في حين أن أغلب الفروع الهندسية تميل للتخصص، هذا الأمر لا ينطبق على هندسة التحكم. بصُورة أو بأُخرى، هندسة التحكم هي المادة اللاصقة التي تربط الفروع الهندسية ببعضها البعض (وهذا هو ما يُحاول صاحب الصورة قوله). لهذا السبب، فتطبيقات هندسة التحكم نظريًا غير محدودة؛ بداية من غسالة الصحون، مرورًا بالروبوتات، وصولًا إلى الصواريخ وسُفن الفضائية.
هندسة التحكم Control Engineering هي الجانب التطبيقي لنظرية التحكم Control Theory. نظرية التحكم نشأت بالأساس من الدراسات الرياضية والهندسية لسلوك الأنظمة الديناميكية (أي تلك الأنظمة التي يُمكن وصف تغيرها زمنيًا بقاعدة ثابتة). بسبب الطبيعة العامة للنظرية فتطبيقاتها لا تقتصر على الهندسة فحسب، وإنما تمتد لتشمل العلوم الاجتماعية، الاقتصاد، الملاحة، النمذجة المُناخية، علم وظائف الأعضاء، وحتى دراسة الجينات. على الرغم من ذلك، تظل هندسة التحكم هي أكثر تطبيقات النظرية شُهرة وتأثيرًا.
هندسة التحكم هي العلم الذ يهتم بتحليل وتصميم وسائل للتأثير على سلوك الأنظمة المُختلفة بحيث تعمل بصُورة مرغوبة. الأنظمة قد تكون كهربية أو ميكانيكية أو كيميائية أو بيولوجية أو حتى مالية، أو خليط من كُل هذا.
___________________________________
تخيل أنك لسبب ما حصلت على قطة حديثة الولادة. الجو شديد الحرارة، وأنت تشعر بالقلق عليها، لذا فكرت في تصميم نظام للتحكم في درجة حرارة المكان الذي تضعها فيه. كيف ستقوم بتنفيذ هذا النظام؟ بعبارة أدق، ما هي المراحل الرئيسية لتصميم أي نظام تحكم؟
1- اختيار نظام فيزيائي مُناسب، واشتقاق مواصفاته التقنية بناءً على المطلوب:
لنفترض أن المرغوب فيه في مثالنا هو أن تظل درجة حرارة المكان عند 24 درجة مئوية. بالطبع، مُجرد الرغبة لن تؤدي لحدوث أي شيء، ولهذا يجب البحث عن نظام فيزيائي بإمكانه تغيير درجة الحرارة، ولتكن مروحة على سبيل المثال. أنت بحاجة أيضًا إلى نظام فيزيائي يُمكنه قراءة درجة الحرارة المُحيطة، ولهذا قد تُفكر في استخدام مجس حراري رقمي على سبيل المثال. بالنسبة لعبارة "اشتقاق المواصفات التقنية" فيُقصد بها تحديد المواصفات الهندسية للنظام الفيزيائي الذي تنوي استخدامه. على سبيل المثال، بالنسبة للمروحة قد تكون المواصفات هي السُرعة والقُدرة الكهربية، بينما بالنسبة للمجس الحراري قد تكون دقة و مدى درجات الحرارة التي يستطيع قراءتها.
2- تحويل النظام الفيزيائي إلى مُخطط هندسي:
في هذه الخطوة يتم اختزال كل أجزاء النظام إلى صورتها الأساسية. على سبيل المثال، يتم اختزال المروحة إلى مُجرد دائرة كهربية لمُحرك، وذلك لأن كُل التفاصيل الأخرى (لونها، حجمها، .. إلخ) غير مُهمة من وجهة نظر مُشكلة التحكم. بالطبع لا يتم الاختزال بصُورة اعتباطية، وإنما يتم وفقًا لقواعد تتحدد بناءً على طبيعة النظام ومدى دقة الأداء المطلوب منه. في هذه المرحلة أيضًا يتم توضيح كيفية اتصال الأجزاء المُختلفة للنظام ببعضها البعض.
3- النمذجة الرياضية:
وهذا هو أول ظهور للرياضيات، وبالطبع لن يكون الأخير. كخطوة أولى، يتم تحويل أجزاء النظام المُختلفة إلى مُعادلات رياضية. هُناك طريقتان للحصول على هذه المُعادلات: إما عن طريق اشتقاقها من المبادئ الفيزيائية الأولى (مثلًا، قوانين نيوتن للحركة بالنسبة للأنظمة الميكانيكية)، أو عن طريق التجارب المعملية. كخطوة ثانية، يتم اختيار واحدة من صياغتين رياضيتين لتمثيل النظام بأكمله كوحدة واحدة: Frequency domain أو Time domain. الصياغة الأولى تُعرف باسم التحكم الكلاسيكي Classical control، والثانية تُعرف باسم التحكم الحديثModern Control. التحكم الكلاسيكي بسيط مفاهيميًا ورياضيًا، ولذلك هو أول ما يتم تدريسه في هندسة التحكم، ولكنه محدود إلى حد كبير. التحكم الحديث أعقد مفاهيميًا ورياضيًا، ولكنه يسمح ببناء أنظمة شديدة التعقيد، كما أنه مُناسب أكثر في حال استخدام مُتحكمات رقمية Digital controllers.
4- تحليل النظام، تصميم المُتحكم، تقييم أداء النظام الجديد:
كما ذكرت، الغرض من هندسة التحكم في الأساس هو التأثير على سلوك النظام محل الاهتمام، ولهذا فمن المنطقي أن نقوم في البداية بدراسة سلوكه كما هو بدون إضافات، ثُم بناء على التحليل نقوم بتصميم المتحكم الذي سيًغير سلوكه الطبيعي إلى السلوك الذي نُريد. مرة أُخرى، هذه المرحلة رياضية بالكامل، مع العلم بأن الأدوات الرياضية المُستخدمة تختلف وفقًا للصياغة التي قررت استخدامها في المرحلة السابقة. في الغالب لا يتم العمل على هذه المرحلة بالورقة والقلم، وإنما باستخدام برمجيات مُتخصصة، أشهرها على الإطلاق Matlab. الميزة الرئيسية المُرتبطة بهذه البرمجيات هي أنها تتيح مُحاكاة النظام قبل بناءه فعليًا، وهو ما يعني إمكانية غير محدودة للتعديل والتطوير في وقت قياسي.
5- بناء النظام:
حسنًا، هذه المرحلة لا تقع بشكل مُباشر ضمن اختصاصات مُهندس التحكم، ولكن وجدت أنه من المنطقي إضافتها. التصميم الميكانيكي، تصميم الدوائر الكهربية والإلكترونية، البرمجة.. كُل هذه الأشياء مطلوبة لتحويل التصميم إلى مُنتج نهائي. وفقًا لمهارات المُصمم، فقد يكون بحاجة لعدة أشخاص للقيام بهذه المراحل اللاحقة، أو قد يكون مُهندس ميكاترونيكس وبإمكانه القيام بكُل شيء بمفرده.
___________________________________
قبل أن تبدأ في دراسة هندسة التحكم أنت بحاجة إلى بعض الرياضيات، ولحُسن الحظ مواقع مثل edX أوKhan Academy كافية جدًا لتحصيل الخلفية المطلوبة. الحد الأدنى هو دراسة كورس واحد على الأقل في الموضوعات التالية:
1- التفاضل والتكامل Differential Calculus & Integral Calculus
2- المُعادلات التفاضلية Differential equations
3- الجبر الخطي Linear Algebra (مطلوب فقط في حالة الـ Modern Control)
بالنسبة لدراسة هندسة التحكم:
1- أفضل ما قابلني على الإطلاق هو كتاب Control Systems Engineering للمؤلف Norman S. Nise. الكتاب يُغطي تقريبًا كُل موضوعات الـ Classical Control، بالإضافة إلى كل أساسيات الـ Modern Control.
2- موقع يحتوي على شرح لأساسيات الـ Classical Control و الـ Modern Control باستخدام Matlab و Simulink. بعبارة أُخرى، أربعة عصافير بحجر واحد:
http://goo.gl/i9bzc13- كورس Control of Mobile Robots من جامعة جورجيا تك، والذي يُمكنك اعتباره تطبيق عملي:
4- قناة يوتيوب لشرح Classical Control، صاحبها عمل بشركة الطيران بوينج لمدة 10 سنوات كمُهندس تحكم:
المصدر:
