هندسة التحكم

هندسة التحكم ، والمعروفة أيضًا بهندسة أنظمة التحكم ، وفي بعض الدول الأوروبية بهندسة الأتمتة ، هي فرع من فروع الهندسة يهتم بأنظمة التحكم ، ويطبق نظرية التحكم لتصميم المعدات والأنظمة ذات السلوكيات المطلوبة في بيئات التحكم. ^{[ 1 ]} يتداخل تخصص التحكم مع الهندسة الكهربائية والهندسة الكيميائية والهندسة الميكانيكية ، ويُدرّس عادةً معها في العديد من المؤسسات التعليمية حول العالم. ^{[ 1 ]}

تستخدم هذه الممارسة أجهزة استشعار وكواشف لقياس أداء مخرجات العملية الخاضعة للتحكم؛ وتُستخدم هذه القياسات لتوفير تغذية راجعة تصحيحية تُساعد على تحقيق الأداء المطلوب. تُسمى الأنظمة المصممة للعمل دون الحاجة إلى تدخل بشري بأنظمة التحكم الآلي (مثل نظام تثبيت السرعة لتنظيم سرعة السيارة). ونظرًا لطبيعتها متعددة التخصصات ، تركز أنشطة هندسة أنظمة التحكم على تطبيق أنظمة التحكم المستمدة أساسًا من النمذجة الرياضية لمجموعة متنوعة من الأنظمة . ^{[ 2 ]}

هندسة التحكم الحديثة مجال دراسي حديث نسبياً، حظي باهتمام كبير خلال القرن العشرين مع التقدم التكنولوجي. ويمكن تعريفها أو تصنيفها بشكل عام على أنها تطبيق عملي لنظرية التحكم . تلعب هندسة التحكم دوراً أساسياً في مجموعة واسعة من أنظمة التحكم، بدءاً من غسالات الملابس المنزلية البسيطة وصولاً إلى الطائرات المقاتلة عالية الأداء . تسعى هذه الهندسة إلى فهم الأنظمة الفيزيائية، باستخدام النمذجة الرياضية، من حيث المدخلات والمخرجات والمكونات المختلفة ذات السلوكيات المتباينة؛ واستخدام أدوات تصميم أنظمة التحكم لتطوير وحدات تحكم لتلك الأنظمة؛ وتطبيق وحدات التحكم في الأنظمة الفيزيائية باستخدام التقنيات المتاحة. يمكن أن يكون النظام ميكانيكياً أو كهربائياً أو مائعاً أو كيميائياً أو مالياً أو بيولوجياً ، وتعتمد نمذجته الرياضية وتحليله وتصميم وحدة التحكم فيه على نظرية التحكم في واحد أو أكثر من مجالات الزمن والتردد والمجالات المركبة ، وذلك حسب طبيعة مشكلة التصميم.

هندسة التحكم هي فرع من فروع الهندسة يركز على نمذجة مجموعة متنوعة من الأنظمة الديناميكية (مثل الأنظمة الميكانيكية ) وتصميم وحدات التحكم التي تجعل هذه الأنظمة تعمل بالطريقة المطلوبة. ^{[ 3 ] : 6} على الرغم من أن وحدات التحكم هذه لا يشترط أن تكون كهربائية، إلا أن العديد منها كذلك، ولذلك غالبًا ما تُعتبر هندسة التحكم فرعًا من فروع الهندسة الكهربائية.

يمكن استخدام الدوائر الكهربائية ومعالجات الإشارات الرقمية ووحدات التحكم الدقيقة لتنفيذ أنظمة التحكم . وتتمتع هندسة التحكم بنطاق واسع من التطبيقات، بدءًا من أنظمة الطيران والدفع في الطائرات التجارية وصولًا إلى نظام تثبيت السرعة الموجود في العديد من السيارات الحديثة .

في معظم الحالات، يستخدم مهندسو التحكم التغذية الراجعة عند تصميم أنظمة التحكم . ويتم ذلك عادةً باستخدام نظام تحكم تناسبي-تكاملي-تفاضلي ( وحدة تحكم PID). على سبيل المثال، في سيارة مزودة بنظام تثبيت السرعة، تُراقَب سرعة السيارة باستمرار وتُرسَل بياناتها إلى النظام، الذي يُعدِّل عزم دوران المحرك وفقًا لذلك. وعند وجود تغذية راجعة منتظمة، يمكن استخدام نظرية التحكم لتحديد كيفية استجابة النظام لهذه التغذية الراجعة. وفي جميع هذه الأنظمة تقريبًا، يُعدّ الاستقرار أمرًا بالغ الأهمية، ويمكن لنظرية التحكم أن تُساعد في ضمان تحقيقه.

