مهندسی کنترل یک رشته بین رشته ای از ریاضیات و فیزیک است که با یک رشته مهندسی به سرعت در حال توسعه با مدل سازی و طراحی سیستم ها سروکار دارد.

هدف اصلی یک مهندس کنترل، تجزیه و تحلیل، تثبیت، توسعه و اجرای روش‌های کنترلی است تا سیستم از رفتار مطلوب پیروی کند.

مهندسی کنترل چیست؟

مهندسی سیستم های کنترل شاخه ای از مهندسی است که با اصول تئوری کنترل برای طراحی سیستمی که رفتار مورد نظر را به صورت کنترل شده ارائه می کند سر و کار دارد.

از این رو، اگرچه مهندسی کنترل اغلب در مهندسی برق در دانشگاه تدریس می شود، اما یک موضوع بین رشته ای است.

بنابراین، مهندسی کنترل با طیف متنوعی از سیستم‌های پویا سروکار دارد که شامل رابط‌های انسانی و فناوری است. این سیستم ها معمولا به عنوان سیستم های کنترل شناخته می شوند.

توسعه سیستم های کنترل بر تجزیه و تحلیل و طراحی سیستم برای بهبود سرعت، دقت و پایداری پاسخ سیستم متمرکز است.

دو روش سیستم کنترل شامل روش های کلاسیک و روش های مدرن می باشد.

در مرحله اول، یک مدل ریاضی از سیستم تنظیم می شود، سپس تجزیه و تحلیل، طراحی و آزمایش انجام می شود.

پاسخ گذرا یک سیستم به صورت ریاضی در تحلیل دیفرانسیل حوزه زمانی مدل‌سازی می‌شود تا زمان ته‌نشینی، درصد اضافه‌رفتن و غیره را تعیین کند.

تبدیل‌های لاپلاس معمولاً در حوزه فرکانس برای تعیین سود حلقه باز، حاشیه فاز، پهنای باند و غیره استفاده می‌شوند.

مفهوم تابع انتقال، معیار پایداری نایکوئیست، نمونه‌برداری از داده‌ها، نمودار نایکوئیست، قطب‌ها و صفرها، نمودارهای Bode، تأخیرهای سیستم همگی تحت تعریف فرآیند کنترل کلاسیک قرار می‌گیرند.

تاریخچه سیستم های کنترل

اعتقاد بر این است که استفاده از سیستم کنترل خودکار در تمدن های باستانی مورد استفاده قرار می گرفته است.

چندین نوع ساعت آبی برای اندازه گیری دقیق زمان توسط یونانیان و اعراب از قرن سوم قبل از میلاد ساخته و معرفی شد.

اما اولین سیستم خودکار به عنوان تنظیم کننده توپ Watts Fly در سال 1788 در نظر گرفته شد که انقلاب صنعتی را آغاز کرد.

مدل سازی ریاضی فرماندار توسط ماکسول در سال 1868 تجزیه و تحلیل شد.

در قرن نوزدهم، لئونارد اویلر، پیر سیمون لاپلاس و جوزف فوریه روش‌های مختلفی برای مدل‌سازی ریاضی توسعه دادند.

سیستم دوم دمپر دمپر Al Butz است – ترموستات 1885. او شرکتی به نام هانیول تاسیس کرد.

آغاز قرن بیستم به عنوان عصر طلایی مهندسی کنترل شناخته می شود.

در طی این مدت در آزمایشگاه بل، روش‌های کنترل کلاسیک توسط هندریک وید و هری نایکیست توسعه یافت.

او همچنین مفهوم کنترل انتگرال و مشتق را در دهه 1920 معرفی کرد.

در این میان مفهوم پایداری توسط نایکوئیست و بعدها توسط ایوانز مطرح شد.

این تغییرات توسط الیور هوساید برای سیستم های کنترل اعمال شد.

روش های مدرن مدیریت پس از دهه 1950 توسط رودولف کالمن برای غلبه بر محدودیت های روش های کلاسیک توسعه یافت.

انواع مهندسی کنترل

مهندسی کنترل با توجه به روش های مختلف مورد استفاده طبقه بندی خاص خود را دارد. انواع اصلی فناوری کنترل عبارتند از:

• تکنولوژی کنترل کلاسیک
• تکنولوژی کنترل مدرن
• تکنیک کنترل قوی
• کنترل بهینه
• فناوری کنترل تطبیقی
• فناوری کنترل غیرخطی
• نظریه بازی

تکنولوژی کنترل مدرن

در تکنولوژی کنترل مدرن، معادلات دیفرانسیل مرتبه بالاتر به معادلات دیفرانسیل مرتبه اول تبدیل می شوند.

