Inginerie de control - Control engineering

Sistemele de control joacă un rol critic în zborul spațial

Ingineria de control sau ingineria sistemelor de control este o disciplină de inginerie care se ocupă cu sistemele de control , aplicând teoria controlului pentru proiectarea echipamentelor și sistemelor cu comportamente dorite în mediile de control. Disciplina comenzilor se suprapune și este predată de obicei împreună cu ingineria electrică și mecanică la multe instituții din întreaga lume.

Practica folosește senzori și detectoare pentru a măsura performanța de ieșire a procesului controlat; aceste măsurători sunt utilizate pentru a oferi feedback corectiv care ajută la realizarea performanței dorite. Sistemele concepute pentru a funcționa fără a necesita aport uman sunt numite sisteme de control automat (cum ar fi controlul vitezei de croazieră pentru reglarea vitezei unei mașini). De natură multidisciplinară , activitățile de inginerie a sistemelor de control se concentrează pe implementarea sistemelor de control derivate în principal prin modelarea matematică a unei game diverse de sisteme .

Prezentare generală

Ingineria modernă pentru controlul zilelor noastre este un domeniu de studiu relativ nou, care a câștigat o atenție semnificativă în secolul al XX-lea odată cu avansarea tehnologiei. Poate fi definit în linii mari sau clasificat ca aplicație practică a teoriei controlului . Ingineria de control joacă un rol esențial într-o gamă largă de sisteme de control, de la mașini simple de spălat de uz casnic până la avioane de vânătoare F-16 de înaltă performanță . Se caută să înțeleagă sistemele fizice, utilizând modelarea matematică, în termeni de intrări, ieșiri și diverse componente cu comportamente diferite; să utilizeze instrumente de proiectare a sistemelor de control pentru a dezvolta controlere pentru aceste sisteme; și să implementeze controlere în sisteme fizice care folosesc tehnologia disponibilă. Un sistem poate fi mecanic , electric , fluid , chimic , financiar sau biologic , iar modelarea sa matematică, analiza și proiectarea controlerului utilizează teoria controlului într-unul sau mai multe dintre domeniile timpului , frecvenței și complexelor , în funcție de natura proiectării. problemă.

Istorie

Controlul fracționării coloanelor este una dintre aplicațiile cele mai provocatoare

Sistemele de control automat au fost dezvoltate pentru prima dată în urmă cu peste două mii de ani. Primul dispozitiv de control feedback cu privire la înregistrare este considerat a fi antic Ktesibios e ceasul de apă din Alexandria , Egipt , în jurul valorii de- al treilea ien secol păstrat timp prin reglarea nivelului apei într - un vas și, prin urmare, debitul de apă din acea navă. Acest lucru a fost cu siguranță un dispozitiv de succes, deoarece ceasurile de apă cu un design similar erau încă fabricate în Bagdad, când mongolii au capturat orașul în 1258 d.Hr. O varietate de dispozitive automate au fost folosite de-a lungul secolelor pentru a îndeplini sarcini utile sau pur și simplu doar pentru a distra. Acesta din urmă include automatele, populare în Europa în secolele al XVII-lea și al XVIII-lea, cu figurine dansante care ar repeta aceeași sarcină mereu; aceste automate sunt exemple de control în buclă deschisă. Repere printre feedback-uri sau dispozitivele de control automat „cu buclă închisă” includ regulatorul de temperatură al unui cuptor atribuit lui Drebbel , circa 1620, și regulatorul centrifug de flyball utilizat pentru reglarea vitezei motoarelor cu aburi de James Watt în 1788.

În lucrarea sa din 1868 „On Governors”, James Clerk Maxwell a reușit să explice instabilitățile prezentate de guvernatorul flyball folosind ecuații diferențiale pentru a descrie sistemul de control. Acest lucru a demonstrat importanța și utilitatea modelelor și metodelor matematice în înțelegerea fenomenelor complexe și a semnalat începutul controlului matematic și al teoriei sistemelor. Elementele teoriei controlului apăruseră mai devreme, dar nu la fel de dramatic și convingător ca în analiza lui Maxwell.

