کنترل و ابزار دقیق, مقالات
مهندسی کنترل و شاخه‌های آن
فروردین
مهندسی کنترل چیست؟
مهندسی سیستم کنترل شاخه‌ای از مهندسی است‌که با اصول نظریه کنترل سروکار دارد ، تا بتواند سیستمی را طراحی کند که عملکرد مطلوبی را به صورت کنترل‌شده ارائه‌دهد. از این رو ، گرچه مهندسی کنترل اغلب در دانشگاه مهندسی برق تدریس‌می‌شود ، اما یک موضوع میان رشته‌ای‌است.
مهندسان سیستم کنترل سیستم‌های پیچیده‌ای را تشکیل می‌دهند که از هماهنگی بسیار یکپارچه عناصر مکانیکی ، الکتریکی ، شیمیایی ، متالورژی ، الکترونیکی یا پنوماتیک تشکیل شده‌است. بنابراین مهندسی کنترل با طیف متنوعی از سیستم‌های پویا که شامل رابط انسانی و تکنولوژیکی‌است سروکار دارد. به طور گسترده‌ای از این سیستم‌ها به عنوان سیستم کنترل یا‌دمی‌شود.
سیستم کنترل
مهندسی سیستم کنترل بر روی تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم‌ها برای بهبود سرعت پاسخ ، دقت و پایداری سیستم متمرکز‌است.
دو روش سیستم کنترل شامل روشهای کلاسیک و روشهای مدرن‌است.
مدل ریاضی سیستم به عنوان اولین قدم و به دنبال آن تجزیه و تحلیل ، طراحی و آزمایش تنظیم‌می‌شود.
شرایط لازم برای پایداری بررسی‌می‌شود و در نهایت ، بهینه سازی دنبال‌می‌شود.
در روش کلاسیک ، مدل سازی ریاضی معمولاً در حوزه زمان ، دامنه فرکانس یا حوزه پیچیده انجام میشود. پاسخ گام یک سیستم از نظر ریاضی در تجزیه و تحلیل دیفرانسیل دامنه زمان مدل سازی‌می‌شود تا زمان حل شدن ،درصد اور شوت و غیره پیدا‌شود. تبدیلات لاپلاس معمولاً در دامنه فرکانس برای یافتن gain حلقه باز ، حاشیه فاز ، پهنای باند و غیره سیستم استفاده میشود . مفهوم عملکرد انتقال ، معیارهای پایداری نایکویست ، نمونه‌برداری از داده‌ها ، نمودار نایکویست ، قطب‌ها و صفرها ، نمودارهای Bode ، تاخیرهای سیستم همه زیر چتر جریان مهندسی کنترل کلاسیک قرار می‌گیرند.
مهندسی کنترل مدرن با سیستم‌های ورودی چندگانه چندگانه (MIMO) ، رویکرد فضای حالت ، مقادیر ویژه و بردارها و غیره سروکار دارد. رویکرد مدرن به جای تبدیل معادلات دیفرانسیل معمولی پیچیده ، معادلات مرتبه بالاتر را به معادلات دیفرانسیل مرتبه اول تبدیل‌می‌کند و با روش برداری حل میشود.
معمولاً از سیستم‌های کنترل خودکار استفاده می شود زیرا شامل کنترل دستی نمی‌شود. متغیر کنترل‌شده اندازه‌گیری و با یک مقدار مشخص‌شده مقایسه‌می‌شود تا نتیجه مطلوب حاصل شود. در نتیجه سیستم‌های خودکار برای اهداف کنترل ، هزینه انرژی و همچنین هزینه فرآیند با افزایش کیفیت و بهره وری آن کاهش می‌یابد.
تاریخچه سیستم‌های کنترل
اعتقاد بر این‌است که استفاده از سیستم کنترل خودکار حتی در تمدن‌های باستان نیز استفادهمیشود. انواع مختلفی از ساعتهای آبی برای اندازه‌گیری دقیق زمان از قرن سوم قبل از میلاد ، توسط یونانیان و اعراب طراحی و اجرا شده‌است. اما اولین سیستم اتوماتیک به عنوان فرماندار توپ واتس فلای در سال 1788 در نظر گرفته‌می‌شود که انقلاب صنعتی را آغاز کرد. مدل‌سازی ریاضی فرماندار توسط ماکسول در سال 1868 تجزیه و تحلیل‌می‌شود. در قرن نوزدهم ، لئونارد اولر ، پیر سیمون لاپلاس و جوزف فوریه روشهای مختلفی را برای مدل‌سازی ریاضی ایجاد کردند. سیستم دوم به عنوان یک دمپر پره ای ال بوتز در نظر گرفته می‌شودکه یک ترموستات در سال 1885 بود. او شرکتی را تاسیس کرد که اکنون با نام Honeywell نامگذاری شده‌است.