این معادلات به روشی بسیار شبیه به روش برداری حل می شوند.

در این حالت، بسیاری از مشکلات در حل معادلات دیفرانسیل درجه بالاتر حل می شود.

آنها برای سیستم های ورودی/خروجی متعددی که تجزیه و تحلیل دامنه فرکانس ممکن نیست اعمال می شوند.

غیرخطی‌ها با متغیرهای متعدد با استفاده از روش‌شناسی پیشرفته حل می‌شوند.

این دسته شامل بردارهای فضای حالت، مقادیر ویژه و بردارهای ویژه است.

متغیرهای حالت متغیرهای ورودی، خروجی و سیستم را توصیف می کنند.

مهندسی کنترل قوی

در روش کنترل قوی، تغییرات در عملکرد سیستم با تغییر در پارامترهای بهینه سازی اندازه گیری می شود.

بنابراین با کنترل خوب، اعتقاد بر این است که محیط، عدم دقت داخلی، نویز و اختلالات باعث کاهش خطا در سیستم می شود.

سیستم کنترل تطبیقی

در این نوع کنترلر علاوه بر بازخورد معمول فرآیند، یک حلقه اضافی برای تنظیم پارامترها وجود دارد.

فناوری کنترل غیرخطی

تکنیک کنترل غیرخطی بر غیرخطی‌هایی تمرکز می‌کند که با استفاده از معادلات دیفرانسیل معمولی خطی (یعنی سیستم‌های کنترل غیرخطی) قابل نمایش نیستند.

این سیستم دارای چندین نقطه تعادل ایزوله، چرخه های حدی، دوشاخه ها با زمان خروج محدود است.

محدودیت اصلی این است که نیاز به تجزیه و تحلیل ریاضی زمان بر دارد.

در این تحلیل سیستم به دو بخش خطی و غیر خطی تقسیم می شود.

آموزش مهندسی کنترل

در بسیاری از دانشگاه های جهان، دروس مهندسی کنترل عمدتاً در مهندسی برق و مکانیک تدریس می شود، اما برخی از دروس ممکن است در مهندسی مکاترونیک و هوافضا تدریس شوند.

در برخی دیگر، مهندسی کنترل با علم کامپیوتر مرتبط است، زیرا امروزه اکثر روش های کنترل با استفاده از رایانه ها، اغلب به عنوان سیستم های تعبیه شده (به عنوان مثال، در زمینه خودرو) اجرا می شوند.

حوزه کنترل در مهندسی شیمی اغلب به عنوان کنترل فرآیند شناخته می شود.

این در درجه اول به کنترل متغیرها در فرآیند شیمیایی در کارخانه مربوط می شود.

این به عنوان بخشی از برنامه درسی دوره کارشناسی هر برنامه مهندسی شیمی تدریس می شود و از بسیاری از اصول مشابه موجود در مهندسی کنترل استفاده می کند.

سایر رشته های مهندسی نیز با مهندسی کنترل همپوشانی دارند زیرا می توان آن را برای هر سیستمی که مدل مناسبی برای آن بدست آورد، اعمال کرد.

با این حال، دانشکده های تخصصی مهندسی کنترل وجود دارد، به عنوان مثال در ایتالیا چندین کارشناسی ارشد در اتوماسیون و رباتیک وجود دارد که به طور کامل به مهندسی کنترل یا گروه کنترل خودکار و مهندسی سیستم ها در دانشگاه شفیلد یا دپارتمان رباتیک و کنترل اختصاص دارند.

مهندسی مدیریت کاربردهای زیادی دارد، از جمله علم، مدیریت مالی و حتی رفتار انسانی.

دانشجویان مهندسی کنترل می‌توانند با دوره‌ای در سیستم‌های کنترل خطی که به حوزه زمان و مجتمع می‌پردازد، که نیاز به دانش کامل ریاضیات ابتدایی و تبدیل لاپلاس دارد، که نظریه کنترل کلاسیک نامیده می‌شود، شروع کنند. با کنترل خطی، دانش آموز تحلیل فرکانس و زمان را انجام می دهد.

دوره های کنترل دیجیتال و کنترل غیرخطی به ترتیب نیازمند Z-Transform و جبر هستند و می توان گفت آموزش های کنترل اولیه را تکمیل می کند.

برای مشاهده ویدئو های آموزشی کانال آپارات مارا دنبال کنید.