Техника управления

Системы управления играют решающую роль в космическом полете

Инженерия управления или разработка систем управления - это инженерная дисциплина, которая применяет теорию управления для проектирования оборудования и систем с желаемым поведением в управляющих средах. ^[1] Дисциплина контроля частично пересекается и обычно преподается вместе с электротехникой и машиностроением во многих учреждениях по всему миру. ^[1]

Практика использует датчики и детекторы для измерения выходной производительности контролируемого процесса; эти измерения используются для обеспечения корректирующей обратной связи, помогающей достичь желаемых характеристик. Системы, предназначенные для работы без участия человека, называются системами автоматического управления (такими как круиз-контроль для регулирования скорости автомобиля). Междисциплинарная по своей природе деятельность по проектированию систем управления сосредоточена на реализации систем управления, в основном получаемых с помощью математического моделирования разнообразных систем .

Обзор [ править ]

Современная техника управления - это относительно новая область исследований, которая привлекла значительное внимание в 20-м веке с развитием технологий. Его можно определить в широком смысле или классифицировать как практическое применение теории управления . Техника управления играет важную роль в широком спектре систем управления, от простых бытовых стиральных машин до высокопроизводительных истребителей F-16 . 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 контроллеров для этих систем; и реализовать контроллеры в физических системах с использованием доступных технологий. Система может бытьмеханическое , электрическое , жидкостное , химическое , финансовое или биологическое , и его математическое моделирование, анализ и дизайн контроллера используют теорию управления в одной или многих областях времени , частоты и сложности , в зависимости от характера проблемы проектирования.

История [ править ]

Системы автоматического управления были впервые разработаны более двух тысяч лет назад. Первое устройство управления с обратной связью на запись считается древний Ktesibios «s вода круглосуточно в Александрии , Египет вокруг нашей эры третьего века он держал 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 захватилигород в 1258 г. н.э. 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 одно и то же задание снова и снова; эти автоматы являются примерами управления без обратной связи. Вехи в развитии устройств автоматического управления с обратной связью или «замкнутого контура» включают терморегулятор печи, приписываемый Дреббелю , около 1620 года, и центробежный регулятор с флайболом, используемый Джеймсом Ваттом для регулирования скорости паровых двигателей в 1788 году.

В своей статье 1868 года «О губернаторах» Джеймс Клерк Максвелл смог объяснить нестабильность, проявляемую губернатором, с помощью дифференциальных уравнений 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 позволили управлять 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, 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 летательные аппараты, более чистые автомобильные двигатели и более чистые и эффективные химические процессы.

Прежде чем стать уникальной дисциплиной, инженерия управления практиковалась как часть машиностроения, а теория управления изучалась как часть электротехники, поскольку электрические цепи часто можно легко описать с помощью методов теории управления. В самых первых отношениях управления токовый выход был представлен входом управления напряжением. Однако, не имея адекватной технологии для реализации электрических систем управления, конструкторы остались с выбором менее эффективных и медленно реагирующих механических систем. Очень эффективным механическим регулятором, который до сих пор широко используется на некоторых гидроэлектростанциях, является регулятор . Позже, до современной силовой электроникиСистемы управления технологическим процессом для промышленного применения были разработаны инженерами-механиками с использованием пневматических и гидравлических устройств управления, многие из которых используются до сих пор.

Теория управления [ править ]

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

Классический дизайн системы SISO [ править ]

Сфера применения классической теории управления ограничивается проектированием систем с одним входом и одним выходом (SISO), за исключением анализа отклонения помех с использованием второго входа. Системный анализ проводится во временной области с использованием дифференциальных уравнений , в комплексной области с преобразованием 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 неправильных расчетных приближений. 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 посредством моделирования, включая динамическую модель управляемой системы в сочетании с моделью компенсации.

Современный дизайн системы MIMO [ править ]

Современная теория управления реализуется в пространстве состояний и может иметь дело с системами с множеством входов и множеством выходов (MIMO). 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 представлена ​​с наибольшим преимуществом как набор несвязанных дифференциальных уравнений первого порядка, определенных с использованием переменных состояния . Нелинейное , многопараметрическое , адаптивное и надежное управлениетеории подпадают под это подразделение. Матричные методы значительно ограничены для систем MIMO, где нельзя гарантировать линейную независимость во взаимосвязи между входами и выходами ^{[ необходима цитата ]} . Современная теория управления, будучи довольно новой, имеет множество областей, которые еще предстоит изучить. Такие ученые, как Рудольф Кальман и Александр Ляпунов , хорошо известны среди людей, сформировавших современную теорию управления.

