performansi, kao i u pronalaženju alternativnih rešenja. Stoga u robusnom kontrolnom inženjerstvu se uzimaju u obzir okruženje, interne netočnosti, šumovi i perturbacije kako bi se smanjila greška u sistemu.
Optimalno kontrolno inženjerstvo
