Инженерия управления или разработка систем управления — это инженерная дисциплина, которая занимается системами управления и применяет теорию управления для проектирования оборудования и систем с желаемым поведением в средах управления. [1] Дисциплина управления частично совпадает и обычно преподается наряду с электротехникой , химической инженерией и машиностроением во многих учебных заведениях по всему миру. [1]
В практике используются датчики и детекторы для измерения выходных характеристик контролируемого процесса; эти измерения используются для обеспечения корректирующей обратной связи , помогающей достичь желаемой производительности. Системы, предназначенные для работы без участия человека, называются системами автоматического управления (например, круиз-контроль для регулирования скорости автомобиля). Междисциплинарная по своей природе деятельность по проектированию систем управления сосредоточена на внедрении систем управления, в основном полученных путем математического моделирования широкого спектра систем . [2]
Современная техника управления — это относительно новая область исследований, которая привлекла значительное внимание в 20 веке с развитием технологий. Его можно широко определить 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 . Он стремится понять физические системы с помощью математического моделирования с точки зрения входных и выходных данных и различных компонентов с различным поведением; использовать инструменты проектирования систем управления для разработки контроллеров для этих систем; и внедрять контроллеры в физические системы с использованием доступных технологий. Система может быть механической , электрической , жидкостной , химической , финансовой или биологической , а ее математическое моделирование, анализ и проектирование контроллера используют теорию управления в одной или многих временных , частотных и комплексных областях , в зависимости от характера конструкции . проблема.
Инженерия управления — это инженерная дисциплина , которая фокусируется на моделировании разнообразного спектра динамических систем (например, механических систем ) и разработке контроллеров , которые заставят эти системы вести себя желаемым образом. Хотя такие контроллеры не обязательно должны быть электрическими, многие из них таковыми являются, и поэтому технику управления часто рассматривают как подобласть электротехники.
Электрические схемы , цифровые сигнальные процессоры и микроконтроллеры могут использоваться для реализации систем управления . Техника управления имеет широкий спектр применений: от пилотажных и двигательных систем 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 . При наличии регулярной обратной связи 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 обеспечить ее достижение.
Хотя обратная связь является важным аспектом техники управления, инженеры по управлению также могут работать над управлением системами без обратной связи. Это известно как управление с разомкнутым контуром . Классическим примером управления с разомкнутым контуром является стиральная машина , которая выполняет заранее заданный цикл без использования датчиков .
Системы автоматического управления были впервые разработаны более двух тысяч лет назад. Считается, что первым зарегистрированным устройством управления с обратной связью являются древние водяные часы Ктесибия в Александрии , Египет, примерно в третьем веке до нашей эры. Он отсчитывал время, регулируя уровень воды в сосуде и, следовательно, поток воды из этого сосуда. Это, безусловно, было успешным устройством, поскольку водяные часы аналогичной конструкции все еще производились в Багдаде, когда монголы захватили город в 1258 году нашей эры. На протяжении веков различные автоматические устройства использовались для выполнения полезных задач или просто для развлечения. К последним относятся популярные в Европе в 17-18 веках автоматы с танцующими фигурами, которые снова и снова повторяли одно и то же задание; эти автоматы являются примерами управления с разомкнутым контуром. Вехи среди устройств автоматического управления с обратной связью или «замкнутого контура» включают регулятор температуры печи, приписываемый Дреббелю , около 1620 года, и центробежный регулятор флайбола, используемый Джеймсом Уоттом для регулирования скорости паровых двигателей в 1788 году.
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 для понимания сложных явлений и положило начало математическому управлению и теории систем. Элементы теории управления появились и раньше, но не так драматично и убедительно, как в анализе Максвелла.
Теория управления добилась значительных успехов в течение следующего столетия. Новые математические методы, а также достижения в области электронных и компьютерных технологий позволили управлять значительно более сложными динамическими системами, чем мог стабилизировать первоначальный регулятор флайбола. Новые математические методы включали разработки в области оптимального управления в 1950-х и 1960-х годах, за которыми последовал прогресс в стохастических, робастных, 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.
Прежде чем стать уникальной 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 отношениях управления выходной ток был представлен входом управления напряжением. Однако, не имея адекватных технологий для реализации электрических систем управления, конструкторам пришлось использовать менее эффективные и медленно реагирующие механические системы. Очень эффективным механическим регулятором, который до сих пор широко используется на некоторых гидроэлектростанциях, является регулятор . Позже, до появления современной силовой электроники , инженеры-механики разработали системы управления технологическими процессами для промышленного применения с использованием пневматических и гидравлических устройств управления, многие из которых используются до сих пор.
.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 . Он 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 разрабатываются с помощью процесса управления инженерными системами.
Для непрерывно модулированного управления используется контроллер с обратной связью для автоматического управления процессом или операцией. Система управления сравнивает значение или состояние регулируемой переменной процесса (PV) с желаемым значением или заданным значением (SP) и применяет разницу в качестве управляющего сигнала, чтобы привести выходную переменную процесса установки к тому же значению, что и уставка.
Для последовательной и комбинационной логики используется программная логика , например, в программируемом логическом контроллере . [ нужны разъяснения ]Теория управления — это область техники 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 входных данных системы для приведения системы в желаемое состояние, сводя при этом к минимуму любую задержку , перерегулирование или установившуюся ошибку и обеспечивая уровень стабильности управления ; часто с целью достижения определенной степени оптимальности .
