Інженерія керування: що це? (та його історія)
Що таке керування інженерією
Інженерія систем керування - це галузь інженерії, яка займається принципами теорії керування для проектування систем, які забезпечують бажану поведінку в керованому режимі. Тому, хоча інженерію керування часто викладають в рамках електротехніки університетах, це міждисциплінарна тема.
Інженери систем керування аналізують, проектують та оптимізують складні системи, які складаються з високо інтегрованої координації механічних, електричних, хімічних, металургійних, електронних або пневматичних елементів. Тому інженерія керування має справу з різноманітним спектром динамічних систем, які включають взаємодію людини та технологій. Ці системи загалом називають системами керування.
Інженерія систем керування фокусується на аналізі та проектуванні систем для покращення швидкості реакції, точності та стабільності системи.
Два методи систем керування включають класичні методи та сучасні методи. Математична модель системи створюється як перший крок, після чого проводиться аналіз, проектування та тестування. Перевіряються необхідні умови для стабільності, і, нарешті, відбувається оптимізація.
У класичному методі математичне моделювання зазвичай проводиться у часовій області, частотній області або комплексній області. Крокова відповідь системи математично моделюється за допомогою диференціального аналізу у часовій області, щоб знайти час установлювання, % перевищення тощо. Перетворення Лапласа найчастіше використовуються у частотній області для знаходження відкритого контуру змінного приросту, фазового запасу, ширини смуги тощо. Концепція передаточної функції, критерію стабільності Найквіста, зразкування даних, діаграма Найквіста, полюси та нулі, діаграми Боде, затримки системи входять до класичного потоку інженерії керування.
Сучасна інженерія керування займається системами з багатьма вхідними та вихідними сигналами (MIMO), підходом простору станів, власними значеннями та векторами тощо. Замість перетворення складних звичайних диференціальних рівнянь, сучасний підхід перетворює рівняння вищого порядку на рівняння першого порядку, які розв'язуються методом векторів.
Автоматичні системи керування найчастіше використовуються, оскільки вони не потребують ручного керування. Контрольована змінна вимірюється та порівнюється з заданим значенням, щоб отримати бажаний результат. В результаті автоматизації систем для керування, вартість енергії або потужності, а також вартість процесу, буде знижена, що збільшить якість та продуктивність.
Історія систем керування
Застосування автоматичних систем керування вважається використовуваним навіть з давніх цивілізацій. Різні типи водяних годинників були розроблені та реалізовані для точного вимірювання часу з третього століття до н.е., греками та арабами. Але перша автоматична система вважається Губернатором Ватса в 1788 році, який започаткував промислову революцію. Математичне моделювання Губернатора було проаналізоване Максвеллом у 1868 році. У 19му столітті Леонард Ейлер, П'єр Сімон Лаплас та Жозеф Фур'є розробили різні методи математичного моделювання. Друга система вважається термостатом Ал Бутца "Damper Flapper" у 1885 році. Він заснував компанію, яка зараз називається Honeywell.
Початок 20го століття відомий як золотий вік інженерії керування. У цей час класичні методи керування були розроблені в Bell Laboratory Гендриком Ваде Бодом та Гаррі Найквістом. Автоматичні контролери для керування кораблями були розроблені Мінорським, російсько-американським математиком. Він також представив концепцію інтегрального та похідного керування у 1920-х роках. Тем часом, концепцію стабільності запропонували Найквіст та Єванс. Перетворення були застосовані в системах керування Олівером Хевісайдом. Сучасні методи керування були розроблені після 1950-х років Рудольфом Калманом, щоб подолати обмеження класичних методів. PLC були введено в 1975 році.
Типи інженерії керування
Інженерія керування має свою категоризацію, залежно від різних методологій, які використовуються. Основні типи інженерії керування включають:
Класична інженерія керування
Сучасна інженерія керування
Стійка інженерія керування
Оптимальна інженерія керування
Адаптивна інженерія керування
Нелінійна інженерія керування
Теорія ігор
Класична інженерія керування
Системи зазвичай представляються за допомогою звичайних диференціальних рівнянь. У класичній інженерії керування ці рівняння перетворюються та аналізуються у перетвореній області. Перетворення Лапласа, перетворення Фур'є та z-перетворення є прикладами. Цей метод зазвичай використовується в системах з одним входом та одним виходом (SISO).
Сучасна інженерія керування
У сучасній інженерії керування, рівняння вищого порядку перетворюються на рівняння першого порядку. Ці рівняння розв'язуються дуже схоже до методу векторів. Таким чином, багато складностей, пов'язаних з розв'язанням рівнянь вищого порядку, вирішуються.
Це застосовується в системах з багатьма входами та виходами, де аналіз у частотній області неможливий. Нелінійності з багатьма змінними вирішуються сучасною методологією. Просторові вектори стану, власні значення та власні вектори належать до цієї категорії. Змінні стану описують вхід, вихід та системні змінні.