Системы управления [ править ]

Инженерия управления - это инженерная дисциплина, которая фокусируется на моделировании разнообразного диапазона динамических систем (например, механических систем ) и проектировании контроллеров , которые заставят 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 подраздел электротехники.

Электрические схемы , процессоры цифровых сигналов и микроконтроллеры могут использоваться для реализации систем управления . Техника управления имеет широкий спектр применений - от систем полета и силовых установок коммерческих авиалайнеров до круиз-контроля, присутствующего во многих современных автомобилях .

В большинстве случаев инженеры по управлению используют обратную связь при проектировании систем управления . Это часто достигается с помощью системы ПИД-регулятора . Например, в автомобиле с круиз-контролем скорость автомобиля постоянно контролируется и передается обратно в систему, которая соответствующим образом регулирует крутящий момент двигателя . Там, где есть регулярная обратная связь, можно использовать теорию управления, чтобы определить, как система реагирует на такую ​​обратную связь. Практически во всех таких системах важна стабильность, 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 . Классическим примером управления разомкнутым контуром является стиральная машина, которая выполняет заданный цикл без использования датчиков .

Образование в области управления [ править ]

Во многих университетах по всему миру, контрольные инженерные курсы преподаются в основном в области электротехники и машиностроения , но некоторые курсы могут быть проинструктированы в мехатроники инженерии , ^[2] и авиационно - космической техники . В других случаях инженерия управления связана с информатикой , поскольку сегодня большинство методов управления реализуются с помощью компьютеров, часто в виде встроенных систем (как в автомобильной сфере). Сфера управления в химической инженерии часто известна как управление технологическим 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 все же существуют, например, факультет автоматического управления и системного проектирования в Университете Шеффилда ^[3] и факультет робототехники и управления в Военно-морской академии США. ^[4]

Техника управления имеет разнообразные приложения, включая науку, управление финансами и даже поведение человека. Студенты, изучающие технику управления, могут начать с курса по линейным системам управления, посвященного временной и комплексной области, что требует глубоких знаний в элементарной математике и преобразовании Лапласа , называемом классической теорией управления. При линейном управлении студент выполняет анализ в частотной и временной области. Курсы по цифровому управлению и нелинейному управлению требуют преобразования Z и алгебры соответственно и, можно сказать, завершают базовое обучение управлению.

Карьера в области управления [ править ]

Карьера инженера по системам управления начинается со степени бакалавра и может продолжаться в колледже. Дипломы инженера-контролера хорошо сочетаются со степенью инженера-электрика или машиностроителя. 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 по контролю 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 опросу Control Engineering , большинство людей, ответивших на вопросы, 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 системам управления, принявших участие в опросе в 2019 году, являются проектировщиками систем или продуктов, или даже инженерами по контролю или приборам. Большинство работ связано с технологическим проектированием, производством или даже техническим обслуживанием, они представляют собой разновидности техники управления. ^[7]

Недавнее продвижение [ править ]

Изначально техника управления была связана с непрерывными системами. Разработка компьютерных средств управления потребовала разработки дискретных систем управления, поскольку обмен данными между компьютерным цифровым контроллером и физической системой осуществляется с помощью компьютерных часов . Эквивалентным преобразованию Лапласа в дискретной области является 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, и проектирование выполняется в непрерывной области, либо аналоговые компоненты отображаются в дискретной области, и там выполняется проектирование. Первый из этих двух методов чаще встречается на практике, потому что многие промышленные системы имеют множество непрерывных системных компонентов, включая механические, жидкостные, биологические и аналоговые электрические компоненты, с несколькими цифровыми контроллерами.

Точно так же техника проектирования перешла от ручного проектирования на основе бумаги и линейки к автоматизированному проектированию, а теперь и к автоматизированному проектированию или САПР, которое стало возможным благодаря эволюционным вычислениям . 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 расширяют традиционную направленность работы только с запланированными нарушениями на каркасы и пытаются 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]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• 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). Вехи в автоматизации: от транзистора к цифровой фабрике . 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. НАС: Пирсон. п. 880. ISBN 9780133496598.

Внешние ссылки [ править ]

В Викиучебнике есть книга на тему: Системы управления.

Викискладе есть медиафайлы по теме управления .

• Контрольные лаборатории по всему миру
• Открытый учебник по динамике и контролю процессов химической инженерии штата Мичиган
• Ассоциация интеграторов систем управления
• Список интеграторов систем управления
• Институт инженеров-механиков - Группа мехатроники, информатики и управления (MICG)
• Системная наука и управление: журнал открытого доступа