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 .

طُوّرت أنظمة التحكم الآلي لأول مرة منذ أكثر من ألفي عام. ويُعتقد أن أول جهاز تحكم بالتغذية الراجعة مُسجّل هو ساعة الماء التي صنعها كتيسيبيوس في الإسكندرية بمصر، حوالي القرن الثالث قبل الميلاد. كانت هذه الساعة تضبط الوقت من خلال تنظيم مستوى الماء في وعاء، وبالتالي تدفق الماء منه. ^{[ 3 ] : 22} وقد كان هذا الجهاز ناجحًا بلا شك، إذ كانت ساعات الماء ذات التصميم المماثل لا تزال تُصنع في بغداد عندما استولى المغول على المدينة عام 1258 ميلادي. استُخدمت مجموعة متنوعة من الأجهزة الآلية على مر القرون لإنجاز مهام مفيدة أو لمجرد الترفيه. ومن بين هذه الأجهزة، الآلات ذاتية الحركة (الأوتوماتا)، التي شاعت في أوروبا في القرنين السابع عشر والثامن عشر، والتي تتميز بشخصيات راقصة تُكرر المهمة نفسها مرارًا وتكرارًا؛ وتُعد هذه الآلات أمثلة على التحكم ذي الحلقة المفتوحة. تشمل المعالم البارزة بين أجهزة التحكم الآلي ذات التغذية الراجعة أو "الحلقة المغلقة"، منظم درجة حرارة الفرن المنسوب إلى دريبل ، حوالي عام 1620، ومنظم الكرة الطائرة الطارد المركزي المستخدم لتنظيم سرعة محركات البخار بواسطة جيمس وات ^{[ 3 ] : 22} في عام 1788.

في بحثه المنشور عام 1868 بعنوان "حول منظمات السرعة"، تمكن جيمس كلارك ماكسويل من تفسير حالات عدم الاستقرار التي يُظهرها منظم سرعة الكرة الطائرة باستخدام المعادلات التفاضلية لوصف نظام التحكم. وقد أظهر هذا أهمية النماذج والأساليب الرياضية وفائدتها في فهم الظواهر المعقدة، وشكّل بداية نظرية التحكم الرياضي ونظرية الأنظمة. ظهرت عناصر نظرية التحكم في وقت سابق، ولكن ليس بنفس الوضوح والإقناع الذي ظهر في تحليل ماكسويل. ^{[ 4 ]}

شهدت نظرية التحكم تطورات هائلة خلال القرن التالي. فقد أتاحت التقنيات الرياضية الجديدة، إلى جانب التقدم في التقنيات الإلكترونية والحاسوبية، إمكانية التحكم في أنظمة ديناميكية أكثر تعقيدًا بكثير مما كان بإمكان منظم سرعة الكرة الطائرة الأصلي تثبيته. وشملت هذه التقنيات الرياضية الجديدة تطورات في التحكم الأمثل في خمسينيات وستينيات القرن العشرين، تلاها تقدم في أساليب التحكم العشوائي، والمتين، والتكيفي، وغير الخطي في سبعينيات وثمانينيات القرن العشرين. وقد ساهمت تطبيقات منهجية التحكم في تمكين السفر إلى الفضاء وأقمار الاتصالات، وتطوير طائرات أكثر أمانًا وكفاءة، ومحركات سيارات أنظف، وعمليات كيميائية أنظف وأكثر كفاءة.

قبل أن يبرز هندسة التحكم كتخصص مستقل، كانت تُمارس كجزء من الهندسة الميكانيكية ، وتُدرس نظرية التحكم كجزء من الهندسة الكهربائية ، إذ يُمكن وصف الدوائر الكهربائية بسهولة باستخدام تقنيات نظرية التحكم. في علاقات التحكم الأولى، كان يُمثل خرج التيار بمدخل تحكم الجهد. مع ذلك، ونظرًا لعدم توفر التكنولوجيا الكافية لتنفيذ أنظمة التحكم الكهربائية، لم يكن أمام المصممين سوى خيار الأنظمة الميكانيكية الأقل كفاءة والأبطأ استجابة. يُعد منظم السرعة (GROUP GR) وحدة تحكم ميكانيكية فعالة للغاية، ولا يزال يُستخدم على نطاق واسع في بعض محطات الطاقة الكهرومائية . لاحقًا، وقبل ظهور إلكترونيات الطاقة الحديثة ، ابتكر المهندسون الميكانيكيون أنظمة تحكم العمليات للتطبيقات الصناعية باستخدام أجهزة تحكم هوائية وهيدروليكية ، ولا يزال العديد منها قيد الاستخدام حتى اليوم .

^{في العديد من} الجامعات حول العالم، تُدرَّس مقررات هندسة التحكم بشكل أساسي ضمن تخصصي الهندسة الكهربائية والميكانيكية ، ولكن يمكن تدريس بعض المقررات ضمن تخصصات هندسة الميكاترونكس [ ^{9 ]} وهندسة الطيران والفضاء . وفي جامعات أخرى، ترتبط هندسة التحكم بعلوم الحاسوب ، إذ تُطبَّق معظم تقنيات التحكم اليوم عبر الحواسيب، غالبًا كأنظمة مُدمجة (كما هو الحال في مجال السيارات). يُعرف مجال التحكم في الهندسة الكيميائية عادةً باسم التحكم في العمليات ، ويتناول بشكل أساسي التحكم في المتغيرات ضمن العمليات الكيميائية في المصانع. يُدرَّس هذا المجال كجزء من المناهج الدراسية الجامعية في أي برنامج هندسة كيميائية، ويستخدم العديد من المبادئ نفسها في هندسة التحكم. تتداخل تخصصات هندسية أخرى أيضًا مع هندسة التحكم، إذ يمكن تطبيقها على أي نظام يُمكن اشتقاق نموذج مناسب له. ومع ذلك، توجد أقسام متخصصة في هندسة التحكم، فعلى سبيل المثال، في إيطاليا توجد العديد من برامج الماجستير في الأتمتة والروبوتات المتخصصة كليًا في هندسة التحكم، أو قسم التحكم الآلي وهندسة النظم في جامعة شيفيلد ^{[ 10 ]} ، أو قسم الروبوتات وهندسة التحكم في الأكاديمية البحرية الأمريكية ^{[ 11 ]} ، وقسم هندسة التحكم والأتمتة في جامعة إسطنبول التقنية ^{[ 12 ] .}