Teoria controlului a făcut pași semnificativi în secolul următor. Noile tehnici matematice, precum și progresele în tehnologiile electronice și computerizate, au făcut posibilă controlul sistemelor dinamice semnificativ mai complexe decât ar fi putut stabiliza guvernatorul flyball original. Noile tehnici matematice au inclus evoluții în controlul optim în anii 1950 și 1960, urmate de progresul metodelor de control stocastic, robust, adaptiv, neliniar în anii 1970 și 1980. Aplicațiile metodologiei de control au contribuit la realizarea posibilelor călătorii spațiale și a sateliților de comunicații, a aeronavelor mai sigure și mai eficiente, a motoarelor de automobile mai curate și a proceselor chimice mai curate și mai eficiente.

Înainte de a apărea ca o disciplină unică, ingineria de control a fost practicată ca parte a ingineriei mecanice și teoria controlului a fost studiată ca parte a ingineriei electrice, deoarece circuitele electrice pot fi adesea descrise cu ușurință folosind tehnici de teoria controlului. În primele relații de control, o ieșire de curent a fost reprezentată de o intrare de control de tensiune. Cu toate acestea, neavând o tehnologie adecvată pentru implementarea sistemelor electrice de control, proiectanții au rămas cu opțiunea unor sisteme mecanice mai puțin eficiente și cu reacție lentă. Un regulator mecanic foarte eficient, care este încă utilizat pe scară largă în unele hidrocentrale, este guvernatorul . Mai târziu, înainte de electronica modernă de putere , sistemele de control al proceselor pentru aplicații industriale au fost concepute de ingineri mecanici folosind dispozitive de control pneumatic și hidraulic , dintre care multe sunt încă utilizate în prezent.

Teoria controlului

Există două divizii majore în teoria controlului, și anume, clasică și modernă, care au implicații directe pentru aplicațiile de inginerie de control.

Proiectare clasică a sistemului SISO

Domeniul de aplicare al teoriei controlului clasic este limitat la proiectarea sistemului cu o singură intrare și o singură ieșire (SISO), cu excepția cazului în care se analizează respingerea perturbării utilizând o a doua intrare. Analiza sistemului se efectuează în domeniul timpului utilizând ecuații diferențiale , în domeniul complex-s cu transformata Laplace sau în domeniul frecvenței prin transformarea din domeniul complex-s. Se poate presupune că multe sisteme au un al doilea ordin și un răspuns de sistem variabil unic în domeniul timpului. Un controler proiectat folosind teoria clasică necesită adesea o reglare la fața locului din cauza aproximărilor incorecte de proiectare. Cu toate acestea, datorită implementării fizice mai ușoare a proiectelor de controlere clasice în comparație cu sistemele proiectate folosind teoria modernă a controlului, aceste controlere sunt preferate în majoritatea aplicațiilor industriale. Cele mai comune controlere proiectate folosind teoria clasică a controlului sunt controlerele PID . O implementare mai puțin obișnuită poate include unul sau ambele un filtru Lead sau Lag. Scopul final final este de a îndeplini cerințele furnizate în mod obișnuit în domeniul timp numit răspuns pas, sau uneori în domeniul frecvenței numit răspuns buclă deschisă. Caracteristicile de răspuns la pas aplicate într-o specificație sunt de obicei procente de depășire, timp de stabilire etc. Caracteristicile de răspuns în buclă deschisă aplicate într-o specificație sunt de obicei marja de câștig și fază și lățimea de bandă. Aceste caracteristici pot fi evaluate prin simulare, incluzând un model dinamic al sistemului sub control cuplat cu modelul de compensare.

