Техника управления - Википедия - Control engineering

Системы управления играют важную роль в космический полет

Техника управления или же разработка систем управления является инженерное дело дисциплина, которая применяется теория управления проектировать оборудование и системы с желаемым поведением в контроль среды.[1] Дисциплина контроля перекрывается и обычно преподается вместе с электротехника и машиностроение во многих учреждениях по всему миру.[1]

Практика использует датчики и детекторы для измерения выходной производительности контролируемого процесса; эти измерения используются для корректировки Обратная связь помогая достичь желаемой производительности. Системы, предназначенные для работы без участия человека, называются автоматический контроль системы (такие как круиз-контроль для регулирования скорости автомобиля). Междисциплинарный по своей природе деятельность по проектированию систем управления сосредоточена на внедрении систем управления, в основном на основе математическое моделирование разнообразного диапазона системы.


Обзор

Современная техника управления - это относительно новая область исследований, которая привлекла значительное внимание в 20-м веке с развитием технологий. Его можно в широком смысле определить или классифицировать как практическое применение теория управления. Техника управления играет важную роль в широком спектре систем управления, от простых бытовых стиральных машин до высокопроизводительных. F-16 самолет истребитель. Он стремится понять физические системы, используя математическое моделирование, с точки зрения входов, выходов и различных компонентов с различным поведением; использовать инструменты проектирования систем управления для разработки контроллеры для этих систем; а также реализовать контроллеры в физических системах с использованием доступных технологий. А система возможно механический, электрические, жидкость, химический, финансовый или же биологический, а его математическое моделирование, анализ и дизайн контроллера используют теория управления в одном или многих из время, частота и комплекс-ы домены, в зависимости от характера проблемы проектирования.

История

Контроль над фракционирующие колонны это одно из самых сложных приложений

Системы автоматического управления были впервые разработаны более двух тысяч лет назад. Считается, что первым зарегистрированным устройством управления с обратной связью является древний Ктесибиос с водяные часы в Александрия, Египет около III века до н. Э. Он отсчитывал время, регулируя уровень воды в сосуде и, следовательно, поток воды из этого сосуда. Это определенно было успешным устройством, поскольку водяные часы аналогичной конструкции все еще производились в Багдаде, когда монголы захвачен город в 1258 году нашей эры.На протяжении веков различные автоматические устройства использовались для выполнения полезных задач или просто для развлечения. К последним относятся автоматы, популярные в Европе в XVII и XVIII веках, с танцующими фигурами, которые повторяли одну и ту же задачу снова и снова; эти автоматы являются примерами управления без обратной связи. Важнейшие вехи среди устройств автоматического управления с обратной связью или «замкнутого цикла» включают терморегулятор печи, относящийся к Дреббель, около 1620 года, и центробежный регулятор скорости вращения паровых двигателей, который Джеймс Ватт использовал в 1788 году для регулирования скорости паровых двигателей.

В своей статье 1868 года «О губернаторах» Джеймс Клерк Максвелл смог объяснить нестабильности, проявляемые регулятором флайбола, используя дифференциальные уравнения для описания системы управления. Это продемонстрировало важность и полезность математических моделей и методов в понимании сложных явлений и положило начало математическому управлению и теории систем. Элементы теории управления появились раньше, но не так драматично и убедительно, как в анализе Максвелла.

Теория управления добилась значительных успехов в следующем столетии. Новые математические методы, а также достижения в области электронных и компьютерных технологий сделали возможным управление значительно более сложными динамическими системами, чем мог стабилизировать оригинальный регулятор Flyball. Новые математические методы включали разработки в области оптимального управления в 1950-х и 1960-х годах, за которыми последовал прогресс в области стохастических, робастных, адаптивных и нелинейных методов управления в 1970-х и 1980-х годах. Применение методологии управления помогло сделать возможным космические путешествия и спутники связи, более безопасные и эффективные самолеты, более чистые автомобильные двигатели и более чистые и эффективные химические процессы.

