Inżynieria sterowania

Systemy sterowania odgrywają kluczową rolę w lotach kosmicznych

Inżynieria sterowania lub inżynieria systemów sterowania to dyscyplina inżynierska zajmująca się systemami sterowania , stosująca teorię sterowania do projektowania urządzeń i systemów o pożądanych zachowaniach w środowiskach sterowania. Dyscyplina kontroli nakłada się i jest zwykle nauczana wraz z inżynierią elektryczną i inżynierią mechaniczną w wielu instytucjach na całym świecie.

Praktyka wykorzystuje czujniki i detektory do pomiaru wydajności wyjściowej kontrolowanego procesu; pomiary te służą do dostarczania korygujących informacji zwrotnych pomagających osiągnąć pożądaną wydajność. Systemy zaprojektowane do działania bez udziału człowieka nazywane są automatycznego sterowania (takimi jak tempomat do regulacji prędkości samochodu). Multidyscyplinarne z natury działania w zakresie inżynierii systemów sterowania koncentrują się na wdrażaniu systemów sterowania pochodzących głównie z modelowania matematycznego różnorodnych systemów .

Przegląd

Współczesna inżynieria sterowania to stosunkowo nowy kierunek studiów, który zyskał duże zainteresowanie w XX wieku wraz z rozwojem technologii. Można ją ogólnie zdefiniować lub sklasyfikować jako praktyczne zastosowanie teorii sterowania . Inżynieria sterowania odgrywa zasadniczą rolę w szerokiej gamie systemów sterowania, od prostych domowych pralek po wysokowydajne myśliwce F-16 . Ma na celu zrozumienie systemów fizycznych za pomocą modelowania matematycznego pod względem wejść, wyjść i różnych komponentów o różnych zachowaniach; korzystać z narzędzi do projektowania systemów sterowania w celu opracowania sterowników dla tych systemów; oraz wdrażanie sterowników w systemach fizycznych z wykorzystaniem dostępnej technologii. System może być mechaniczny , elektryczny , płynowy , chemiczny , finansowy lub biologiczny , a jego modelowanie matematyczne, analiza i projektowanie sterowników wykorzystuje teorię sterowania w jednej lub wielu dziedzinach czasu , częstotliwości i kompleksów , w zależności od charakteru projektu problem.

Historia

Sterowanie kolumnami frakcjonującymi jest jednym z trudniejszych zastosowań

Automatyczne systemy sterowania zostały opracowane po raz pierwszy ponad dwa tysiące lat temu. Uważa się, że pierwszym zarejestrowanym urządzeniem kontrolującym sprzężenie zwrotne był zegar wodny starożytnego Ktesibiosa w Aleksandrii w Egipcie około III wieku pne. Utrzymywał czas, regulując poziom wody w naczyniu, a tym samym przepływ wody z tego naczynia. Z pewnością było to udane urządzenie, ponieważ zegary wodne o podobnej konstrukcji nadal powstawały w Bagdadzie, kiedy Mongołowie zdobyli miasto w 1258 roku n.e. Na przestrzeni wieków używano różnych automatycznych urządzeń do wykonywania użytecznych zadań lub po prostu do rozrywki. Do tych ostatnich należą popularne w Europie w XVII i XVIII w. automaty z tańczącymi figurami, które w kółko powtarzają to samo zadanie; te automaty są przykładami sterowania w pętli otwartej. Kamienie milowe wśród automatycznych urządzeń sterujących ze sprzężeniem zwrotnym lub „pętlą zamkniętą” obejmują regulator temperatury pieca przypisywany Drebbelowi około 1620 r. Oraz regulator odśrodkowej kuli muchowej używany do regulacji prędkości silników parowych przez Jamesa Watta w 1788 r.

W swoim artykule „On Governors” z 1868 r. James Clerk Maxwell był w stanie wyjaśnić niestabilności wykazywane przez gubernatora flyball za pomocą równań różniczkowych do opisania systemu sterowania. Pokazało to znaczenie i przydatność modeli i metod matematycznych w zrozumieniu złożonych zjawisk oraz zasygnalizowało początek matematycznej kontroli i teorii systemów. Elementy teorii sterowania pojawiły się wcześniej, ale nie tak dramatycznie i przekonująco, jak w analizie Maxwella.

