Инженерия управления или инженерия систем управления или инженерия автоматизации (в некоторых европейских странах) — это инженерная дисциплина, которая занимается системами управления , применяя теорию управления для проектирования оборудования и систем с желаемым поведением в управляемых средах. [1] Дисциплина управления пересекается и обычно преподается вместе с электротехникой , химической инженерией и машиностроением во многих учебных заведениях по всему миру. [1]
В этой практике используются датчики и детекторы для измерения выходных характеристик контролируемого процесса; эти измерения используются для обеспечения корректирующей обратной связи, помогающей достичь желаемой производительности. Системы, разработанные для работы без необходимости человеческого вмешательства, называются системами автоматического управления (например, круиз-контроль для регулирования скорости автомобиля). Многопрофильная по своей природе деятельность по проектированию систем управления сосредоточена на внедрении систем управления, в основном полученных путем математического моделирования разнообразного спектра систем . [2]
Современная инженерия управления — это относительно новая область исследований, которая привлекла значительное внимание в 20 веке с развитием технологий. Ее можно широко определить или классифицировать как практическое применение теории управления . Инженерия управления играет существенную роль в широком спектре систем управления, от простых бытовых стиральных машин до высокопроизводительных истребителей . Она 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 внедрять контроллеры в физические системы, используя доступные технологии. Система может быть механической , электрической , жидкостной , химической , финансовой или биологической , и ее математическое моделирование, анализ и проектирование контроллера используют теорию управления в одной или многих временных , частотных и комплексных областях в зависимости от характера проблемы проектирования.
Инженерия управления — это инженерная дисциплина , которая фокусируется на моделировании разнообразных 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 таковыми, и поэтому инженерия управления часто рассматривается как подраздел электротехники.
Электрические схемы , цифровые сигнальные процессоры и микроконтроллеры могут быть использованы для реализации систем управления . Управляющая техника имеет широкий спектр применения от систем управления полетом и движения 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 транспортного средства постоянно отслеживается и возвращается в систему, которая соответствующим образом регулирует крутящий момент двигателя . При наличии регулярной обратной связи теория управления может использоваться для определения того, как система реагирует на такую обратную связь. Практически во всех таких системах важна стабильность , и теория управления может помочь обеспечить ее достижение.
Хотя обратная связь является важным аспектом техники управления, инженеры по управлению могут также работать над управлением системами без обратной связи. Это известно как управление с открытым контуром . Классическим примером управления с открытым контуром является стиральная машина , которая работает по заранее определенному циклу без использования датчиков .
Системы автоматического управления были впервые разработаны более двух тысяч лет назад. Считается, что первым зарегистрированным устройством управления с обратной связью были древние водяные часы Ктесибиоса в Александрии , Египет, около третьего века до нашей эры. Они отсчитывали время, регулируя уровень воды в сосуде и, следовательно, поток воды из этого сосуда. Это, безусловно, было успешным устройством, поскольку водяные часы похожей конструкции все еще производились в Багдаде, когда монголы захватили город в 1258 году нашей эры. На протяжении столетий для выполнения полезных задач или просто для развлечения использовались различные автоматические устройства. К последним относятся автоматы, популярные в Европе в 17 и 18 веках, с танцующими фигурами, которые повторяли одну и ту же задачу снова и снова; эти автоматы являются примерами управления с разомкнутым контуром. К числу важнейших достижений в области устройств автоматического управления с обратной связью или «замкнутым контуром» относятся регулятор температуры печи, приписываемый Дреббелю (около 1620 г.), и центробежный шаровой регулятор, использовавшийся для регулирования скорости паровых двигателей Джеймсом Уаттом в 1788 г.
В своей статье 1868 года «О регуляторах» Джеймс Клерк Максвелл смог объяснить неустойчивости, проявляемые регулятором флайбола, используя дифференциальные уравнения для описания системы управления. Это продемонстрировало важность и полезность математических моделей и методов для понимания сложных явлений и ознаменовало начало математического управления и теории систем. Элементы теории управления появились и раньше, но не так драматично и убедительно, как в анализе Максвелла.
Теория управления достигла значительных успехов в течение следующего столетия. Новые математические методы, а также достижения в области электронных и компьютерных технологий позволили контролировать значительно более сложные динамические системы, чем мог стабилизировать оригинальный регулятор флайбола. Новые математические методы включали разработки в области оптимального управления в 1950-х и 1960-х годах, за которыми последовал прогресс в стохастических, надежных, адаптивных, нелинейных методах управления в 1970-х и 1980-х годах. Применение методологии управления помогло сделать возможными космические путешествия и спутники связи, более безопасные и эффективные самолеты, более чистые автомобильные двигатели, а также более чистые и эффективные химические процессы.
