Styrteknik

Kontrollsystem spelar en avgörande roll vid rymdfärd

Styrteknik eller styrsystemsteknik är en ingenjörsdisciplin som handlar om styrsystem , med tillämpning av styrteori för att designa utrustning och system med önskat beteende i styrmiljöer. Disciplinen kontroller överlappar varandra och lärs vanligtvis ut tillsammans med elektroteknik och maskinteknik vid många institutioner runt om i världen.

Praktiken använder sensorer och detektorer för att mäta uteffekten av den process som styrs; dessa mätningar används för att ge korrigerande feedback som hjälper till att uppnå önskad prestanda. System som är designade för att fungera utan att kräva mänsklig insats kallas automatiska kontrollsystem (som farthållare för att reglera en bils hastighet). Tvärvetenskaplig till sin natur fokuserar kontrollsystemtekniska aktiviteter på implementering av styrsystem som huvudsakligen härrör från matematisk modellering av en mängd olika system .

Översikt

Modern reglerteknik är ett relativt nytt studieområde som fick stor uppmärksamhet under 1900-talet med teknikens framsteg. Det kan brett definieras eller klassificeras som praktisk tillämpning av kontrollteori . Styrteknik spelar en viktig roll i ett brett utbud av styrsystem, från enkla hushållstvättmaskiner till högpresterande F-16 stridsflygplan. Den försöker förstå fysiska system, med hjälp av matematisk modellering, i termer av input, output och olika komponenter med olika beteenden; att använda kontrollsystemdesignverktyg för att utveckla styrenheter för dessa system; och att implementera styrenheter i fysiska system som använder tillgänglig teknologi. Ett system kan vara mekaniskt , elektriskt , flytande , kemiskt , finansiellt eller biologiskt , och dess matematiska modellering, analys och kontrolldesign använder styrteori i en eller flera av tids- , frekvens- och komplexets domäner, beroende på designens karaktär. problem.

Historia

Kontroll av fraktionering av kolonner är en av de mer utmanande tillämpningarna

Automatiska styrsystem utvecklades först för över två tusen år sedan. Den första återkopplingskontrollanordningen som registrerats tros vara den antika Ktesibios vattenklocka i Alexandria , Egypten , runt det tredje århundradet f.Kr. Den höll tiden genom att reglera vattennivån i ett kärl och därmed vattenflödet från det kärlet. Detta var verkligen en framgångsrik enhet eftersom vattenklockor av liknande design fortfarande tillverkades i Bagdad när mongolerna intog staden 1258 e.Kr. En mängd olika automatiska enheter har använts genom århundradena för att utföra användbara uppgifter eller helt enkelt bara för att underhålla. Den senare inkluderar automaten, populär i Europa på 1600- och 1700-talen, med dansande figurer som skulle upprepa samma uppgift om och om igen; dessa automater är exempel på styrning med öppen slinga. Milstolpar bland återkopplings-, eller "closed-loop" automatiska kontrollanordningar, inkluderar temperaturregulatorn i en ugn som tillskrivs Drebbel , cirka 1620, och den centrifugala flyball-guvernören som användes för att reglera hastigheten på ångmaskiner av James Watt 1788.

I sitt papper från 1868 "On Governors" kunde James Clerk Maxwell förklara instabiliteter som uppvisades av flyball-guvernören med hjälp av differentialekvationer för att beskriva kontrollsystemet. Detta visade vikten och användbarheten av matematiska modeller och metoder för att förstå komplexa fenomen, och det signalerade början av matematisk styrning och systemteori. Inslag av kontrollteori hade dykt upp tidigare men inte lika dramatiskt och övertygande som i Maxwells analys.

Kontrollteorin gjorde betydande framsteg under nästa århundrade. Nya matematiska tekniker, såväl som framsteg inom elektronisk och datorteknik, gjorde det möjligt att kontrollera betydligt mer komplexa dynamiska system än vad den ursprungliga flyball-guvernören kunde stabilisera. Nya matematiska tekniker inkluderade utvecklingen av optimal kontroll på 1950- och 1960-talen följt av framsteg inom stokastiska, robusta, adaptiva, olinjära kontrollmetoder på 1970- och 1980-talen. Tillämpningar av kontrollmetodik har bidragit till att möjliggöra rymdresor och kommunikationssatelliter, säkrare och effektivare flygplan, renare bilmotorer och renare och effektivare kemiska processer.

Innan det dök upp som en unik disciplin praktiserades reglerteknik som en del av maskinteknik och regleringsteori studerades som en del av elektroteknik eftersom elektriska kretsar ofta enkelt kan beskrivas med hjälp av reglerteoretiska tekniker. I de allra första styrförhållandena representerades en strömutgång av en spänningsregleringång. Men eftersom de inte hade tillräcklig teknik för att implementera elektriska styrsystem, fick konstruktörerna möjligheten att använda mindre effektiva och långsamma mekaniska system. En mycket effektiv mekanisk styrenhet som fortfarande används allmänt i vissa vattenkraftverk är guvernören . Senare, före modern kraftelektronik , utvecklades processkontrollsystem för industriella applikationer av mekaniska ingenjörer som använder pneumatiska och hydrauliska styranordningar, av vilka många fortfarande används idag.