Прежде чем стать уникальной дисциплиной, инженерия управления практиковалась как часть машиностроение и теория управления изучался в рамках электротехника поскольку электрические схемы часто можно легко описать с помощью методов теории управления. В самых первых отношениях управления токовый выход был представлен входом управления напряжением. Однако, не имея адекватных технологий для реализации электрических систем управления, конструкторы остались с выбором менее эффективных и медленно реагирующих механических систем. Очень эффективным механическим контроллером, который до сих пор широко используется на некоторых гидроэлектростанциях, является губернатор. Позже, до современного силовая электроника, системы управления технологическим процессом для промышленного применения были разработаны инженерами-механиками с использованием пневматический и гидравлический устройства управления, многие из которых используются до сих пор.

Теория управления

Основная статья: Теория управления

В теории управления есть два основных раздела, а именно классический и современный, которые имеют прямое значение для приложений управления.

Классический дизайн системы SISO

Объем классической теории управления ограничен с одним входом и одним выходом (SISO) проектирование системы, за исключением анализа отклонения помех с использованием второго входа. Системный анализ проводится во временной области с использованием дифференциальные уравнения, в области комплексов с Преобразование Лапласа, или в частотной области путем преобразования из комплексной области. Можно предположить, что многие системы имеют отклик системы второго порядка с одной переменной во временной области. Контроллер, разработанный с использованием классической теории, часто требует настройки на месте из-за неверных расчетов. Тем не менее, из-за более простой физической реализации классических конструкций контроллеров по сравнению с системами, разработанными с использованием современной теории управления, эти контроллеры предпочтительнее в большинстве промышленных приложений. Наиболее распространенными контроллерами, разработанными с использованием классической теории управления, являются: ПИД-регуляторы. Менее распространенная реализация может включать в себя либо фильтр опережения, либо запаздывания. Конечная конечная цель - удовлетворить требования, которые обычно предъявляются во временной области, называемой переходной характеристикой, или иногда в частотной области, называемой откликом без обратной связи. Характеристики переходной характеристики, применяемые в спецификации, обычно представляют собой процентное перерегулирование, время установления и т. Д. Характеристики отклика разомкнутого контура, применяемые в спецификации, обычно представляют собой запас по усилению, фазе и полосу пропускания. Эти характеристики могут быть оценены с помощью моделирования, включая динамическую модель контролируемой системы в сочетании с моделью компенсации.

Современный дизайн системы MIMO

Современная теория управления реализована в пространство состояний, и может справиться с несколько входов и выходов (MIMO) системы. Это преодолевает ограничения классической теории управления в более сложных задачах проектирования, таких как управление истребителями, с тем ограничением, что анализ в частотной области невозможен. В современном дизайне система с наибольшим преимуществом представлена ​​как набор развязанных устройств первого порядка. дифференциальные уравнения определяется с использованием переменные состояния. Нелинейный, многовариантный, адаптивный и надежный контроль теории подпадают под это подразделение. Матричные методы значительно ограничены для систем MIMO, в которых нельзя гарантировать линейную независимость во взаимосвязи между входами и выходами.[нужна цитата ]. Современная теория управления, будучи довольно новой, имеет много областей, которые еще предстоит изучить. Ученые любят Рудольф Э. Кальман и Александр Ляпунов хорошо известны среди людей, сформировавших современную теорию управления.

Системы управления

Техника управления - это техника дисциплина который фокусируется на моделирование разнообразного диапазона динамические системы (например. механический системы ) и дизайн контроллеры это заставит эти системы вести себя желаемым образом. Хотя такие контроллеры не обязательно должны быть электрическими, многие из них являются электрическими, и поэтому техника управления часто рассматривается как раздел электротехники.

Электрические схемы, цифровые сигнальные процессоры и микроконтроллеры все можно использовать для реализации Системы управления. Техника управления имеет широкий спектр приложений от систем полета и двигателей коммерческие авиалайнеры к круиз-контроль присутствует во многих современных автомобили.