До того, как стать отдельной дисциплиной, техника 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 первых соотношениях управления выходной ток был представлен входным напряжением управления. Однако, не имея адекватной технологии для внедрения систем электрического управления, проектировщики были вынуждены выбирать менее эффективные и медленно реагирующие механические системы. Очень эффективным механическим контроллером, который до сих пор широко используется на некоторых гидроэлектростанциях, является регулятор . Позже, до появления современной силовой электроники , системы управления технологическими процессами для промышленных применений были разработаны инженерами-механиками с использованием пневматических и гидравлических устройств управления, многие из которых используются и сегодня.
Дэвид Куинн Мейн (1930–2024) был одним из первых разработчиков строгого математического метода анализа алгоритмов управления с прогнозированием модели (MPC). В настоящее время он используется в десятках тысяч приложений и является основной частью передовой технологии управления сотнями производителей систем управления процессами. Главной сильной стороной MPC является его способность справляться с нелинейностями и жесткими ограничениями простым и интуитивно понятным способом. Его работа лежит в основе класса алгоритмов, которые являются доказуемо правильными, эвристически объяснимыми и дают проекты систем управления, которые отвечают практически важным целям. [3]
.jpg/1280px-Loaded_centrifugal_governor_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
Система управления управляет, командует, направляет или регулирует поведение других устройств или систем с помощью контуров управления . Она может варьироваться от одного контроллера отопления дома, использующего термостат, управляющий бытовым котлом, до крупных промышленных систем управления , которые используются для управления процессами или машинами. Системы управления проектируются с помощью процесса проектирования управления.
Для непрерывно модулированного управления контроллер обратной связи используется для автоматического управления процессом или операцией. Система управления сравнивает значение или статус переменной процесса (PV), контролируемой с желаемым значением или уставкой (SP), и применяет разницу в качестве управляющего сигнала для приведения выходной переменной процесса установки к тому же значению, что и уставка.
Для последовательной и комбинационной логики используется программная логика , например, в программируемом логическом контроллере . [ необходимо разъяснение ]Теория управления — это область инженерии управления и прикладной математики , которая занимается управлением динамическими системами в инженерных процессах и машинах. Цель состоит в том, чтобы разработать модель или алгоритм, управляющий применением системных входов для приведения системы в желаемое состояние, минимизируя любые задержки , перерегулирования или ошибки установившегося состояния и обеспечивая уровень стабильности управления ; часто с целью достижения степени оптимальности .
Для этого требуется контроллер с необходимым корректирующим поведением. Этот контроллер контролирует контролируемую переменную процесса (PV) и сравнивает ее с опорным или заданным значением (SP). Разница между фактическим и желаемым значением переменной процесса, называемая сигналом ошибки , или ошибкой SP-PV, применяется в качестве обратной связи для генерации управляющего воздействия, чтобы привести контролируемую переменную процесса к тому же значению, что и заданное значение. Другими аспектами, которые также изучаются, являются управляемость и наблюдаемость . Теория управления используется в проектировании систем управления для проектирования автоматизации, которая произвела революцию в производстве, авиации, связи и других отраслях промышленности, а также создала новые области, такие как робототехника .
Обычно широко используется диаграммный стиль, известный как блок-схема . В ней передаточная функция , также известная как системная функция или сетевая функция, представляет собой математическую модель связи между входом и выходом, основанную на дифференциальных уравнениях, описывающих систему.
