Kontrol Mühendisliği: Nedir? (Ve Tarihi)

Kontrol Mühendisliği

Kontrol sistem mühendisliği kontrol teorisinin ilkelerini kullanarak, istenen davranışları kontrol edilmiş bir şekilde veren bir sistemi tasarlamakla ilgilenen mühendislik dalıdır. Bu nedenle, kontrol mühendisliği üniversitelerde genellikle elektrik mühendisliği içinde öğretilir, ancak disiplinler arası bir konudur.

Kontrol sistem mühendisleri mekanik, elektrik, kimyasal, metalürjik, elektronik veya pneumatik unsurların yüksek derecede entegre koordinasyonunu içeren karmaşık sistemleri analiz eder, tasarlar ve optimize eder. Bu nedenle, kontrol mühendisliği insan ve teknoloji arayüzünü içeren çeşitli dinamik sistemlerle ilgilidir. Bu sistemler genel olarak kontrol sistemleri olarak adlandırılır.

Kontrol sistem mühendisliği, sistemin yanıt hızını, doğruluğunu ve kararlılığını artırmak için sistemlerin analiz ve tasarımına odaklanır.

Kontrol sistemlerindeki iki yöntem klasik yöntemler ve modern yöntemlerdir. Sistemin matematiksel modeli ilk adım olarak kurulur, ardından analiz, tasarım ve test yapılır. Kararlılık için gerekli koşullar kontrol edilir ve son olarak optimizasyon gerçekleştirilir.

Klasik yöntemde, matematiksel modelleme genellikle zaman domeni, frekans domeni veya karmaşık domeninde yapılır. Bir sistemin adım tepkisi, yerleşme süresi, % aşırı düşüş gibi parametrelerin bulunması için zaman domeninde diferansiyel analiz ile matematiksel olarak modellenir. Laplace dönüşümleri, sistemın açık döngü kazancını, faz marjını, bant genişliğini vb. bulmak için en yaygın olarak frekans domeninde kullanılır. Aktarım fonksiyonu kavramı, Nyquist istikrar kriterleri, veri örnekleme, Nyquist çizimi, kutuplar ve sıfırlar, Bode çizimleri, sistem gecikmeleri tüm bunlar klasik kontrol mühendisliği akımının altında yer alır.

Modern kontrol mühendisliği çoklu giriş-çıkış (MIMO) sistemleri, durum uzayı yaklaşımı, özdeğerler ve özvektörlerle ilgilidir. Karmaşık adi diferansiyel denklemlerin dönüştürülmesi yerine, modern yaklaşım yüksek mertebeden denklemleri birinci derece diferansiyel denklemlere dönüştürür ve vektör yöntemiyle çözer.

Otomatik kontrol sistemleri, manuel kontrol gerektirmediği için en yaygın olarak kullanılır. Kontrol edilen değişken ölçülüp belirli bir değerle karşılaştırılır ve istenen sonuç elde edilir. Otomasyon sistemlerinin kontrol amaçlı kullanımı sonucunda enerji veya güç maliyeti, süreç maliyeti de azalırken kalite ve üretkenlik artar.

Kontrol Sistemlerinin Tarihi

Otomatik kontrol sisteminin uygulaması, antik uygarlıklardan itibaren bile kullanılmaya başlandığına inanılıyor. Üçüncü yüzyıl BC'den itibaren Yunanlar ve Araplar tarafından, zamanı doğru bir şekilde ölçmek için çeşitli su saatleri tasarlandı ve uygulandı. Ancak ilk otomatik sistem, 1788'de endüstriyel devrimi başlatan Watt'ın Uçan Top Gubernörü olarak kabul edilir. Gubernörün matematiksel modellemesi, 1868'de Maxwell tarafından analiz edildi. 19. yüzyılda, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace ve Joseph Fourier, matematiksel modelleme için farklı yöntemler geliştirdiler. İkinci sistem, 1885'te Al Butz'un Damper Flapper - termostat olarak kabul edilir. O, günümüzde Honeywell olarak bilinen şirketin kurucusudur.

20. yüzyılın başı, kontrol mühendisliğinin altın çağı olarak bilinir. Bu dönemde, Bell Laboratuvarında Hendrik Wade Bode ve Harry Nyquist tarafından klasik kontrol yöntemleri geliştirildi. Rus-Amerikalı matematikçi Minorsky, gemilerin yönünü otomatik olarak kontrol etmek için kontrolcüler geliştirdi. Ayrıca 1920'lerde Integral ve Türev Kontrol kavramını tanıttı. Bu arada, istikrar kavramı Nyquist tarafından ortaya atıldı ve Evans tarafından takip edildi. Dönüşümler, Oliver Heaviside tarafından kontrol sistemlerine uygulandı. Modern Kontrol Yöntemleri, 1950'lere kadar, Rudolf Kalman tarafından, klasik yöntemlerin sınırlamalarını aşmak için geliştirildi. PLC'ler 1975'te tanıtıldı.