Teoria sterowania poczyniła znaczące postępy w ciągu następnego stulecia. Nowe techniki matematyczne, a także postęp w technologiach elektronicznych i komputerowych umożliwiły kontrolowanie znacznie bardziej złożonych układów dynamicznych, niż mógł ustabilizować oryginalny regulator flyball. Nowe techniki matematyczne obejmowały rozwój sterowania optymalnego w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku, a następnie postęp w stochastycznych, solidnych, adaptacyjnych, nieliniowych metodach sterowania w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych. Zastosowania metodologii sterowania pomogły w stworzeniu satelitów do podróży kosmicznych i komunikacji, bezpieczniejszych i wydajniejszych samolotów, czystszych silników samochodowych oraz czystszych i wydajniejszych procesów chemicznych.

Zanim pojawiła się jako wyjątkowa dyscyplina, inżynieria sterowania była praktykowana jako część inżynierii mechanicznej, a teoria sterowania była studiowana jako część elektrotechniki , ponieważ obwody elektryczne często można łatwo opisać za pomocą technik teorii sterowania. W pierwszych relacjach sterujących wyjście prądowe było reprezentowane przez wejście sterujące napięciowe. Jednak nie mając odpowiedniej technologii do wdrożenia elektrycznych systemów sterowania, projektanci zostali pozostawieni z opcją mniej wydajnych i wolno reagujących systemów mechanicznych. Bardzo skutecznym regulatorem mechanicznym, który wciąż jest szeroko stosowany w niektórych elektrowniach wodnych, jest regulator . Później, przed nowoczesną energoelektroniką , systemy sterowania procesami do zastosowań przemysłowych zostały opracowane przez inżynierów mechaników przy użyciu pneumatycznych i hydraulicznych urządzeń sterujących, z których wiele jest nadal w użyciu.

Teoria sterowania

Główny artykuł: Teoria sterowania

Istnieją dwa główne działy teorii sterowania, a mianowicie klasyczny i nowoczesny, które mają bezpośrednie implikacje dla zastosowań w inżynierii sterowania.

Klasyczny projekt systemu SISO

Zakres klasycznej teorii sterowania jest ograniczony do projektowania systemów jednowejściowych i jednowyjściowych (SISO), z wyjątkiem analizy odrzucania zakłóceń przy użyciu drugiego wejścia. Analizę systemu przeprowadza się w dziedzinie czasu za pomocą równań różniczkowych , w dziedzinie zespolonej s za pomocą transformaty Laplace'a lub w dziedzinie częstotliwości za pomocą transformacji z dziedziny zespolonej s. Można założyć, że wiele systemów ma odpowiedź drugiego rzędu i pojedynczą zmienną w dziedzinie czasu. Sterownik zaprojektowany w oparciu o klasyczną teorię często wymaga dostrojenia na miejscu z powodu nieprawidłowych przybliżeń projektowych. Jednak ze względu na łatwiejszą fizyczną implementację klasycznych projektów sterowników w porównaniu z systemami zaprojektowanymi przy użyciu nowoczesnej teorii sterowania, sterowniki te są preferowane w większości zastosowań przemysłowych. Najpopularniejszymi regulatorami zaprojektowanymi z wykorzystaniem klasycznej teorii sterowania są regulatory PID . Mniej powszechna implementacja może zawierać jeden lub oba filtry Lead lub Lag. Ostatecznym celem końcowym jest spełnienie wymagań zwykle dostarczanych w dziedzinie czasu zwanej odpowiedzią skokową lub czasami w dziedzinie częstotliwości zwanej odpowiedzią w pętli otwartej. Charakterystyki odpowiedzi skokowej stosowane w specyfikacji to zazwyczaj przeregulowanie procentowe, czas ustalania itp. Charakterystyki odpowiedzi w pętli otwartej stosowane w specyfikacji to zazwyczaj margines wzmocnienia i fazy oraz szerokość pasma. Cechy te mogą być oceniane poprzez symulację obejmującą dynamiczny model kontrolowanego systemu sprzężony z modelem kompensacji.