آغاز قرن 20 به عنوان عصر طلایی مهندسی کنترل شناخته میشود. در این مدت روشهای کنترل کلاسیک در آزمایشگاه بل توسط هندریک وید بود و هری نیکیست توسعه داده‌شد. کنترل‌کننده‌های خودکار کشتی‌های فرمان توسط مینورسکی ، ریاضیدان آمریکایی روسی ساخته‌شده‌است. وی همچنین مفهوم کنترل یکپارچه و مشتق را در دهه 1920 معرفی‌کرد. در همین حال ، مفهوم ثبات توسط نایکویست مطرح شد و توسط ایوانز دنبال شد. تبدیل‌ها در سیستم‌های کنترل توسط الیور هیویسید اعمال‌شد. برای غلبه بر محدودیت روشهای کلاسیک ، روشهای کنترل مدرن پس از دهه 1950 توسط رودولف کالمن توسعه یافت. PLC در سال 1975 معرفی‌شد.
انواع مهندسی کنترل
مهندسی کنترل بسته به روشهای مختلف مورد‌استفاده طبقه‌بندی خاص خود را دارد. انواع اصلی مهندسی کنترل عبارتند از:
- 1- مهندسی کنترلی کلاسیک
- 2- مهندسی کنترلی مدرن
- 3- مهندسی کنترلی قوی
- 4- مهندسی کنترلی بهینه
- 5- مهندسی کنترلی انطباقی
- 6- مهندسی کنترلی غیر خطی
- 7- نظریه بازی
1- مهندسی‌کنترل کلاسیک
سیستم‌ها معمولاً با استفاده از معادلات دیفرانسیل معمولی نشان داده‌می‌شوند. در مهندسی کنترل کلاسیک ، این معادلات در یک حوزه تبدیل‌شده تبدیل و تحلیل‌می‌شوند. تبدیل لاپلاس ، تبدیل فوریه و تبدیل z نمونه‌هایی هستند. این روش معمولاً در سیستم‌های (SISO) Single Input Single Output استفادهمیشود.
2- مهندسی‌کنترل مدرن
در مهندسی کنترلی مدرن ، معادلات دیفرانسیل مرتبه بالاتر به معادلات دیفرانسیل مرتبه اول تبدیل می‌شوند. این معادلات بسیار شبیه به روش برداری حل شده‌است. با این کار ، بسیاری از مشکلات حل‌شده در حل معادلات دیفرانسیل مرتبه بالاتر حل‌می‌شود.
این موارد در سیستم‌های چند ورودی چندگانه در هر جایی اعمال میشوندتجزیه و تحلیل در حوزه فرکانس امکان پذیر نیست. غیرخطی بودن با چند متغیر با روش مدرن حل میشود. بردارهای فضایی ایالتی ، مقادیر ویژه و بردارهای ویژه در این گروه قرار دارند. متغیرهای حالت متغیرهای ورودی ، خروجی و سیستم را توصیف‌می‌کنند.
3- مهندسی‌کنترل قوی
در روش کنترلی قوی ، تغییرات در عملکرد سیستم با تغییر پارامترها برای بهینه سازی اندازه‌گیری میشود. این به گسترش پایداری و عملکرد و همچنین یافتن راه حل‌های جایگزین کمک می‌کند. از این رو در کنترل قوی ، محیط ، عدم دقت داخلی ، صدا و آشفتگی برای کاهش خطای سیستم در نظر گرفته‌می‌شود.
4- مهندسی کنترل بهینه
در مهندسی کنترلی بهینه ، مسئله به عنوان یک مدل ریاضی از فرایند ، محدودیت‌های فیزیکی و محدودیت‌های عملکرد ، برای به حداقل رساندن تابع هزینه ، فرموله شده‌است. بنابراین مهندسی کنترل بهینه عملی ترین راه حل برای طراحی یک سیستم با حداقل هزینه‌است.
5- مهندسی‌کنترل انطباقی
در مهندسی‌کنترل تطبیقی ، کنترل‌کننده‌های به کار رفته کنترل‌کننده‌های تطبیقی هستند.
در آنها پارامترها با روش‌هایی سازگار می‌شوند.
نمودار بلوکی آورده‌شده در زیر یک سیستم کنترلی انطباقی را نشان می‌دهد.
6- سیستم‌کنترل انطباقی
در این نوع کنترل‌کننده‌ها ، یک حلقه اضافی برای تنظیم پارامتر علاوه بر بازخورد طبیعی فرآیند وجود دارد.
7- مهندسی‌کنترل غیر خطی
مهندسی‌کنترل غیرخطی بر غیرخطی بودن متمرکز‌است که نمی‌تواند با استفاده از معادلات دیفرانسیل معمولی خطی نشان داده‌شود (یعنی آنها سیستم کنترلی خطی نیستند). این سیستم چندین نقطه تعادل جدا‌شده ، چرخه‌های محدود ، انشعابات با زمان فرار محدود را به نمایش می‌گذارد. محدودیت اصلی این‌است که به تجزیه و تحلیل ریاضی کوشا نیاز دارد. در این تحلیل ، سیستم به قسمت خطی و غیر خطی تقسیم میشود.
نظریه بازی
در تئوری بازی ، هر سیستم باید عملکرد هزینه خود را در برابر اختلالات / سر و صدا کاهش دهد.
از این رو مطالعه درگیری و همکاری‌است. آشفتگی ها سعی می‌کنند عملکرد هزینه را به حداکثر برسانند.
این نظریه مربوط به مهندسی کنترل قوی و بهینه‌است.
لینک زبان اصلی مقاله:
Control Engineering: What is it? (And its History)
لینک مرتبط با مقاله: