اتوماسیون رعد خاورمیانه

مفاهیم پایه در کنترل

مطالعه ی سیستم های کنترلی نیازمند تعاریف اولیه و آشنایی با مفاهیم و اصطلاحات مربوط به آن می باشد.

هدف از علم کنترل، کنترل رفتار فرآیند برای رسیدن به هدف مطلوب می باشد.

دستگاه، می تواند بخشی از یک وسیله (در مجموعه ای از اجزاء ماشین که یک کار مشخصی را انجام می دهند) باشد. در اینجا هر پدیده ی فیزیکی تحت کنترل (مثلاً یک بویلر، ربات، راکتور شیمیایی و یا سفینه) دستگاه نامیده می شود.

فرآیند، مجموعه عملیاتی که به طور تدریجی و پشت سر هم انجام می شود تا به یک هدف مطلوب برسد یا هر پدیده ای که هدف، کنترل آن باشد را می گویند.

متغیر تحت کنترل، هر متغیری که در فرآیند کنترل می شود را می گویند که معمولاً خروجی فرآیند است.

متغیر تأثیرگذار، کمیت یا شرطی است که تغییر داده می شود تا بر متغیر تحت کنترل تأثیر بگذارد.

کنترل سیستم، اندازه گیری متغیر تحت کنترل و اعمال ورودی برای رساندن متغیر تحت کنترل به مقدار مطلوب را می گویند. اغتشاش، ورودی های مزاحم و ناخواسته ای است، که باعث انحراف خروجی از مقدار مطلوب می شود و در امر کنترل اختلال ایجاد می کند.

کنترل با فیدبک، به عملی می گویند که می تواند با وجود اغتشاش، اختلاف بین خروجی سیستم و ورودی مرجع را به کمترین میزان کاهش دهد.

انواع کنترل در صنعت

– کنترل حلقه باز

سیستم هایی که بر روی خروجی آنها هیچ عمل کنترلی اعمال نمی گردد را سیستم های کنترل حلقه باز می نامند. به عبارت دیگر خروجی سیستم کنترل حلقه باز نه اندازه گیری می شود نه برای مقایسه با ورودی، فیدبک می شود. ایده ی اصلی این نوع کنترل بدین صورت می باشد که سیستم تا حد ممکن دقیق طراحی شود، به طوری که خروجی های دلخواه را تولید کند و هیچ اطلاعاتی از خروجی فرآیند به کنترل کننده برگردانده نشود تا کنترل کننده تشخیص دهد آیا خروجی در حد مطلوب است یا خیر.

بدین خاطر ممکن است خطای خروجی در بعضی مواقع خیلی زیاد باشد. در یک سیستم با کنترل حلقه باز، تا زمانی که اختلال وجود نداشته باشد، فرآیند به خوبی عمل می کند. اما اگر اختلال ناخواسته ای باعث شود که خروجی ها از حد مطلوب خارج شوند در این صورت ممکن است سیستم به کلی از کنترل خارج شود. مثلاً ماشین لباسشویی نوعی سیستم کنترل حلقه باز است که در آن خیس کردن، شستن و آبکشی بر اساس یک زمان بندی از قبل تعیین شده انجام می شود. ماشین، سیگنال خروجی را که تمیزی لباس ها است، اندازه گیری نمی کند.

در سیستم های حلقه باز خروجی با ورودی مرجع مقایسه نمی شود، پس به ازای هر ورودی مرجع، یک شرایط کاری ثابت وجود دارد، بنابراین دقت سیستم به تنظیم آن بستگی دارد. اگر اغتشاش وجود داشته باشد، سیستم کنترل حلقه باز نمی تواند وظیفه مطلوب را انجام دهد. سیستم کنترل حلقه باز را در عمل تنها زمانی می توانید بکار ببرید که رابطه ورودی و خروجی معلوم بوده و اغتشاش خارجی و داخلی وجود نداشته باشد. در سیستم های حلقه باز، ورودی به فرآیند در هر لحظه از زمان، بدون توجه به خروجی آن تعیین می گردد. به عبارتی دیگر می توان گفت این سیستم کنترل فاقد مسیر برگشت است. هر سیستم کنترلی که بر اساس زمانبندی کار می کند مانند چراغ راهنمایی و رانندگی یک سیستم حلقه باز است. دیاگرام سیستم حلقه باز در شکل زیر نشان داده شده است:

