วิศวกรรมควบคุม: คืออะไร? (และประวัติศาสตร์ของมัน)
วิศวกรรมควบคุมคืออะไร
วิศวกรรมระบบควบคุม เป็นสาขาของวิศวกรรมที่เกี่ยวข้องกับหลักการของทฤษฎีควบคุม เพื่อออกแบบระบบให้มีพฤติกรรมที่ต้องการในลักษณะที่ควบคุมได้ ดังนั้น แม้ว่าวิศวกรรมควบคุมมักสอนอยู่ในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าในมหาวิทยาลัย แต่มันเป็นหัวข้อที่เชื่อมโยงระหว่างศาสตร์
วิศวกรระบบควบคุมวิเคราะห์ ออกแบบ และปรับปรุงระบบซับซ้อนที่ประกอบด้วยการประสานงานสูงขององค์ประกอบกลไก ไฟฟ้า เคมี โลหะ การอิเล็กทรอนิกส์ หรือลม ดังนั้น วิศวกรรมควบคุมจึงครอบคลุมระบบพลวัตหลากหลายที่รวมถึงการเชื่อมต่อระหว่างมนุษย์และเทคโนโลยี ระบบเหล่านี้เรียกว่า ระบบควบคุม.
วิศวกรรมระบบควบคุมเน้นการวิเคราะห์และออกแบบระบบเพื่อเพิ่มความเร็วในการตอบสนอง ความแม่นยำ และความเสถียรของระบบ
วิธีการควบคุมระบบมีสองวิธีคือ วิธีแบบคลาสสิกและวิธีแบบสมัยใหม่ โมเดลทางคณิตศาสตร์ของระบบจะถูกตั้งขึ้นเป็นขั้นตอนแรก ตามด้วยการวิเคราะห์ การออกแบบ และการทดสอบ ตรวจสอบเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับความเสถียร และสุดท้ายคือการปรับปรุง
ในวิธีแบบคลาสสิก การสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์มักทำในโดเมนเวลา โดเมนความถี่ หรือโดเมนเชิงซ้อน คำตอบของระบบเมื่อกระทำด้วยสัญญาณขั้นบันไดจะถูกสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในโดเมนเวลาเพื่อหาเวลาที่ระบบเข้าสู่ภาวะคงที่ ความผิดพลาดจากการโอเวอร์ชู้ต เป็นต้น การแปลงลาปลาซ มักใช้ในโดเมนความถี่เพื่อหาค่าแกนเปิด การมาร์จินเฟส แบนด์วิธ ฯลฯ ของระบบ แนวคิดของฟังก์ชันโอนส่ง เกณฑ์ความเสถียรของนายนิคควิสต์ การสุ่มตัวอย่างข้อมูล แผนภาพนายนิคควิสต์ โพลและซีโร่ แผนภาพโบด การหน่วงของระบบ ทั้งหมดนี้อยู่ภายใต้ขอบเขตของวิศวกรรมควบคุมแบบคลาสสิก
วิศวกรรมควบคุมสมัยใหม่ ครอบคลุมระบบหลายอินพุตหลายเอาต์พุต (MIMO) วิธีการสถานะพื้นที่ ค่าเอกลักษณ์และเวกเตอร์ ฯลฯ แทนที่จะแปลงสมการอนุพันธ์เชิงซ้อน วิธีการสมัยใหม่จะแปลงสมการระดับสูงเป็นสมการอนุพันธ์ระดับหนึ่งและแก้ด้วยวิธีเวกเตอร์
ระบบควบคุมอัตโนมัติเป็นที่นิยมมากที่สุดเพราะไม่ต้องใช้การควบคุมด้วยมือ ตัวแปรที่ควบคุมจะถูกวัดและเปรียบเทียบกับค่าที่กำหนดเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ ผลจากการใช้ระบบอัตโนมัติสำหรับการควบคุม ค่าใช้จ่ายของพลังงานหรือกำลัง ตลอดจนค่าใช้จ่ายของกระบวนการ จะลดลง ทำให้คุณภาพและความสามารถในการผลิตเพิ่มขึ้น
ประวัติศาสตร์ของระบบควบคุม