على الرغم من أن التغذية الراجعة تُعد جانبًا مهمًا من هندسة التحكم، إلا أن مهندسي التحكم قد يعملون أيضًا على التحكم في الأنظمة التي لا تعتمد على التغذية الراجعة. يُعرف هذا النوع من التحكم بالتحكم ذي الحلقة المفتوحة . ومن الأمثلة الكلاسيكية على التحكم ذي الحلقة المفتوحة غسالة الملابس التي تعمل وفق دورة محددة مسبقًا دون استخدام أجهزة استشعار .

Automatic control systems were first developed over two thousand years ago. The first feedback control device on record is thought to be the ancient Ktesibios's water clock in Alexandria, Egypt, around the third century BCE. It kept time by regulating the water level in a vessel and, therefore, the water flow from that vessel. ^[3]:22 This certainly was a successful device as water clocks of similar design were still being made in Baghdad when the Mongols captured the city in 1258 CE. A variety of automatic devices have been used over the centuries to accomplish useful tasks or simply just to entertain. The latter includes the automata, popular in Europe in the 17th and 18th centuries, featuring dancing figures that would repeat the same task over and over again; these automata are examples of open-loop control. Milestones among feedback, or "closed-loop" automatic control devices, include the temperature regulator of a furnace attributed to Drebbel, circa 1620, and the centrifugal flyball governor used for regulating the speed of steam engines by James Watt^[3]:22 in 1788.

In his 1868 paper "On Governors", James Clerk Maxwell was able to explain instabilities exhibited by the flyball governor using differential equations to describe the control system. This demonstrated the importance and usefulness of mathematical models and methods in understanding complex phenomena, and it signaled the beginning of mathematical control and systems theory. Elements of control theory had appeared earlier but not as dramatically and convincingly as in Maxwell's analysis.^[4]

Control theory made significant strides over the next century. New mathematical techniques, as well as advances in electronic and computer technologies, made it possible to control significantly more complex dynamical systems than the original flyball governor could stabilize. New mathematical techniques included developments in optimal control in the 1950s and 1960s followed by progress in stochastic, robust, adaptive, nonlinear control methods in the 1970s and 1980s. Applications of control methodology have helped to make possible space travel and communication satellites, safer and more efficient aircraft, cleaner automobile engines, and cleaner and more efficient chemical processes.

Before it emerged as a unique discipline, control engineering was practiced as a part of mechanical engineering and control theory was studied as a part of electrical engineering since electrical circuits can often be easily described using control theory techniques. In the first control relationships, a current output was represented by a voltage control input. However, not having adequate technology to implement electrical control systems, designers were left with the option of less efficient and slow responding mechanical systems. A very effective mechanical controller that is still widely used in some hydro plants is the governor. Later on, previous to modern power electronics, process control systems for industrial applications were devised by mechanical engineers using pneumatic and hydraulic control devices, many of which are still in use today.

At many universities around the world, control engineering courses are taught primarily in electrical engineering and mechanical engineering, but some courses can be instructed in mechatronics engineering,^[9] and aerospace engineering. In others, control engineering is connected to computer science, as most control techniques today are implemented through computers, often as embedded systems (as in the automotive field). The field of control within chemical engineering is often known as process control. It deals primarily with the control of variables in a chemical process in a plant. It is taught as part of the undergraduate curriculum of any chemical engineering program and employs many of the same principles in control engineering. Other engineering disciplines also overlap with control engineering as it can be applied to any system for which a suitable model can be derived. However, specialised control engineering departments do exist, for example, in Italy there are several master in Automation & Robotics that are fully specialised in Control engineering or the Department of Automatic Control and Systems Engineering at the University of Sheffield ^[10] or the Department of Robotics and Control Engineering at the United States Naval Academy^[11] and the Department of Control and Automation Engineering at the Istanbul Technical University.^[12]

Control engineering has diversified applications that include science, finance management, and even human behavior. Students of control engineering may start with a linear control system course dealing with the time and complex-s domain, which requires a thorough background in elementary mathematics and Laplace transform, called classical control theory. In linear control, the student does frequency and time domain analysis. Digital control and nonlinear control courses require Z transformation and algebra respectively, and could be said to complete a basic control education.