تتنوع تطبيقات هندسة التحكم لتشمل العلوم، والإدارة المالية، وحتى السلوك البشري. يبدأ طلاب هندسة التحكم عادةً بدورة في أنظمة التحكم الخطي التي تتناول المجال الزمني والمجال المركب، مما يتطلب أساسًا متينًا في الرياضيات الأساسية وتحويل لابلاس ، وهو ما يُعرف بنظرية التحكم الكلاسيكية. في التحكم الخطي، يُجري الطالب تحليلًا في المجالين الترددي والزمني. أما دورات التحكم الرقمي والتحكم غير الخطي فتتطلب تحويل Z والجبر على التوالي، ويمكن اعتبارها استكمالًا لأساسيات تعليم التحكم.

يبدأ مسار مهندس التحكم المهني بالحصول على درجة البكالوريوس، ويمكنه مواصلة دراسته خلال سنوات الدراسة الجامعية. عادةً ما تُقرن شهادات هندسة التحكم بشهادة في الهندسة الكهربائية أو الميكانيكية، ولكن يمكن أيضاً إقرارها بشهادة في الهندسة الكيميائية. ووفقاً لاستطلاع رأي أجرته مجلة هندسة التحكم ، فإن معظم المشاركين في الاستطلاع كانوا مهندسي تحكم يعملون في مجالات مختلفة من حياتهم المهنية. ^{[ 13 ]}

لا يوجد الكثير من الوظائف المصنفة تحت مسمى "مهندس تحكم"، فمعظمها وظائف متخصصة ذات صلة بسيطة بمجال هندسة التحكم بشكل عام. أغلبية مهندسي التحكم الذين شاركوا في الاستطلاع عام ٢٠١٩ هم مصممو أنظمة أو منتجات، أو حتى مهندسو تحكم أو أجهزة قياس. وتشمل معظم هذه الوظائف هندسة العمليات أو الإنتاج أو حتى الصيانة، وهي في جوهرها نوع من أنواع هندسة التحكم. ^{[ ١٣ ]}

ونتيجةً لذلك، تتوفر فرص عمل عديدة في شركات الطيران والفضاء، وشركات التصنيع، وشركات السيارات، وشركات الطاقة، وشركات الكيماويات، وشركات البترول، والهيئات الحكومية. ومن بين الجهات التي توظف مهندسي التحكم شركات مثل روكويل أوتوميشن، ووكالة ناسا، وفورد، وفيليبس 66، وإيستمان ، وجودريتش. ^{[ 14 ]} ويمكن لمهندسي التحكم أن يتقاضوا راتباً سنوياً يصل إلى 66 ألف دولار من شركة لوكهيد مارتن، وقد يصل إلى 96 ألف دولار سنوياً من شركة جنرال موتورز. ^{[ 15 ]} أما مهندسو التحكم في العمليات، الذين يعملون عادةً في مصافي النفط ومصانع الكيماويات المتخصصة، فيمكنهم أن يتقاضوا رواتب سنوية تزيد عن 80 ألف دولار. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

في الهند، يُقدَّم تخصص هندسة أنظمة التحكم على مستويات مختلفة، بدءًا من الدبلوم وصولًا إلى البكالوريوس والدراسات العليا. تتطلب هذه البرامج من الطالب أن يكون قد درس الفيزياء والكيمياء والرياضيات في المرحلة الثانوية، أو أن يكون حاصلاً على درجة البكالوريوس في تخصص ذي صلة للدراسات العليا. ^{[ 18 ]}

في الأصل، كان هندسة التحكم تركز على الأنظمة المتصلة. وقد فرض تطوير أدوات التحكم الحاسوبية ضرورة هندسة أنظمة التحكم المتقطعة، لأن الاتصالات بين وحدة التحكم الرقمية الحاسوبية والنظام الفيزيائي تخضع لتوقيت الحاسوب . ^{[ 3 ] : 23} ويُعادل تحويل لابلاس في المجال المتقطع تحويل Z. واليوم، تُدار العديد من أنظمة التحكم بواسطة الحاسوب، وهي تتكون من مكونات رقمية وتناظرية.

لذلك، في مرحلة التصميم إما:

• يتم تعيين المكونات الرقمية في المجال المتصل، ويتم تنفيذ التصميم في المجال المتصل، أو
• يتم تحويل المكونات التناظرية إلى مجال منفصل ويتم تنفيذ التصميم هناك.

الطريقة الأولى من هاتين الطريقتين هي الأكثر شيوعًا في الممارسة العملية لأن العديد من الأنظمة الصناعية تحتوي على العديد من مكونات الأنظمة المستمرة، بما في ذلك المكونات الميكانيكية والسائلة والبيولوجية والكهربائية التناظرية، مع عدد قليل من وحدات التحكم الرقمية.

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