Nowoczesny projekt systemu MIMO

Współczesna teoria sterowania jest realizowana w przestrzeni stanów i może zajmować się systemami z wieloma wejściami i wieloma wyjściami (MIMO). Pokonuje to ograniczenia klasycznej teorii sterowania w bardziej wyrafinowanych problemach projektowych, takich jak sterowanie samolotami myśliwskimi, z ograniczeniem polegającym na tym, że nie jest możliwa żadna analiza w dziedzinie częstotliwości. We współczesnym projektowaniu system jest reprezentowany z największą korzyścią jako zestaw oddzielonych równań różniczkowych pierwszego rzędu zdefiniowanych za pomocą zmiennych stanu . Do tego działu należą nieliniowe , wielowymiarowe, adaptacyjne i solidne teorie sterowania . Metody macierzowe są znacznie ograniczone w przypadku systemów MIMO, w których nie można zapewnić liniowej niezależności w relacji między wejściami i wyjściami [ potrzebne źródło ] . Będąc stosunkowo nową, współczesna teoria sterowania ma jeszcze wiele obszarów do zbadania. Uczeni tacy jak Rudolf E. Kálmán i Aleksandr Lapunow są dobrze znani wśród ludzi, którzy ukształtowali współczesną teorię sterowania.

Systemy kontrolne

Główny artykuł: System sterowania

Inżynieria sterowania to dyscyplina inżynierska , która koncentruje się na modelowaniu różnorodnych układów dynamicznych (np. układów mechanicznych ) oraz projektowaniu sterowników , które spowodują zachowanie tych układów w pożądany sposób. Chociaż takie sterowniki nie muszą być elektryczne, wiele z nich jest, a zatem inżynieria sterowania jest często postrzegana jako poddziedzina elektrotechniki.

Obwody elektryczne , cyfrowe procesory sygnałowe i mikrokontrolery mogą być wykorzystane do realizacji systemów sterowania . Technika sterowania ma szeroki zakres zastosowań, od systemów lotu i napędu komercyjnych samolotów pasażerskich po tempomat obecny w wielu nowoczesnych samochodach .

W większości przypadków inżynierowie automatycy wykorzystują informacje zwrotne podczas projektowania systemów sterowania . Często osiąga się to za pomocą regulatora PID . Na przykład w samochodzie z tempomatem prędkość pojazdu jest stale monitorowana i przekazywana do systemu, który odpowiednio dostosowuje moment obrotowy silnika . Tam, gdzie występuje regularne sprzężenie zwrotne, można zastosować teorię sterowania do określenia, w jaki sposób system reaguje na takie sprzężenie zwrotne. Praktycznie we wszystkich takich systemach stabilność , a teoria sterowania może pomóc w zapewnieniu stabilności.

Chociaż sprzężenie zwrotne jest ważnym aspektem inżynierii sterowania, inżynierowie automatycy mogą również pracować nad sterowaniem systemami bez sprzężenia zwrotnego. Jest to znane jako sterowanie w pętli otwartej . Klasycznym przykładem sterowania w pętli otwartej jest pralka , która wykonuje z góry określony cykl bez użycia czujników .

Wykształcenie w zakresie automatyki

Na wielu uniwersytetach na całym świecie kursy inżynierii sterowania są prowadzone głównie w elektrotechnice i inżynierii mechanicznej , ale niektóre kursy mogą być nauczane w inżynierii mechatronicznej i inżynierii lotniczej . W innych inżynieria sterowania jest powiązana z informatyką , ponieważ obecnie większość technik sterowania jest wdrażana za pomocą komputerów, często jako systemy wbudowane (jak w branży motoryzacyjnej). Dziedzina kontroli w inżynierii chemicznej jest często nazywana kontrolą procesu . Zajmuje się przede wszystkim kontrolą zmiennych w procesie chemicznym w zakładzie. Jest nauczany jako część programu studiów licencjackich dowolnego programu inżynierii chemicznej i wykorzystuje wiele takich samych zasad w inżynierii sterowania. Inne dyscypliny inżynierskie również pokrywają się z inżynierią sterowania, ponieważ można ją zastosować do dowolnego systemu, dla którego można wyprowadzić odpowiedni model. Istnieją jednak wyspecjalizowane wydziały inżynierii sterowania, na przykład we Włoszech jest kilku magistrów w dziedzinie automatyki i robotyki, którzy są w pełni wyspecjalizowani w inżynierii sterowania lub na Wydziale Automatyki i Inżynierii Systemów na Uniwersytecie w Sheffield lub na Wydziale Robotyki i Kontroli inżynierii w Akademii Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych oraz na Wydziale Inżynierii Kontroli i Automatyki na Uniwersytecie Technicznym w Stambule.