Kontrollteori

Huvudartikel: Kontrollteori

Det finns två huvudindelningar inom reglerteori, nämligen klassisk och modern, som har direkta konsekvenser för de reglertekniska tillämpningarna.

Klassisk SISO-systemdesign

Omfattningen av klassisk styrteori är begränsad till systemdesign med enkel ingång och enkelutgång (SISO), förutom när man analyserar för avvisning av störningar med en andra ingång. Systemanalysen utförs i tidsdomänen med hjälp av differentialekvationer , i komplex-s-domänen med Laplace-transformen , eller i frekvensdomänen genom att transformera från komplex-s-domänen. Många system kan antas ha en andra ordningens och enstaka variabel systemsvar i tidsdomänen. En styrenhet designad med klassisk teori kräver ofta inställning på plats på grund av felaktiga konstruktionsuppskattningar. Men på grund av den enklare fysiska implementeringen av klassiska kontrollerkonstruktioner jämfört med system designade med modern styrteori, är dessa kontroller att föredra i de flesta industriella tillämpningar. De vanligaste regulatorerna utformade med klassisk styrteori är PID-regulatorer . En mindre vanlig implementering kan inkludera antingen eller både ett Lead- eller Lagfilter. Det slutliga slutmålet är att uppfylla krav som vanligtvis tillhandahålls i tidsdomänen som kallas stegsvaret, eller ibland i frekvensdomänen som kallas öppenslingsvaret. Stegsvarsegenskaperna som tillämpas i en specifikation är typiskt procentöverskridande, utjämningstid, etc. Responsegenskaperna med öppen slinga som tillämpas i en specifikation är typiskt förstärkning och fasmarginal och bandbredd. Dessa egenskaper kan utvärderas genom simulering inklusive en dynamisk modell av systemet under kontroll i kombination med kompensationsmodellen.

Modern MIMO-systemdesign

Modern styrteori utförs i tillståndsutrymmet och kan hantera multipla-input och multiple-output (MIMO) system. Detta övervinner begränsningarna hos klassisk kontrollteori i mer sofistikerade designproblem, såsom kontroll av stridsflygplan, med begränsningen att ingen frekvensdomänanalys är möjlig. I modern design representeras ett system med största fördel som en uppsättning avkopplade första ordningens differentialekvationer definierade med hjälp av tillståndsvariabler . Icke-linjära , multivariabla, adaptiva och robusta kontrollteorier faller under denna uppdelning. Matrismetoder är avsevärt begränsade för MIMO-system där linjärt oberoende inte kan garanteras i förhållandet mellan ingångar och utgångar [ citat behövs ] . Eftersom den är ganska ny, har modern kontrollteori många områden att utforska. Forskare som Rudolf E. Kálmán och Aleksandr Lyapunov är välkända bland de människor som har format den moderna kontrollteorin.

Kontrollsystem

Huvudartikel: Styrsystem

Styrteknik är ingenjörsdisciplinen som fokuserar på modellering av ett brett spektrum av dynamiska system (t.ex. mekaniska system ) och designen av styrenheter som kommer att få dessa system att bete sig på önskat sätt. Även om sådana styrenheter inte behöver vara elektriska, är många det och därför ses styrteknik ofta som ett delområde av elektroteknik.

Elektriska kretsar , digitala signalprocessorer och mikrokontroller kan alla användas för att implementera styrsystem . Kontrollteknik har ett brett utbud av tillämpningar från flyg- och framdrivningssystem för kommersiella flygplan till farthållaren som finns i många moderna bilar .

I de flesta fall använder regleringenjörer feedback när de utformar styrsystem . Detta görs ofta med ett PID-styrsystem . Till exempel, i en bil med farthållare övervakas fordonets hastighet kontinuerligt och återkopplas till systemet, som justerar motorns vridmoment därefter. Där det finns regelbunden återkoppling styrteori användas för att bestämma hur systemet reagerar på sådan återkoppling. I praktiskt taget alla sådana system stabilitet viktig och kontrollteori kan hjälpa till att säkerställa att stabilitet uppnås.

Även om återkoppling är en viktig aspekt av styrteknik, kan styringenjörer också arbeta med styrning av system utan återkoppling. Detta är känt som öppen slinga kontroll . Ett klassiskt exempel på öppen kretsstyrning är en tvättmaskin som går igenom en förutbestämd cykel utan användning av sensorer .