Proiectare modernă a sistemului MIMO

Teoria modernă a controlului se desfășoară în spațiul de stare și se poate ocupa de sisteme cu intrări multiple și ieșiri multiple (MIMO). Acest lucru depășește limitele teoriei controlului clasic în probleme de proiectare mai sofisticate, cum ar fi controlul avioanelor de vânătoare, cu limitarea că nu este posibilă analiza domeniului de frecvență. În designul modern, un sistem este reprezentat cu cel mai mare avantaj ca un set de ecuații diferențiale de ordinul întâi decuplate definite folosind variabile de stare . Teoriile de control neliniare , multivariabile , adaptive și robuste fac parte din această diviziune. Metodele matriciale sunt semnificativ limitate pentru sistemele MIMO unde independența liniară nu poate fi asigurată în relația dintre intrări și ieșiri. Fiind destul de nouă, teoria modernă a controlului are multe domenii încă de explorat. Savanți precum Rudolf E. Kálmán și Aleksandr Lyapunov sunt bine cunoscuți printre oamenii care au modelat teoria modernă a controlului.

Sistem de control

Ingineria de control este disciplina de inginerie care se concentrează pe modelarea unei game diverse de sisteme dinamice (de exemplu, sisteme mecanice ) și proiectarea controlerelor care vor face ca aceste sisteme să se comporte în modul dorit. Deși astfel de controlere nu trebuie să fie electrice, multe sunt și, prin urmare, ingineria de control este adesea privită ca un subdomeniu al ingineriei electrice.

Circuitele electrice , procesoarele digitale de semnal și microcontrolerele pot fi toate utilizate pentru implementarea sistemelor de control . Ingineria de control are o gamă largă de aplicații, de la sistemele de zbor și propulsie ale avioanelor comerciale la controlul de viteză prezent în multe automobile moderne .

În majoritatea cazurilor, inginerii de control utilizează feedback-ul atunci când proiectează sisteme de control . Acest lucru este adesea realizat folosind un sistem de control PID . De exemplu, într-un automobil cu control de viteză , viteza vehiculului este monitorizată continuu și readusă în sistem, care reglează cuplul motorului în mod corespunzător. Acolo unde există feedback regulat, teoria controlului poate fi utilizată pentru a determina modul în care sistemul răspunde la acest feedback. În practic toate aceste sisteme, stabilitatea este importantă și teoria controlului poate ajuta la asigurarea stabilității.

Deși feedback-ul este un aspect important al ingineriei de control, inginerii de control pot lucra și la controlul sistemelor fără feedback. Acest lucru este cunoscut sub numele de control în buclă deschisă . Un exemplu clasic de control al buclei deschise este o mașină de spălat care rulează printr-un ciclu predeterminat fără a utiliza senzori .

Controlul educației inginerești

La orice universități din întreaga lume, cursurile de inginerie de control sunt predate în principal în inginerie electrică și inginerie mecanică , dar unele cursuri pot fi instruite în inginerie mecatronică și inginerie aerospațială . În altele, ingineria de control este conectată la informatică , deoarece majoritatea tehnicilor de control de astăzi sunt implementate prin intermediul computerelor, adesea ca sisteme încorporate (ca în domeniul auto). Domeniul controlului în cadrul ingineriei chimice este adesea cunoscut sub numele de control al proceselor . Se ocupă în primul rând de controlul variabilelor dintr-un proces chimic dintr-o instalație. Este predat ca parte a curriculumului universitar al oricărui program de inginerie chimică și folosește multe dintre aceleași principii în ingineria de control. Alte discipline de inginerie se suprapun, de asemenea, cu ingineria de control, deoarece poate fi aplicată oricărui sistem pentru care poate fi derivat un model adecvat. Cu toate acestea, există departamente specializate de inginerie de control, de exemplu, Departamentul de control automat și inginerie de sisteme de la Universitatea din Sheffield și Departamentul de robotică și inginerie de control de la Academia Navală a Statelor Unite.

Ingineria de control a diversificat aplicațiile care includ știința, managementul financiar și chiar comportamentul uman. Studenții de inginerie de control pot începe cu un curs de sistem de control liniar care se ocupă de domeniul timpului și domeniului complex, care necesită un fundal aprofundat în matematică elementară și transformată Laplace , numită teoria controlului clasic. În controlul liniar, studentul face analiza domeniului de frecvență și timp. Controlul digital și cursurile de control neliniar necesită transformare Z și, respectiv, algebră și s-ar putea spune că finalizează o educație de control de bază.