Inżynieria sterowania ma zróżnicowane zastosowania, które obejmują naukę, zarządzanie finansami, a nawet zachowanie ludzi. Studenci inżynierii sterowania mogą zacząć od kursu liniowego układu sterowania, zajmującego się dziedziną czasu i dziedziną zespoloną, co wymaga gruntownej znajomości elementarnej matematyki i transformaty Laplace'a , zwanej klasyczną teorią sterowania. W sterowaniu liniowym student przeprowadza analizę w dziedzinie częstotliwości i czasu. sterowania cyfrowego i sterowania nieliniowego wymagają odpowiednio transformacji Z i algebry i można powiedzieć, że kończą podstawowe wykształcenie w zakresie sterowania.

Kariera w inżynierii sterowania

Kariera inżyniera automatyki zaczyna się od uzyskania tytułu licencjata i może być kontynuowana w trakcie studiów. Stopnie inżyniera kontroli są dobrze połączone ze stopniem inżyniera elektryka lub mechanika. Inżynierowie automatycy zwykle dostają pracę w zarządzaniu technicznym, gdzie zazwyczaj kierują projektami interdyscyplinarnymi. Istnieje wiele możliwości pracy w firmach lotniczych, firmach produkcyjnych, firmach samochodowych, firmach energetycznych i agencjach rządowych. Niektóre miejsca, które zatrudniają inżynierów kontroli, obejmują firmy takie jak Rockwell Automation, NASA, Ford i Goodrich. Inżynierowie automatycy mogą prawdopodobnie zarobić 66 000 USD rocznie od Lockheed Martin Corp. Mogą również zarobić do 96 000 USD rocznie od General Motors Corporation.

Według ankiety przeprowadzonej przez Control Engineering większość osób, które odpowiedziały, była inżynierami automatykami w różnych formach własnej kariery. Nie ma zbyt wielu karier, które są klasyfikowane jako „inżynier kontroli”, większość z nich to konkretne kariery, które mają niewielkie podobieństwo do nadrzędnej kariery inżynierii sterowania. Większość inżynierów automatyków, którzy wzięli udział w ankiecie w 2019 r., to projektanci systemów lub produktów, a nawet inżynierowie automatyków lub przyrządów. Większość prac obejmuje inżynierię procesową lub produkcję, a nawet konserwację, są to pewne odmiany inżynierii sterowania.

Ostatnie postępy

Pierwotnie inżynieria sterowania dotyczyła systemów ciągłych. Rozwój komputerowych narzędzi sterujących postawił wymagania inżynierii dyskretnych systemów sterowania, ponieważ komunikacja między komputerowym sterownikiem cyfrowym a systemem fizycznym jest zarządzana przez zegar komputera . Odpowiednikiem transformaty Laplace'a w dziedzinie dyskretnej jest transformacja Z. Obecnie wiele systemów sterowania jest sterowanych komputerowo i składają się one zarówno z komponentów cyfrowych, jak i analogowych.

Dlatego na etapie projektowania albo komponenty cyfrowe są odwzorowywane na domenę ciągłą i projekt jest wykonywany w domenie ciągłej, albo komponenty analogowe są odwzorowywane na domenę dyskretną i tam przeprowadzany jest projekt. Pierwsza z tych dwóch metod jest częściej spotykana w praktyce, ponieważ wiele systemów przemysłowych ma wiele ciągłych elementów systemu, w tym mechaniczne, płynne, biologiczne i analogowe komponenty elektryczne, z kilkoma sterownikami cyfrowymi.

Podobnie, technika projektowania przeszła od ręcznego projektowania opartego na papierze i linijce do projektowania wspomaganego komputerowo , a teraz do projektowania zautomatyzowanego komputerowo lub CAD, co stało się możliwe dzięki obliczeniom ewolucyjnym . CAD można zastosować nie tylko do strojenia predefiniowanego schematu sterowania, ale także do optymalizacji struktury sterownika, identyfikacji systemu i wynalezienia nowatorskich systemów sterowania, opartych wyłącznie na wymaganiach dotyczących wydajności, niezależnie od konkretnego schematu sterowania.

Odporne systemy kontroli rozszerzają tradycyjne skupienie się na adresowaniu tylko planowanych zakłóceń na ramy i próbują zająć się wieloma rodzajami nieoczekiwanych zakłóceń; w szczególności dostosowywanie i przekształcanie zachowań systemu sterowania w odpowiedzi na złośliwe podmioty, nieprawidłowe tryby awarii, niepożądane działania człowieka itp.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Control_engineering&oldid=1126397392 ”