Kỹ thuật Điều khiển: Đó là gì? (Và Lịch sử của nó)
Điều khiển Kỹ thuật là gì
Kỹ thuật hệ thống điều khiển là nhánh kỹ thuật xử lý các nguyên tắc của lý thuyết điều khiển, để thiết kế một hệ thống mang lại hành vi mong muốn theo cách kiểm soát. Do đó, mặc dù kỹ thuật điều khiển thường được dạy trong ngành kỹ thuật điện tại đại học, nhưng đây là một chủ đề liên ngành.
Các kỹ sư hệ thống điều khiển phân tích, thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống phức tạp bao gồm sự phối hợp chặt chẽ của các yếu tố cơ khí, điện, hóa học, luyện kim, điện tử hoặc khí nén. Do đó, kỹ thuật điều khiển liên quan đến một loạt các hệ thống động bao gồm giao diện giữa con người và công nghệ. Các hệ thống này được gọi rộng rãi là hệ thống điều khiển.
Kỹ thuật hệ thống điều khiển tập trung vào việc phân tích và thiết kế hệ thống để cải thiện tốc độ phản hồi, độ chính xác và ổn định của hệ thống.
Hai phương pháp của hệ thống điều khiển bao gồm phương pháp cổ điển và phương pháp hiện đại. Mô hình toán học của hệ thống được thiết lập như bước đầu tiên, sau đó là phân tích, thiết kế và thử nghiệm. Các điều kiện cần thiết cho sự ổn định được kiểm tra và cuối cùng là tối ưu hóa.
Trong phương pháp cổ điển, mô hình toán học thường được thực hiện trong miền thời gian, miền tần số hoặc miền phức. Phản ứng bước của hệ thống được mô hình hóa bằng phương trình vi phân trong miền thời gian để tìm thời gian ổn định, % vượt quá, v.v. Biến đổi Laplace được sử dụng phổ biến nhất trong miền tần số để tìm lợi ích vòng mở, biên độ pha, băng thông, v.v. của hệ thống. Khái niệm hàm truyền, tiêu chuẩn ổn định Nyquist, lấy mẫu dữ liệu, biểu đồ Nyquist, cực và không, biểu đồ Bode, độ trễ hệ thống đều nằm dưới phạm vi của dòng kỹ thuật điều khiển cổ điển.
Kỹ thuật điều khiển hiện đại giải quyết các hệ thống Đa Đầu vào Đa Đầu ra (MIMO), Phương pháp không gian trạng thái, Giá trị riêng và vectơ riêng, v.v. Thay vì biến đổi các phương trình vi phân phức tạp, phương pháp hiện đại chuyển đổi các phương trình bậc cao thành phương trình vi phân bậc nhất và giải bằng phương pháp vectơ.
Các hệ thống điều khiển tự động được sử dụng phổ biến nhất vì nó không yêu cầu điều khiển thủ công. Biến điều khiển được đo và so sánh với giá trị đã chỉ định để đạt được kết quả mong muốn. Kết quả của các hệ thống tự động cho mục đích điều khiển, chi phí năng lượng hoặc điện, cũng như chi phí của quá trình, sẽ giảm, tăng chất lượng và năng suất.
Lịch sử của Hệ thống Điều khiển
Ứng dụng của hệ thống điều khiển tự động được tin rằng đã được sử dụng kể từ các nền văn minh cổ đại. Nhiều loại đồng hồ nước đã được thiết kế và triển khai để đo thời gian chính xác từ thế kỷ thứ 3 trước Công nguyên, bởi người Hy Lạp và Ả Rập. Nhưng hệ thống tự động đầu tiên được coi là Fly ball Governor của Watts vào năm 1788, đã bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp. Mô hình toán học của Governor được Maxwell phân tích vào năm 1868. Trong thế kỷ 19, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace và Joseph Fourier đã phát triển các phương pháp khác nhau để mô hình toán học. Hệ thống thứ hai được coi là Damper Flapper của Al Butz - một bộ điều nhiệt vào năm 1885. Ông đã bắt đầu công ty hiện nay mang tên Honeywell.