การใช้งานระบบควบคุมอัตโนมัติเชื่อกันว่ามีการใช้งานมาตั้งแต่ยุคโบราณ นาฬิกาทรายหลายชนิดถูกออกแบบและนำมาใช้เพื่อวัดเวลาอย่างแม่นยำตั้งแต่ศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสตกาล โดยชาวกรีกและอาหรับ แต่ระบบอัตโนมัติแรกที่ถือว่าเป็นระบบควบคุมคือ Watts Fly ball Governor ในปี 1788 ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการปฏิวัติอุตสาหกรรม โมเดลทางคณิตศาสตร์ของ Governor ถูกวิเคราะห์โดย Maxwell ในปี 1868 ในศตวรรษที่ 19 Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace, และ Joseph Fourier ได้พัฒนาวิธีการทางคณิตศาสตร์ต่างๆ ระบบที่สองคือ Al Butz’s Damper Flapper – เทอร์โมสตัทในปี 1885 เขาเริ่มต้นบริษัทที่ปัจจุบันมีชื่อว่า Honeywell
ต้นศตวรรษที่ 20 ถือเป็นยุคทองของวิศวกรรมควบคุม ในช่วงเวลานี้วิธีการควบคุมแบบคลาสสิกถูกพัฒนาขึ้นที่ Bell Laboratory โดย Hendrik Wade Bode และ Harry Nyquist ระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับการควบคุมเรือได้ถูกพัฒนาโดย Minorsky นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย-อเมริกัน เขาได้นำเสนอแนวคิดของ Integral และ Derivative Control ในช่วงทศวรรษ 1920 ในขณะเดียวกันแนวคิดเรื่องความเสถียรได้ถูกนำเสนอโดย Nyquist และต่อมาโดย Evans การแปลงทางคณิตศาสตร์ถูกนำไปใช้ในระบบควบคุมโดย Oliver Heaviside วิธีการควบคุมสมัยใหม่ได้ถูกพัฒนาหลังจากปี 1950 โดย Rudolf Kalman เพื่อแก้ไขข้อจำกัดของวิธีการแบบคลาสสิก PLC ถูกแนะนำในปี 1975
ประเภทของวิศวกรรมควบคุม
วิศวกรรมควบคุมมีการจำแนกประเภทตามวิธีการที่ใช้ ประเภทหลักของวิศวกรรมควบคุมมีดังนี้:
วิศวกรรมควบคุมแบบคลาสสิก
วิศวกรรมควบคุมสมัยใหม่
วิศวกรรมควบคุมแบบแข็งแรง
วิศวกรรมควบคุมแบบเหมาะสม
วิศวกรรมควบคุมแบบปรับตัว
วิศวกรรมควบคุมแบบไม่เชิงเส้น
ทฤษฎีเกม
วิศวกรรมควบคุมแบบคลาสสิก
ระบบมักจะแสดงโดยใช้สมการอนุพันธ์ธรรมดา ในวิศวกรรมควบคุมแบบคลาสสิก สมการเหล่านี้จะถูกแปลงและวิเคราะห์ในโดเมนที่แปลงแล้ว การแปลงลาปลาซ, การแปลงฟูริเยร์ และการแปลง z เป็นตัวอย่าง วิธีนี้มักใช้ในระบบแบบ Single Input Single Output (SISO)
วิศวกรรมควบคุมสมัยใหม่
ในวิศวกรรมควบคุมสมัยใหม่ สมการอนุพันธ์ระดับสูงจะถูกแปลงเป็นสมการอนุพันธ์ระดับหนึ่ง สมการเหล่านี้จะถูกแก้อย่างคล้ายคลึงกับวิธีเวกเตอร์ ด้วยการทำเช่นนี้ ปัญหาที่ซับซ้อนในการแก้สมการอนุพันธ์ระดับสูงจะได้รับการแก้ไข
วิธีนี้ถูกใช้ในระบบ Multiple Input Multiple Output ที่การวิเคราะห์ในโดเมนความถี่ไม่สามารถทำได้ ความไม่เชิงเส้นที่มีตัวแปรหลายตัวจะได้รับการแก้ไขโดยวิธีการสมัยใหม่ เวกเตอร์สถานะ ค่าเอกลักษณ์ และเวกเตอร์เอกลักษณ์ อยู่ในหมวดหมู่นี้ ตัวแปรสถานะบรรยายอินพุต ออตพุต และตัวแปรของระบบ
วิศวกรรมควบคุมแบบแข็งแรง
ในวิธีการควบคุมแบบแข็งแรง การเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของระบบเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์จะถูกวัดเพื่อการปรับปรุง วิธีนี้ช่วยในการขยายความเสถียรและประสิทธิภาพ รวมถึงการค้นหาทางเลือกอื่น ๆ ดังนั้นในการควบคุมแบบแข็งแรง สิ่งแวดล้อม ความไม่แม่นยำภายใน ความรบกวน และเสียงรบกวนจะถูกพิจารณาเพื่อลดความผิดพลาดในระบบ