Styringenjörsutbildning

Vid många universitet runt om i världen lärs styrteknikkurser ut främst inom elektroteknik och maskinteknik , men vissa kurser kan instrueras i mekatronikteknik och flygteknik . I andra är styrteknik kopplat till datavetenskap , eftersom de flesta styrtekniker idag implementeras genom datorer, ofta som inbyggda system (som inom fordonsområdet). Kontrollområdet inom kemiteknik kallas ofta för processtyrning . Det handlar i första hand om styrning av variabler i en kemisk process i en anläggning. Det lärs ut som en del av grundutbildningen för alla kemiteknikprogram och använder många av samma principer inom kontrollteknik. Andra tekniska discipliner överlappar också styrteknik eftersom det kan tillämpas på alla system för vilka en lämplig modell kan härledas. Det finns dock specialiserade styrtekniska avdelningar, till exempel i Italien finns det flera master i automation och robotik som är helt specialiserade på styrteknik eller avdelningen för automatik och systemteknik vid University of Sheffield eller avdelningen för robotik och styrning Ingenjör vid United States Naval Academy och Department of Control and Automation Engineering vid Istanbuls tekniska universitet.

Styrteknik har diversifierade tillämpningar som inkluderar vetenskap, ekonomistyrning och till och med mänskligt beteende. Studenter i reglerteknik kan börja med en kurs i linjär styrsystem som behandlar tiden och komplexets domän, vilket kräver en grundlig bakgrund i elementär matematik och Laplace-transform , kallad klassisk styrteori. I linjär styrning gör eleven frekvens- och tidsdomänanalys. i digital styrning och icke-linjär styrning kräver Z-transformation respektive algebra och skulle kunna sägas genomföra en grundläggande kontrollutbildning.

Styringenjörskarriärer

En kontrollingenjörs karriär börjar med en kandidatexamen och kan fortsätta genom collegeprocessen. Kontrollingenjörsgrader är väl ihopkopplade med en elektro- eller maskinteknikexamen. Styringenjörer får vanligtvis jobb inom teknisk ledning där de vanligtvis leder tvärvetenskapliga projekt. Det finns många jobbmöjligheter inom flygföretag, tillverkningsföretag, bilföretag, kraftföretag och statliga myndigheter. Vissa platser som anlitar kontrollingenjörer inkluderar företag som Rockwell Automation, NASA, Ford och Goodrich. Kontrollingenjörer kan möjligen tjäna $66k årligen från Lockheed Martin Corp. De kan också tjäna upp till $96k årligen från General Motors Corporation.

Enligt en kontrollteknikundersökning var de flesta som svarade regleringenjörer i olika former av sin egen karriär. Det finns inte särskilt många karriärer som klassificeras som "regleringenjörer", de flesta av dem är specifika karriärer som har en liten sken av regleringenjörens övergripande karriär. En majoritet av kontrollingenjörerna som gjorde undersökningen 2019 är system- eller produktdesigners, eller till och med kontroll- eller instrumentingenjörer. De flesta jobben involverar processteknik eller produktion eller till och med underhåll, de är en variant av styrteknik.

Nyligen framsteg

Ursprungligen handlade styrteknik om kontinuerliga system. Utveckling av datorstyrningsverktyg ställde ett krav på diskret styrsystemteknik eftersom kommunikationen mellan den datorbaserade digitala styrenheten och det fysiska systemet styrs av en datorklocka . Motsvarigheten till Laplace-transform i den diskreta domänen är Z-transformen . Idag är många av styrsystemen datorstyrda och de består av både digitala och analoga komponenter.

På designstadiet mappas därför antingen digitala komponenter till den kontinuerliga domänen och designen utförs i den kontinuerliga domänen, eller så mappas analoga komponenter till en diskret domän och designen utförs där. Den första av dessa två metoder är vanligare i praktiken eftersom många industriella system har många kontinuerliga systemkomponenter, inklusive mekaniska, flytande, biologiska och analoga elektriska komponenter, med ett fåtal digitala styrenheter.

På liknande sätt har designtekniken utvecklats från pappers- och linjalbaserad manuell design till datorstödd design och nu till datorautomatiserad design eller CAD som har möjliggjorts genom evolutionära beräkningar . CAD kan användas inte bara för att ställa in ett fördefinierat styrschema, utan också för att optimera styrstrukturen, systemidentifiering och uppfinning av nya styrsystem, baserat enbart på ett prestandakrav, oberoende av något specifikt styrschema.

Fjädrande kontrollsystem utökar det traditionella fokuset att endast adressera planerade störningar i ramverk och försöker ta itu med flera typer av oväntade störningar; i synnerhet anpassning och omvandling av kontrollsystemets beteenden som svar på illvilliga aktörer, onormala fellägen, oönskade mänskliga handlingar, etc.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Control_engineering&oldid=1126397392 "