Đầu thế kỷ 20 được biết đến là thời kỳ vàng của kỹ thuật điều khiển. Trong thời gian này, các phương pháp điều khiển cổ điển đã được phát triển tại Phòng thí nghiệm Bell bởi Hendrik Wade Bode và Harry Nyquist. Các bộ điều khiển tự động cho việc lái tàu đã được phát triển bởi Minorsky, nhà Toán học người Nga - Mỹ. Ông cũng đã giới thiệu khái niệm về Điều khiển Tích phân và Đạo hàm vào những năm 1920. Trong khi đó, khái niệm về sự ổn định đã được đưa ra bởi Nyquist và theo sau bởi Evans. Các biến đổi đã được áp dụng trong hệ thống điều khiển bởi Oliver Heaviside. Các phương pháp điều khiển hiện đại đã được phát triển sau năm 1950 bởi Rudolf Kalman, để khắc phục hạn chế của các phương pháp cổ điển. PLC đã được giới thiệu vào năm 1975.
Các loại Kỹ thuật Điều khiển
Kỹ thuật điều khiển có sự phân loại riêng tùy thuộc vào các phương pháp khác nhau được sử dụng. Các loại chính của kỹ thuật điều khiển bao gồm:
Kỹ thuật Điều khiển Cổ điển
Kỹ thuật Điều khiển Hiện đại
Kỹ thuật Điều khiển Robust
Kỹ thuật Điều khiển Tối ưu
Kỹ thuật Điều khiển Tự thích ứng
Kỹ thuật Điều khiển Phi tuyến
Lý thuyết Trò chơi
Kỹ thuật Điều khiển Cổ điển
Các hệ thống thường được biểu diễn bằng các phương trình vi phân thông thường. Trong kỹ thuật điều khiển cổ điển, các phương trình này được biến đổi và phân tích trong miền biến đổi. Biến đổi Laplace, biến đổi Fourier và z biến đổi là ví dụ. Phương pháp này thường được sử dụng trong các hệ thống Một Đầu vào Một Đầu ra (SISO).
Kỹ thuật Điều khiển Hiện đại
Trong kỹ thuật điều khiển hiện đại, các phương trình vi phân bậc cao được chuyển đổi thành phương trình vi phân bậc nhất. Các phương trình này được giải tương tự như phương pháp vectơ. Bằng cách làm như vậy, nhiều vấn đề phức tạp trong việc giải các phương trình vi phân bậc cao được giải quyết.
Các phương pháp này được áp dụng trong các hệ thống Đa Đầu vào Đa Đầu ra (MIMO) nơi mà việc phân tích trong miền tần số không khả thi. Các tính phi tuyến với nhiều biến được giải quyết bằng phương pháp hiện đại. Vectơ không gian trạng thái, giá trị riêng và vectơ riêng thuộc danh mục này. Các biến trạng thái mô tả đầu vào, đầu ra và các biến hệ thống.
Kỹ thuật Điều khiển Robust
Trong phương pháp điều khiển robust, sự thay đổi trong hiệu suất của hệ thống với sự thay đổi của các tham số được đo lường để tối ưu hóa. Điều này giúp mở rộng sự ổn định và hiệu suất, cũng như tìm kiếm các giải pháp thay thế. Do đó, trong điều khiển robust, môi trường, sai lệch nội bộ, nhiễu và nhiễu loạn được xem xét để giảm lỗi trong hệ thống.
Kỹ thuật Điều khiển Tối ưu
Trong kỹ thuật điều khiển tối ưu, vấn đề được mô hình hóa thành mô hình toán học của quy trình, các ràng buộc vật lý và hiệu suất, để tối thiểu hóa hàm chi phí. Do đó, kỹ thuật điều khiển tối ưu là giải pháp khả thi nhất để thiết kế hệ thống với chi phí thấp nhất.
Kỹ thuật Điều khiển Tự thích ứng
Trong kỹ thuật điều khiển tự thích ứng, các bộ điều khiển được sử dụng là các bộ điều khiển tự thích ứng, trong đó các tham số được làm thích ứng bằng một cơ chế nào đó. Sơ đồ khối bên dưới cho thấy một hệ thống điều khiển tự thích ứng.