Controlează carierele inginerești

Cariera unui inginer de control începe cu o diplomă de licență și poate continua prin procesul de facultate. Diplomele de inginer de control sunt bine asociate cu o diplomă de inginerie electrică sau mecanică. Inginerii de control primesc de obicei locuri de muncă în managementul tehnic, unde conduc de obicei proiecte interdisciplinare. Există multe oportunități de angajare în companii aerospațiale, companii producătoare, companii de automobile, companii de energie electrică și agenții guvernamentale. Unele locuri care angajează ingineri de control includ companii precum Rockwell Automation, NASA, Ford și Goodrich. Inginerii de control pot câștiga anual 66.000 de dolari de la Lockheed Martin Corp. De asemenea, pot câștiga până la 96.000 de dolari anual de la General Motors Corporation.

Potrivit unui sondaj de inginerie de control , majoritatea persoanelor care au răspuns au fost ingineri de control în diferite forme ale propriei cariere. Nu există foarte multe cariere care sunt clasificate ca „inginer de control”, majoritatea dintre ele fiind cariere specifice care au o mică aparență a carierei generale a ingineriei de control. Majoritatea inginerilor de control care au participat la sondaj în 2019 sunt proiectanți de sisteme sau produse, sau chiar ingineri de control sau instrumente. Majoritatea locurilor de muncă implică inginerie de proces sau producție sau chiar întreținere, acestea sunt unele variații ale ingineriei de control.

Progres recent

Inițial, ingineria de control se referea la sisteme continue. Dezvoltarea instrumentelor de control al computerului a reprezentat o cerință de inginerie discretă a sistemului de control, deoarece comunicațiile dintre controlerul digital bazat pe computer și sistemul fizic sunt guvernate de un ceas de computer . Echivalentul a Laplace transforma în domeniul discret este Z-transforma . Astăzi, multe dintre sistemele de control sunt controlate de computer și constau atât din componente digitale, cât și din componente analogice.

Prin urmare, în etapa de proiectare, fie componentele digitale sunt mapate în domeniul continuu, iar proiectarea este realizată în domeniul continuu, fie componentele analogice sunt mapate în domeniul discret, iar proiectarea este realizată acolo. Prima dintre aceste două metode este mai frecvent întâlnită în practică deoarece multe sisteme industriale au multe componente de sisteme continue, inclusiv componente electrice mecanice, fluide, biologice și analogice, cu câteva controlere digitale.

În mod similar, tehnica de proiectare a progresat de la proiectarea manuală bazată pe hârtie și riglă la proiectarea asistată de computer și acum la proiectarea automatizată de computer sau CAD, care a fost posibilă prin calculul evolutiv . CAD poate fi aplicat nu doar reglării unei scheme de control predefinite, ci și optimizării structurii controlerului, identificării sistemului și invenției unor noi sisteme de control, bazate exclusiv pe o cerință de performanță, independent de orice schemă de control specifică.

Sistemele de control rezistente extind accentul tradițional al abordării doar a cadrelor planificate și încearcă să abordeze mai multe tipuri de perturbări neașteptate; în special, adaptarea și transformarea comportamentelor sistemului de control ca răspuns la actori rău intenționați, moduri de eșec anormale, acțiuni umane nedorite etc.

Vezi si

Referințe

Lecturi suplimentare

Christopher Kilian (2005). Tehnologie modernă de control . Thompson Delmar Learning. ISBN 978-1-4018-5806-3.
Bennett, Stuart (iunie 1986). O istorie a ingineriei de control, 1800-1930 . IET. ISBN 978-0-86341-047-5.
Bennett, Stuart (1993). O istorie a ingineriei de control, 1930-1955 . IET. ISBN 978-0-86341-299-8.
Arnold Zankl (2006). Repere în automatizare: de la tranzistor la fabrica digitală . Wiley-VCH. ISBN 978-3-89578-259-6.
Franklin, Gene F .; Powell, J. David; Emami-Naeini, Abbas (2014). Controlul feedback-ului sistemelor dinamice (ediția a VII-a). Stanford Cali. SUA: Pearson. p. 880. ISBN 9780133496598.

Languages

In other projects