– کنترل حلقه بسته

در اینگونه سیستم ها یک یا چند مسیر برگشت از خروجی به ورودی پروسه وجود دارد و بنابراین ورودی سیستم در هر لحظه، تحت تأثیر اختلاف خروجی با مقدار مطلوب می باشد. در سیستم های حلقه بسته، حاصل مقایسه خروجی واقعی پروسه با مقدار مطلوب، سیگنال خطا است. سیستم کنترل دمای اتاق نمونه ای از چنین سیستمی است. ترموستات با اندازه گیری دمای اتاق و مقایسه آن با یک درجه حرارت مرجع (دمای مطلوب) وسیله گرمایش یا سرمایش را بکار می اندازد یا آن را قطع می کند تا دمای اتاق مقدار مطلوبی داشته باشد.

سیستم های کنترل فیدبک دار تنها منحصر به دنیای مهندسی نمی باشند، بلکه در زمینه های غیر مهندسی نیز یافت می شوند. برای مثال بدن انسان یک سیستم کنترل فیدبک بسیار پیشرفته دارد. هم دمای بدن و هم فشار خون توسط فیدبک های زیستی ثابت نگاه داشته می شوند. در واقع فیدبک نقشی حیاتی در زندگی انسان دارد و بدن انسان را به اغتشاش های خارجی، نسبتاً غیر حساس می کند تا انسان بتواند در شرایط متغیر محیطی کار خود را انجام دهد. در این نوع کنترل برای جبران اثر اختلال، خروجی سیستم اندازه گیری می شود و در صورتی که خروجی از مقدار مطلوب فاصله داشته باشد، تدابیر کنترلی مناسب برای جبران آن اعمال می شود. به این صورت که خروجی سیستم اندازه گیری شده و تفاوت آن با مقدار مطلوب محاسبه می گردد. تفاوت بین این دو کمیت به کنترل کننده داده شده و کنترل کننده با توجه به میزان این خطا، فرآیند را کنترل می کند.

(سیگنال خطا) E  =(نقطه تنظیم) SP  – (میزان اندازه گیری شده) MV

توجه نمایید که صفر نمودن خطا در عمل امکان پذیر نیست و در هر سیستم کنترلی همیشه تفاوت ناچیزی بین خروجی مطلوب و خروجی واقعی وجود خواهد داشت، اما تا زمانی که این خطا تا حد قابل قبول باشد از آن چشم پوشی می گردد. سیستم های کنترل فیدبک دار را غالباً سیستم های کنترل حلقه بسته می نامند. در عمل سیستم های کنترل حلقه بسته و سیستم های کنترل فیدبک دار به یک معنی بکار می روند. در سسیتم کنترل حلقه بسته، سیگنال خطا که تفاضل سیگنال ورودی و سیگنال فیدبک شده است، برای کاهش خطا و رساندن خروجی به مقدار مطلوب، به کنترل کننده داده میشود و سیگنال فیدبک شده می تواند خود خروجی، یا تابعی از خروجی و مشتق و انتگرال آن باشد.

خصوصیات سیستم کنترل حلقه بسته

مزایا:

مزایای کنترل حلقه بسته عبارتند از:

1. باعث رسیدن کمیت تحت کنترل به مقدار مطلوب می شود.
2. اثر اغتشاشات روی پاسخ سیستم (متغیر تحت کنترل) را حذف یا به حداقل می رساند.
3. اثر تغییرات پارامترهای حلقه، روی پاسخ سیستم را حذف یا به حداقل می رساند.
4. بوسیله کنترل حلقه بسته سیستمهای ناپایدار، پایدارمی شود.

معایب:

معایب کنترل حلقه بسته عبارتند از:

1. به سبب نیازمندی به عناصر مسیر فیدبک، هزینه و پیچیدگی کنترل سیستم افزایش می یابد.
2. کنترل حلقه بسته بعلت تأثیر گذاری روی محل قطب های سیستم ممکن است باعث ناپایداری سیستم شود.

