آموزش رایگان کنترل اتوماتیک

درس «کنترل اتوماتیک» در نیم‌سال دوم سال تحصیلی 96-95 با کمک آقای سید علی میرمحمدصادقی، در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل ضبط شده‌است.

کنترل اتوماتیک یا کنترل خطی یکی از دروس پراهمیت در رشته­‌های مهندسی مکانیک، مهندسی برق، هوافضا و مهندسی شیمی است. اغلب سیستم­‌های پیشرفته مهندسی نظیر هواپیما، خودرو، ربات، نیروگاه، پالایشگاه، لوازم خانگی هوشمند و … برای عملکرد خود نیازمند سیستم­‌های کنترلی‌­اند. این مطلب باعث شده‌است که فضای مناسبی برای پژوهش و اشتغال در حوزه‌ی کنترل برای مهندسان فراهم گردد. درس حاضر به بررسی عملکرد سیستم‌­های دینامیکی و روش‌­های کنترل آن می‌پردازد. هدف از ارائه این درس آموزش روش مدل‌مبنا در طراحی کنترل‌های کلاسیک برای سیستم‌های خطی است. در یک دیدگاه کلان، درس ارائه شده را می­‌توان به دو بخش تحلیل سیستم و طراحی کنترلر بخش­‌بندی نمود. از آنجاکه ذات روش‌های طراحی کنترلر کلاسیک ریشه در فضای فرکانسی دارد، لذا سهم ریاضیات در آموزش کنترل و طراحی آن غیرقابل‌انکار است؛ این امر آموزش کاربردگرای کنترل را با چالش مواجه می­‌نماید. برای فائق آمدن به این چالش، تلاش شده‌است تا در گام‌های ابتدایی با رویکردی فیزیکی، تحلیلی و مفهومی به کنترل و کاربردهای آن اشاره شود. تجربه تدریس به این روش نشان‌ داده‌است که دانشجویان دوره کارشناسی مهندسی، در صورت اطمینان از کاربردی بودن این دانش، علاقه مضاعفی به یادگیری و پذیرش ریاضیات مرتبط با آن نشان‌ خواهند‌داد.

ازآنجاکه از یک‌سو مفهوم سیگنال و سیستم – بخصوص برای دانشجویان مقطع کارشناسی مهندسی مکانیک – تا قبل از اخذ این درس کم‌تر مورد توجه قرار گرفته‌است و از سوی دیگر شناخت کافی دانشجو نسبت به سیستم و موارد مرتبط با آن مهم‌ترین اصل در یادگیری کنترل است، در جلسات ابتدایی تلاش شده‌است تا دانشجویان با مفاهیم اساسی سیستم نظیر ورودی، خروجی، اغتشاش، دینامیک سیستم و رفتار سیستم آشنا شوند. در ادامه تلاش می­‌شود لزوم استفاده از کنترلر در سیستم‌­ها برای دانشجویان تبیین گردد و مواردی نظیر دینامیک سیستم، پایداری و خطای حالت ماندگار در اذهان ایشان نقش بندد و در ادامه مدل­‌سازی سیستم­‌ها مدنظر قرار گرفته‌است.

ازآنجاکه تبدیل لاپلاس از مهم‌ترین بنیان­‌های ریاضی برای آموختن «کنترل اتوماتیک» است، لذا در ابتدا مفاهیم آن مورد تأکید قرار می­‌گیرد و بر اساس مفهوم تابع تبدیل و مشخصه­‌های آن در فضای لاپلاس به‌عنوان روش مد‌‌ل‌سازی پذیرفته‌شده در کنترل به دانشجویان آموزش داده شده‌است. در ادامه روش­‌های مدل­‌سازی امپدانسی برای سیستم­‌های مکانیکی، الکتریکی و الکترومکانیکی تشریح‌ شده‌است. در بخش بعد دانشجویان با مشخصه­‌های رفتاری مدل سیستم­‌ها آشنا می­‌شوند. آن‌ها می‌آموزند چگونه مشخصه­‌های تابع تبدیل را به مشخصه‌های زمانی و رفتاری سیستم­‌های فیزیکی ارتباط دهند. در بخش بعد روش بلوک دیاگرام به‌عنوان یک روش قدرتمند در نمایش سیستم‌­های دینامیکی مورد بحث قرار می­‌گیرد. دانشجویان قادر خواهند بود بلوک دیاگرام سیستم‌­های پیچیده را به یک تابع تبدیل معادل، بدل نمایند. در ادامه‌ی بخش تحلیل سیستم‌ها دانشجویان با مفاهیم پایداری و خطای حالت ماندگار در سیستم‌­ها آشنا می­‌شوند. آن‌ها می­‌توانند پایداری سیستم و نیز خطای حالت ماندگار که دو مفهوم اصلی در مشخصه­‌های سیستم­‌های کنترلی است را به توابع تبدیل سیستم ارتباط دهند. تا این مرحله از درس، دانشجو قادر است، سیستم واقعی را به یک مدل ریاضی تبدیل نماید و مشخصه­‌های کنترلی نظیر پارامترهای رفتاری سیستم، پایداری و خطای حالت ماندگار را از طریق مدل بیابد.

در بخش دوم درس، به دانشجو آموزش داده می­‌شود تا با استفاده از مدل­‌سیستم و آموخته­‌های پیشین، نسبت به طراحی کنترلر مناسب برای سیستم اقدام نماید. در حقیقت این بخش را می­‌توان دستکاری در سیستم حلقه‌­باز به‌منظور دستیابی به مشخصه­‌های سیستم حلقه‌بسته دانست. در درس کنترل اتوماتیک دو روش طراحی شامل مکان هندسی ریشه و روش­‌های فرکانسی به دانشجویان آموزش داده‌می­‌شود. در هر روش کنترلی ابتدا مفاهیم اساسی روش و سپس کاربرد آن در طراحی کنترلر مناسب برای دسترسی به شاخص‌­های عملکردی سیستم حلقه­‌بسته به دانشجویان آموخته‌می­‌شود. دانشجویان خواهند‌آموخت چگونه مشخصه­‌های سیستم حلقه‌بسته را – در صورت امکان – با تنظیم بهره استاتیکی حلقه‌باز و در صورت لزوم با اعمال یک جبران‌گر دینامیکی در مسیر حلقه‌باز به مشخصه­‌های مطلوب نزدیک نمایند.

امیدواریم دوره آموزشی حاضر در ارتقاء تسلط دانشجویان مهندسی مکانیک، برق، هوافضا و شیمی به مفاهیم جذاب و کاربردی کنترل اتوماتیک و نهایتاً ایجاد انگیزه در ایشان به‌منظور ادامه تحصیل یا اشتغال در این بخش از مهندسی، مؤثر واقع گردد.

دروس ریاضی مهندسی، دینامیک و ارتعاشات مکانیکی از پیش‌نیازهای درس کنترل اتوماتیک هستند.