A control engineer's career starts with a bachelor's degree and can continue through the college process. Control engineer degrees are typically paired with an electrical or mechanical engineering degree, but can also be paired with a degree in chemical engineering. According to a Control Engineering survey, most of the people who answered were control engineers in various forms of their own career.^[13]

There are not very many careers that are classified as "control engineer", most of them are specific careers that have a small semblance to the overarching career of control engineering. A majority of the control engineers that took the survey in 2019 are system or product designers, or even control or instrument engineers. Most of the jobs involve process engineering or production or even maintenance, they are some variation of control engineering.^[13]

Because of this, there are many job opportunities in aerospace companies, manufacturing companies, automobile companies, power companies, chemical companies, petroleum companies, and government agencies. Some places that hire Control Engineers include companies such as Rockwell Automation, NASA, Ford, Phillips 66, Eastman, and Goodrich.^[14] Control Engineers can possibly earn $66k annually from Lockheed Martin Corp. They can also earn up to $96k annually from General Motors Corporation.^[15] Process Control Engineers, typically found in Refineries and Specialty Chemical plants, can earn upwards of $80k annually.^[16][17]

In India, control System Engineering is provided at different levels with a diploma, graduation and postgraduation. These programs require the candidate to have chosen physics, chemistry and mathematics for their secondary schooling or relevant bachelor's degree for postgraduate studies.^[18]

Originally, control engineering was all about continuous systems. Development of computer control tools posed a requirement of discrete control system engineering because the communications between the computer-based digital controller and the physical system are governed by a computer clock.^[3]:23 The equivalent to Laplace transform in the discrete domain is the Z-transform. Today, many of the control systems are computer controlled and they consist of both digital and analog components.

Therefore, at the design stage either:

• Digital components are mapped into the continuous domain and the design is carried out in the continuous domain, or
• Analog components are mapped into discrete domain and design is carried out there.

The first of these two methods is more commonly encountered in practice because many industrial systems have many continuous systems components, including mechanical, fluid, biological and analog electrical components, with a few digital controllers.

وبالمثل، تطورت تقنية التصميم من التصميم اليدوي القائم على الورق والمسطرة إلى التصميم بمساعدة الحاسوب، وصولاً إلى التصميم الآلي بمساعدة الحاسوب (CAD) الذي أصبح ممكناً بفضل الحوسبة التطورية . ويمكن تطبيق التصميم الآلي بمساعدة الحاسوب ليس فقط لضبط مخطط تحكم محدد مسبقاً، بل أيضاً لتحسين بنية وحدة التحكم، وتحديد النظام، وابتكار أنظمة تحكم جديدة، استناداً فقط إلى متطلبات الأداء، بغض النظر عن أي مخطط تحكم محدد. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

تعمل أنظمة التحكم المرنة على توسيع نطاق التركيز التقليدي المتمثل في معالجة الاضطرابات المخطط لها فقط إلى الأطر ومحاولة معالجة أنواع متعددة من الاضطرابات غير المتوقعة؛ على وجه الخصوص، تكييف وتحويل سلوكيات نظام التحكم استجابة للجهات الفاعلة الخبيثة، وأنماط الفشل غير الطبيعية، والتصرفات البشرية غير المرغوب فيها، وما إلى ذلك. ^{[ 21 ]}

• دي كيو ماين (1965). بي إتش هاموند (محرر). طريقة التدرج لتحديد التحكم الأمثل للأنظمة العشوائية غير الخطية في وقائع ندوة الاتحاد الدولي للتحكم الآلي ، نظرية أنظمة التحكم ذاتية التكيف . مطبعة بلينوم. الصفحات 19-27 . 
• بينيت، ستيوارت (يونيو 1986). تاريخ هندسة التحكم، 1800-1930 . معهد الهندسة والتكنولوجيا. رقم ISBN 978-0-86341-047-5.
• بينيت، ستيوارت (1993). تاريخ هندسة التحكم، 1930-1955 . معهد الهندسة والتكنولوجيا. رقم ISBN 978-0-86341-299-8.
• كريستوفر كيليان (2005). تكنولوجيا التحكم الحديثة . دار نشر تومسون ديل مار للتعليم. رقم ISBN 978-1-4018-5806-3.
• أرنولد زانكل (2006). معالم بارزة في الأتمتة: من الترانزستور إلى المصنع الرقمي . وايلي-في سي إتش. رقم ISBN 978-3-89578-259-6.
• فرانكلين، جين ف . باول، ج. ديفيد؛ امامي النائيني، عباس (2014). التحكم في ردود الفعل للأنظمة الديناميكية (  الطبعة السابعة). ستانفورد كالي. الولايات المتحدة: بيرسون. ص.  880. ردمك 9780133496598.

• مختبرات التحكم العالمية
• كتاب ميشيغان المفتوح في ديناميكيات عمليات الهندسة الكيميائية والتحكم فيها
• رابطة مُكاملِي أنظمة التحكم
• قائمة شركات تكامل أنظمة التحكم
• معهد المهندسين الميكانيكيين - مجموعة الميكاترونيات والمعلوماتية والتحكم (MICG)
• علوم النظم وهندسة التحكم: مجلة متاحة للجميع