مقایسه سیستم های کنترل حلقه بسته و حلقه باز

1. فیدبک، پاسخ سیستم را نسبت به اغتشاش خارجی و تغییر پارامترهای داخلی سیستم تقریباً بی اثر می کند و این یکی از مزایای سیستم های کنترل فیدبک دار است. بنابراین می توانید با استفاده از اجزاء ارزان و نه چندان دقیق دستگاه را به خوبی کنترل نمایید، کاری که در سیستم های حلقه باز ناممکن است. از دیدگاه پایداری، ساختن سیستم های کنترل حلقه باز ساده تر است، زیرا در این سیستمها مشکل ناپایداری وجود ندارد.
   ولی در سیستم های کنترل حلقه بسته پایداری یک مشکل اساسی است، این مشکل باعث می شود سیستم با دامنه های ثابت و یا متغیر نوسان کند. باید تأکید کرد که اگر در سیستمی ورودی از قبل معلوم است و اغتشاش وجود ندارد، بهتر است کنترل را به صورت حلقه باز انجام دهید. سیستم کنترل حلقه بسته تنها هنگامی برتری خود را نشان می دهد که اغتشاش های پیش بینی نشده و یا تغییرات غیرقابل پیش بینی بین اجزای سیستم وجود داشته باشد.
   توجه کنید که قدرت خروجی تا حدی هزینه، وزن و اندازه سیستم کنترل را تعیین می کند. تعداد اجزای سیستم کنترل حلقه بسته، از تعداد اجزای سیستم کنترل حلقه باز بیشتر است؛ بنابراین سیستم کنترل حلقه بسته معمولا گران تر است و توان بیشتری می خواهد. برای کاهش توان لازم سیستم، می توانید در صورت امکان از کنترل حلقه باز استفاده کنید. معمولاً ترکیب کنترل های حلقه باز و حلقه بسته ارزان تر است و عملکرد مطلوب برای کل سیستم را به همراه دارد.

نمونه هایی از سیستم های کنترل

سیستم کنترل سرعت
 مقدار سوختی که به ماشین می رسد، بر اساس تفاضل سرعت مطلوب و سرعت واقعی ماشین تنظیم می شود. برای کنترل سرعت یک ماشین، رشته عملیات کنترلی به گونه ای انجام می شود که در سرعت مطلوب، روغن تحت فشار به سیلندر قدرت وارد نشود. اگر سرعت موتور در اثر اغتشاش از حد مطلوب کمتر شود، شیر کنترل به سمت پایین حرکت می کند.
این حرکت باعث افزایش ورود سوخت می شود و سبب می شود که سرعت افزایش یابد تا به حد مطلوب برسد. اگر سرعت موتور بیشتر از حد مطلوب شود، شیر کنترل به سمت بالا حرکت می کند. این حرکت باعث کاهش ورود سوخت می شود، در نتیجه سرعت ماشین کاهش می یابد و به حد مطلوب می رسد. در سیستم کنترل سرعت، دستگاه (سیستم تحت کنترل) ماشین و متغیر تحت کنترل سرعت آن است.
 تفاضل بین سرعت مطلوب و سرعت واقعی ماشین را سیگنال خطا گویند. سیگنال کنترل، مقدار سوختی است که به ماشین اعمال می شود.
ورودی های خارجی که باعث تغییر متغیر تحت کنترل می شوند، اغتشاش نامیده می شوند. به عنوان مثال تغییر غیر منتظره بار ماشین یک اغتشاش است.

سیستم کنترل ربات

از ربات ها برای افزایش بازدهی در صنعت استفاده می شود. ربات ها کارهای یکنواخت و پیچیده را به خوبی انجام می دهند و می توانند در محیط های غیرقابل تحمل برای انسان (مثل دماهای غیر عادی خیلی زیاد و خیلی کم) یا در فشارهای بالا و پایین کار کنند؛ مانند ربات های خاصی که در آتش نشانی، تحقیقات زیر دریایی، اکتشافات فضایی و غیره استفاده می شوند.
ربات های صنعتی دارای نوعی وسیله حس کننده هستند. ربات اول وسیله را لمس کرده و وجود آن در فضا را تأیید می کند سپس سراغ گام بعدی، مثلاً برداشتن آن می رود.
در ربات های پیچیده تر یک وسیله بصری (مثلاً یک سیستم تلویزیونی) برای دیدن اجسام اطراف بکار می رود. این وسیله الگوی جسم را تشخیص داده، بودن یا نبودن جسم را معین می کند. برای پردازش سیگنال ها جهت تشخیص الگو از کامپیوتر استفاده می شود. در بعضی کاربردها ربات با استفاده از فرآیندهای تشخیص الگو، وجود و جهت اشیاء را با توجه به بارکد کالا تشخیص می دهد، سپس آن را برداشته و به محل نصب می برد. در این سیستم یک کامپیوتر با برنامه ای دقیق عمل کنترل را انجام می دهد.