Kontrol Mühendisliğinin Türleri

Kontrol mühendisliğinin kendi sınıflandırması, kullanılan farklı metodolojiye bağlı olarak değişir. Kontrol mühendisliğinin ana türleri şunlardır:

• Klasik Kontrol Mühendisliği

• Modern Kontrol Mühendisliği

• Dayanıklı Kontrol Mühendisliği

• Optimal Kontrol Mühendisliği

• Uyumlu Kontrol Mühendisliği

• Doğrusal Olmayan Kontrol Mühendisliği

• Oyun Teorisi

Klasik Kontrol Mühendisliği

Sistemler genellikle adi diferansiyel denklemler kullanılarak temsil edilir. Klasik kontrol mühendisliğinde, bu denklemler dönüştürülmüş bir alanda dönüştürülür ve analiz edilir. Laplace dönüşümü, Fourier dönüşümü ve z dönüşümü örnekleridir. Bu yöntem, Tek Giriş Tek Çıkış sistemlerinde (SISO) yaygın olarak kullanılır.

Modern Kontrol Mühendisliği

Modern kontrol mühendisliğinde, yüksek dereceli diferansiyel denklemler birinci derece diferansiyel denklemlere dönüştürülür. Bu denklemler vektör yöntemiyle çok benzer şekilde çözülür. Böylece, yüksek dereceli diferansiyel denklemlerin çözümünde karşılaşılan birçok karmaşık durum çözülebilir.

Bu, frekans alanında analiz yapılamayan Çoklu Giriş Çoklu Çıkış sistemlerine uygulanır. Modern metodoloji ile çok değişkenli doğrusal olmayan durumlar çözülebilir. Durum uzayı vektörleri, Özdeğerler ve Özvektörler bu kategoriye aittir. Durum Değişkenleri, giriş, çıkış ve sistem değişkenlerini tanımlar.

Dayanıklı Kontrol Mühendisliği

Dayanıklı kontrol metodolojisinde, parametrelerin değişmesiyle sistemin performansındaki değişim ölçülerek optimize edilir. Bu, istikrar ve performansın genişletilmesine, alternatif çözümlerin bulunmasına yardımcı olur. Bu nedenle dayanıklı kontrolda, çevre, içsel hatalar, gürültüler ve pertürbasyonlar sistemin hatalarını azaltmak için dikkate alınır.

Optimal Kontrol Mühendisliği

İdeal kontrol mühendisliğinde, problem, sürecin matematiksel modeli, fiziksel kısıtlamalar ve performans kısıtlamaları olarak formüle edilir, maliyet fonksiyonunu minimize etmek için. Bu nedenle ideal kontrol mühendisliği, minimum maliyetle bir sistem tasarlamak için en uygun çözümdür.

Uyumlu Kontrol Mühendisliği

Uyumlu kontrol mühendisliğinde, kullanılan kontrolörler, parametreleri bazı mekanizma ile uyumlu hale getirilen uyumlu kontrolörlerdir. Aşağıdaki blok diyagramında bir uyumlu kontrol sistemi gösterilmektedir.

Bu tür kontrolörlerde, prosesin normal geri bildirimi yanı sıra, parametre ayarlaması için ek bir döngü bulunur.

Doğrusal Olmayan Kontrol Mühendisliği

Doğrusal olmayan kontrol mühendisliği, doğrusal sıradan diferansiyel denklemler (yani doğrusal kontrol sistemleri) kullanılarak temsil edilemeyen doğrusallıklara odaklanır. Bu sistem, birden fazla izole denge noktası, limit döngüleri, sonlu kaçış zamanıyla çatallanmalara sahip olacaktır. Ana sınırlama, zahmetli matematiksel analizi gerektirmesidir. Bu analizde, sistem doğrusal kısmına ve doğrusal olmayan kısmına bölünür.

Oyun Teorisi

Oyun teorisinde, her sistem, pertürbasyonlara/karışıklıklara karşı maliyet fonksiyonunu azaltmak zorundadır. Bu nedenle, çatışma ve işbirliğinin bir çalışmasıdır. Pertürbasyonlar, maliyet fonksiyonunu maksimize etmeye çalışacaktır. Bu teori, dayanıklı ve ideal kontrol mühendisliğine ilişkilidir.

Açıklama: Orijinali saygılı, paylaşım değerindeki iyi makalelerdir, ihlal olması durumunda lütfen silme talebinde bulunun.