Теория управления берет свое начало в 19 веке, когда Джеймс Клерк Максвелл впервые описал теоретическую основу работы регуляторов . [4] Теория управления была далее развита Эдвардом Раутом в 1874 году, Чарльзом Штурмом и в 1895 году Адольфом Гурвицем , которые внесли свой вклад в установление критериев устойчивости управления; а с 1922 года и далее — разработкой теории ПИД-регулирования Николасом Минорским . [5]
Хотя основное применение математической теории управления — это инженерия систем управления , которая занимается проектированием систем управления процессами для промышленности, другие приложения простираются далеко за пределы этого. Как общая теория систем обратной связи, теория управления полезна везде, где происходит обратная связь — таким образом, теория управления также имеет приложения в науках о жизни, компьютерной инженерии, социологии и исследовании операций . [6]Во многих университетах по всему миру курсы по технике управления преподаются в основном в области электротехники и машиностроения , но некоторые курсы могут преподаваться в области мехатроники , [7] и аэрокосмической техники . В других областях техника управления связана с компьютерными науками , поскольку большинство методов управления сегодня реализуются с помощью компьютеров, часто в виде встроенных систем (как в автомобильной отрасли). Область управления в химической инженерии часто известна как управление процессами . Она занимается в основном управлением переменными в химическом процессе на заводе. Она преподается как часть учебной программы бакалавриата любой программы по химической инженерии и использует многие из тех же принципов, что и в технике управления. Другие инженерные дисциплины также пересекаются с техникой управления, поскольку ее можно применить к любой системе, для которой можно вывести подходящую модель. Однако существуют специализированные факультеты по технике управления, например, в Италии есть несколько магистерских программ по автоматизации и робототехнике, которые полностью специализируются на технике управления, или факультет автоматического управления и системной инженерии в Университете Шеффилда [8] или факультет робототехники и техники управления в Военно-морской академии США [9] и факультет управления и автоматизации в Стамбульском техническом университете. [10]
Инженерное управление имеет разнообразные приложения, которые включают науку, финансовый менеджмент и даже поведение человека. Студенты, изучающие инженерное управление, могут начать с курса линейной системы управления, посвященного времени и комплексной области s, что требует основательного знания элементарной математики и преобразования Лапласа , называемого классической теорией управления. В линейном управлении студент выполняет анализ в частотной и временной областях. Курсы цифрового управления и нелинейного управления требуют Z-преобразования и алгебры соответственно, и можно сказать, что они завершают базовое образование в области управления.
Карьера инженера по управлению начинается со степени бакалавра и может продолжаться в течение всего процесса обучения в колледже. Дипломы инженера по управлению обычно идут в паре со степенью инженера-электрика или машиностроителя, но также могут идти в паре со степенью в области химического машиностроения. Согласно опросу по инженерному управлению , большинство ответивших были инженерами по управлению в различных формах своей собственной карьеры. [11]
Не так много профессий классифицируются как «инженер по управлению», большинство из них — это особые профессии, которые имеют небольшое сходство с общей карьерой инженера по управлению. Большинство инженеров по управлению, принявших участие в опросе в 2019 году, являются системными или продуктовыми проектировщиками, или даже инженерами по управлению или приборам. Большинство рабочих мест связаны с технологическим процессом, производством или даже техническим обслуживанием, они являются некоторыми вариациями инженерии по управлению. [11]
Из-за этого существует множество возможностей трудоустройства в аэрокосмических компаниях, производственных компаниях, автомобильных компаниях, энергетических компаниях, химических компаниях, нефтяных компаниях и государственных учреждениях. Некоторые места, которые нанимают инженеров по управлению, включают такие компании, как Rockwell Automation, NASA, Ford, Phillips 66, Eastman и Goodrich. [12] Инженеры по управлению могут зарабатывать $66 тыс. в год в Lockheed Martin Corp. Они также могут зарабатывать до $96 тыс. в год в General Motors Corporation. [13] Инженеры по управлению технологическими процессами, обычно работающие на нефтеперерабатывающих заводах и заводах специальной химии, могут зарабатывать свыше $90 тыс. в год.
Первоначально, инженерия управления была полностью посвящена непрерывным системам. Разработка инструментов компьютерного управления поставила требование к инженерии дискретных систем управления, поскольку связь между цифровым контроллером на базе компьютера и физической системой регулируется компьютерными часами . Эквивалентом преобразования Лапласа в дискретной области является Z-преобразование . Сегодня многие системы управления управляются компьютером и состоят как из цифровых, так и аналоговых компонентов.
Поэтому на этапе проектирования либо цифровые компоненты отображаются в непрерывную область, и проектирование выполняется в непрерывной области, либо аналоговые компоненты отображаются в дискретную область, и проектирование выполняется там. Первый из этих двух методов чаще встречается на практике, поскольку многие промышленные системы имеют множество непрерывных системных компонентов, включая механические, жидкостные, биологические и аналоговые электрические компоненты, с несколькими цифровыми контроллерами.
Аналогичным образом, метод проектирования прошел путь от ручного проектирования на основе бумаги и линейки до автоматизированного проектирования , а теперь и до автоматизированного проектирования или САПР, что стало возможным благодаря эволюционным вычислениям . САПР можно применять не только для настройки предопределенной схемы управления, но и для оптимизации структуры контроллера, идентификации системы и изобретения новых систем управления, основанных исключительно на требованиях к производительности, независимо от какой-либо конкретной схемы управления. [14] [15]
Устойчивые системы управления расширяют традиционную направленность реагирования только на запланированные нарушения на фреймворки и пытаются реагировать на множественные типы неожиданных нарушений; в частности, адаптируя и преобразуя поведение системы управления в ответ на злонамеренных субъектов, ненормальные режимы отказа, нежелательные действия человека и т. д. [16]