Для этого необходим 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 создания управляющего воздействия, приводящего контролируемую переменную процесса к тому же значению, что и заданное значение. Другими аспектами, которые также изучаются, являются управляемость и наблюдаемость . Теория управления используется в разработке систем управления для проектирования средств автоматизации, которые произвели революцию в производстве, авиации, связи и других отраслях, а также создали новые области, такие как робототехника .
Обычно широко используется схематический стиль, известный как блок-диаграмма . В нем 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 контроля берет свое начало в 19 веке, когда теоретическая основа работы регуляторов была впервые описана Джеймсом Клерком Максвеллом . [3] Теория управления была развита Эдвардом Раутом в 1874 году, Чарльзом Штурмом и в 1895 году Адольфом Гурвицем , которые внесли свой вклад в установление критериев устойчивости управления; и с 1922 года разработка теории ПИД-регулирования Николасом Минорским . [4]
Хотя основное применение математической теории управления находится в разработке систем управления , которая занимается проектированием систем управления технологическими процессами для промышленности, другие приложения выходят далеко за рамки этого. Как общая теория систем с обратной связью, теория управления полезна везде, где возникает обратная связь - таким образом, теория управления также имеет приложения в науках о жизни, компьютерной инженерии, социологии и исследовании операций . [5]Во многих университетах по всему миру курсы по технике управления преподаются в основном по электротехнике и машиностроению , но некоторые курсы могут преподаваться по мехатронике [ 6] и аэрокосмической технике . В других странах техника управления связана с информатикой , поскольку большинство методов управления сегодня реализуются с помощью компьютеров, часто в виде встроенных систем (как в автомобильной сфере). Область контроля в химической технологии часто называют контролем процессов . В первую очередь речь идет об управлении переменными в химическом процессе на предприятии. Он преподается как часть учебной программы бакалавриата любой программы химического машиностроения и использует многие из тех же принципов, что и в технике управления. Другие инженерные дисциплины также пересекаются с техникой управления, поскольку ее можно применять к любой системе, для которой можно получить подходящую модель. Тем не менее, специализированные кафедры техники управления существуют, например, в Италии есть несколько магистров в области автоматизации и робототехники, которые полностью специализируются на технике управления, или на кафедре автоматического управления и системной инженерии в Университете Шеффилда [7] , или на кафедре Робототехника и техника управления в Военно-морской академии США [8] и кафедра техники управления и автоматизации Стамбульского технического университета. [9]
Техника управления имеет разнообразные приложения, включая науку, управление финансами и даже поведение человека. Студенты, изучающие технику управления, могут начать с курса линейной системы управления, посвященного временной и комплексной области, который требует глубоких знаний элементарной математики и преобразования Лапласа , называемого классической теорией управления. При линейном управлении студент выполняет анализ частотной и временной области. Курсы цифрового управления и нелинейного управления требуют Z-преобразования и алгебры соответственно и, можно сказать, завершают базовое образование в области управления.
Карьера инженера по системам управления начинается со степени бакалавра и может продолжаться в колледже. Степени инженера по управлению хорошо сочетаются со степенью инженера-электрика или механика. Инженеры по управлению обычно получают работу в сфере технического управления, где они обычно руководят междисциплинарными проектами. Есть много возможностей трудоустройства в аэрокосмических компаниях, производственных компаниях, автомобильных компаниях, энергетических компаниях и государственных учреждениях. В число мест, где нанимают инженеров по системам управления, входят такие компании, как Rockwell Automation, NASA, Ford и Goodrich. [10] Инженеры по системам управления могут зарабатывать 66 тысяч долларов в год от корпорации Lockheed Martin. Они также могут зарабатывать до 96 тысяч долларов в год от корпорации General Motors. [11]
Согласно опросу Control Engineering , большинство ответивших были инженерами по управлению в различных сферах своей карьеры. Не так уж много профессий классифицируются как «инженер по управлению», большинство из них представляют собой конкретные профессии, которые имеют небольшое сходство с всеобъемлющей карьерой инженера по управлению. Большинство инженеров по управлению, принявших участие в опросе в 2019 году, являются разработчиками систем или продуктов или даже инженерами по управлению или приборостроению. Большинство должностей связаны с разработкой технологических процессов, производством или даже обслуживанием, они представляют собой разновидность техники управления. [12]
Первоначально техника управления была посвящена непрерывным системам. Разработка инструментов компьютерного управления потребовала разработки дискретной системы управления, поскольку связь между компьютерным цифровым контроллером 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 из аналоговых компонентов.
Таким образом, на этапе проектирования либо цифровые компоненты отображаются в непрерывную область и проектирование осуществляется в непрерывной области, либо аналоговые компоненты отображаются в дискретную область и проектирование осуществляется там. Первый из этих двух методов чаще встречается на практике, поскольку многие промышленные системы имеют множество компонентов непрерывных систем, включая механические, жидкостные, биологические и аналогово-электрические компоненты, с несколькими цифровыми контроллерами.
Точно так же техника проектирования продвинулась от ручного проектирования на основе бумаги и линейки к компьютерному проектированию , а теперь и к компьютерному автоматизированному проектированию или САПР, которое стало возможным благодаря эволюционным вычислениям . CAD может применяться не только для настройки заранее определенной 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. [13] [14]
Устойчивые системы управления расширяют традиционную направленность устранения только запланированных нарушений в системах и пытаются устранить множество 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. [15]