В большинстве случаев инженеры по контролю используют Обратная связь при проектировании Системы управления. Это часто достигается с помощью ПИД-регулятор система. Например, в автомобиль с круиз-контроль автомобиль скорость постоянно контролируется и передается обратно в систему, которая регулирует мотор крутящий момент соответственно. Там, где есть регулярная обратная связь, теория управления может использоваться для определения того, как система реагирует на такую ​​обратную связь. Практически во всех таких системах стабильность важен, и теория управления может помочь в достижении стабильности.

Хотя обратная связь является важным аспектом техники управления, инженеры по контролю могут также работать над управлением системами без обратной связи. Это известно как управление без обратной связи. Классический пример управление без обратной связи это стиральная машина который проходит через заранее определенный цикл без использования датчики.

Инженерное образование в области управления

Во многих университетах по всему миру курсы инженерии управления преподаются в основном в электротехника и машиностроение, но некоторые курсы могут быть проинструктированы мехатроника,[2] и аэрокосмическая техника. В других случаях техника управления связана с Информатика, поскольку сегодня большинство методов управления реализуются с помощью компьютеров, часто как встроенные системы (как в автомобильной сфере). Сфера контроля внутри химическая инженерия часто известен как контроль над процессом. В первую очередь он связан с контролем переменных химических процессов на заводе. Он преподается как часть программы бакалавриата по любой программе химического машиностроения и использует многие из тех же принципов в технике управления. Другие инженерные дисциплины также пересекаются с техникой управления, поскольку ее можно применять к любой системе, для которой может быть получена подходящая модель. Тем не менее, специализированные отделы техники управления существуют, например, факультет автоматического управления и системотехники в Университете Шеффилда. [3] и факультет робототехники и контрольной техники Военно-морской академии США.[4]

У техники управления есть самые разные приложения, включая науку, управление финансами и даже поведение человека. Студенты, изучающие технику управления, могут начать с курса по линейным системам управления, посвященного временной и сложной области, что требует тщательного изучения элементарной математики и Преобразование Лапласа, называемая классической теорией управления. При линейном контроле студент выполняет анализ в частотной и временной области. Цифровое управление и нелинейное управление курсы требуют Z преобразование и алгебра соответственно, и можно сказать, чтобы получить базовое контрольное образование.

Карьера в области управления

Карьера инженера по контролю начинается со степени бакалавра и может продолжаться в колледже. Дипломы инженера-контролера хорошо сочетаются со степенью инженера-электрика или машиностроения. Инженеры по контролю обычно получают работу в области технического менеджмента, где они обычно возглавляют междисциплинарные проекты. Есть много возможностей трудоустройства в аэрокосмических компаниях, производственных компаниях, автомобильных компаниях, энергетических компаниях и государственных учреждениях. Некоторые места, где нанимают инженеров по контролю, включают такие компании, как Rockwell Automation, NASA, Ford и Goodrich.[5] Инженеры-диспетчеры могут зарабатывать 66 тысяч долларов в год от Lockheed Martin Corp. Они также могут зарабатывать до 96 тысяч долларов в год от General Motors Corporation.[6]

Согласно Техника управления В ходе опроса большинство ответивших были инженерами по контролю в различных формах своей карьеры. Не так много профессий, которые можно отнести к категории «инженер по управлению», большинство из них - это конкретные карьеры, которые имеют небольшое сходство с всеобъемлющей карьерой инженера управления. Большинство инженеров по управлению, принявших участие в опросе в 2019 году, являются разработчиками систем или продуктов, или даже инженерами по управлению или приборам. Большинство работ связаны с технологическим проектированием, производством или даже техническим обслуживанием, они представляют собой разновидности техники управления.[7]

Недавнее продвижение

Изначально технология управления была связана с непрерывными системами. Разработка компьютерных средств управления потребовала разработки дискретных систем управления, поскольку связь между компьютерным цифровым контроллером и физической системой регулируется компьютерные часы. Эквивалент Преобразование Лапласа в дискретной области - это Z-преобразование. Сегодня многие системы управления управляются компьютером и состоят как из цифровых, так и из аналоговых компонентов.

Следовательно, на этапе проектирования либо цифровые компоненты отображаются в непрерывной области, а проектирование выполняется в непрерывной области, либо аналоговые компоненты отображаются в дискретной области, и проектирование выполняется там. Первый из этих двух методов чаще встречается на практике, потому что многие промышленные системы имеют много непрерывных системных компонентов, включая механические, жидкостные, биологические и аналоговые электрические компоненты, с несколькими цифровыми контроллерами.

Точно так же техника дизайна перешла от ручного дизайна на основе бумаги и линейки к системы автоматизированного проектирования а теперь к автоматизированное проектирование или CAD, что стало возможным благодаря эволюционные вычисления. CAD может применяться не только для настройки предопределенной схемы управления, но также для оптимизации структуры контроллера, идентификации системы и изобретения новых систем управления, основанных исключительно на требованиях к производительности, независимо от какой-либо конкретной схемы управления.[8][9]

Устойчивые системы управления распространить традиционную направленность на устранение только запланированных нарушений на каркас и попытаться устранить несколько типов неожиданных нарушений; в частности, адаптация и преобразование поведения системы управления в ответ на действия злоумышленников, аномальные режимы отказа, нежелательные действия человека и т. д.[10]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б "Часто задаваемые вопросы по системам и управлению | Электротехника и информатика". engineering.case.edu. Кейс Вестерн Резервный университет. 20 ноября 2015 г.. Получено 27 июн 2017.
  2. ^ Чжан, Цзяньхуа. Мехатроника и автоматизация 2-е изд. Труды Международной конференции по мехатронике и автоматизации (ICMAE2016). Сямэнь, Китай, 2016 г.
  3. ^ "ACSE - Университет Шеффилда". Получено 17 марта 2015.
  4. ^ "WRC Home". USNA Оружие, робототехника и техника управления. Получено 19 ноября 2019.
  5. ^ "Часто задаваемые вопросы о системах и управлении | Компьютеры и науки о данных / Электротехника, вычислительная техника и системная инженерия". engineering.case.edu. 2015-11-20. Получено 2019-10-30.
  6. ^ "Заработная плата инженера по системам управления | PayScale". www.payscale.com. Получено 2019-10-30.
  7. ^ https://www.controleng.com/wp-content/uploads/sites/2/2019/05/Control-Engineering-2019-Career-and-Salary-Study.pdf
  8. ^ Тан, К. и Li, Y. (2001) Автоматизация проектирования систем управления на основе производительности с помощью эволюционных вычислений. Технические приложения искусственного интеллекта, 14 (4). С. 473-486. ISSN  0952-1976, http://eprints.gla.ac.uk/3807/
  9. ^ Ли Ю. и др. (2004). CACSD - Эволюционный поиск и оптимизация позволили разработать компьютерную автоматизированную систему управления. Международный журнал автоматизации и вычислений, 1 (1). С. 76-88. ISSN  1751-8520, http://eprints.gla.ac.uk/3818/
  10. ^ К. Дж. Ригер, Д. И. Гертман и М. А. Маккуин, «Устойчивые системы управления: исследования в области проектирования нового поколения», 2009 г. 2-я конференция по взаимодействию с человеческими системами, Катания, 2009 г., стр. 632-636. http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5091051&isnumber=5090940

дальнейшее чтение

  • Кристофер Килиан (2005). Современные технологии управления. Томпсон Делмар Обучение. ISBN  978-1-4018-5806-3.
  • Беннет, Стюарт (июнь 1986). История техники управления, 1800-1930 гг.. ИЭПП. ISBN  978-0-86341-047-5.
  • Беннетт, Стюарт (1993). История техники управления, 1930-1955 гг.. ИЭПП. ISBN  978-0-86341-299-8.
  • Арнольд Занкл (2006). Основные этапы развития автоматизации: от транзистора к цифровому производству. Wiley-VCH. ISBN  978-3-89578-259-6.
  • Франклин, Джин Ф.; Пауэлл, Дж. Дэвид; Эмами-Наеини, Аббас (2014). Управление с обратной связью динамических систем (7-е изд.). Стэнфорд, Калифорния. США: Пирсон. п. 880. ISBN  9780133496598.

внешняя ссылка