سیستم های کنترل

کنترل در حالت کلی به فرآیندی گفته می شود که طی آن یک سیستم فرضی در شرایط تنظیم شده و مطلوب بتواند فعالیت مطلوب را انجام می دهد. این روند می تواند از یک فرآیند ساده به صورت حلقه باز انجام گیرد یا اینکه بصورت حلقه بسته انجام شود. در علم کنترل همواره روش های کنترلی با توجه به پیچیدگی سیستم و شرایط قرار گرفته آن انتخاب می شوند. به عنوان مثال هنگامی که یک سیستم با کنترل کننده PID بتواند به پایداری مطلوب برسد نیاز نیست که از یک کنترل کننده غیرخطی پیچیده تر استفاده کرد مگر آنکه مشخصات زمانی در حالت با کنترل کننده ساده مطلوب ما نباشد.

در این مطالعه قصد آن را داریم که سیستم های کنترل حلقه باز و حلقه بسته را به طور کلی مورد مطالعه قرار دهیم.

سیستم های کنترل حلقه باز

در یک بیان کلی می توان گفت پیکربندی حلقه باز وضعیت سیگنال خروجی خود را نظارت یا اندازه گیری نمی کند زیرا فیدبک وجود ندارد. یک سیستم را می توان به عنوان مجموعه ای از زیرسیستم ها تعریف کرد که سیگنال ورودی را هدایت یا کنترل می کند تا شرایط خروجی مورد نظر را ایجاد کند. عملکرد هر سیستم الکترونیکی تنظیم خودکار خروجی و نگه داشتن آن در مقدار ورودی یا «نقطه تنظیم» مورد نظر سیستم است. اگر ورودی سیستم به هر دلیلی تغییر کند، خروجی سیستم باید مطابق با آن پاسخ دهد و خود را تغییر دهد تا مقدار ورودی جدید را منعکس کند.

به همین ترتیب، اگر اتفاقی (مانند اغتشاش) بیفتد که خروجی سیستم را بدون تغییر در مقدار ورودی مختل کند، خروجی باید با بازگشت به مقدار تنظیم شده قبلی خود پاسخ دهد. در گذشته، سیستم‌های کنترل الکتریکی اساساً دستی یا سیستم حلقه باز نامیده می‌شدند که ویژگی‌های کنترل خودکار یا بازخورد بسیار کمی برای تنظیم متغیر فرآیند به منظور حفظ سطح یا مقدار خروجی مورد نظر تعبیه شده بود.

به عنوان مثال، یک خشک کن برقی، بسته به مقدار لباس یا میزان مرطوب بودن آنها، توسط یک کاربر یا اپراتور برای گرفتن 30 دقیقه تنظیم می کند و در پایان 30 دقیقه خشک کن به طور خودکار متوقف می شود و خاموش می شود حتی اگر لباس هنوز مرطوب باشد. در این حالت، عمل کنترل این است که اپراتور دستی رطوبت لباس را ارزیابی کرده و فرآیند (خشک کن) را بر اساس آن تنظیم می کند. بنابراین در این مثال، خشک کن لباس یک سیستم حلقه باز خواهد بود زیرا وضعیت سیگنال خروجی را که خشکی لباس است، نظارت یا اندازه گیری نمی کند. تحت این شرایط دقت فرآیند خشک کردن یا موفقیت در خشک کردن لباس به تجربه کاربر (اپراتور) بستگی دارد.

با این حال، کاربر ممکن است در هر زمان که بخواهد با افزایش یا کاهش زمان خشک کردن کنترل‌کننده‌های زمان‌بندی، فرآیند خشک‌کردن سیستم را تنظیم کند، اگر فکر می‌کند که فرآیند خشک‌کردن اولیه انجام نمی‌شود با افزایش کنترل زمان به 40 دقیقه برای افزایش روند خشک کردن می تواند به خشک شدن بهتر کمک کند. دیاگرام بلوک حلقه باز زیر را در نظر بگیرید

شکل 1) سیستم کنترل حلقه باز برای یک خشک کن

بنابراین یک سیستم حلقه باز که به آن سیستم بدون بازخورد نیز می گویند، نوعی سیستم کنترل پیوسته است که در آن خروجی هیچ تأثیری بر عملکرد کنترل سیگنال ورودی ندارد. به عبارت دیگر، در یک سیستم کنترل حلقه باز خروجی برای مقایسه با ورودی نه اندازه گیری می شود و نه “بازخورد” می شود. بنابراین، از یک سیستم حلقه باز انتظار می رود که بدون توجه به نتیجه نهایی، دستور ورودی یا نقطه تنظیم خود را صادقانه دنبال کند.

همچنین، یک سیستم حلقه باز هیچ اطلاعی از شرایط خروجی ندارد، بنابراین نمی‌تواند خطاهایی را که ممکن است در هنگام جابجایی مقدار از پیش تعیین شده ایجاد کند، خود تصحیح کند، حتی اگر این رویداد منجر به انحرافات زیادی از مقدار از پیش تعیین شده شود.

اغتشاش در سیستم های حلقه باز

یکی دیگر از معایب سیستم های حلقه باز این است که برای کنترل اختلالات یا تغییرات در شرایط ضعیفی هستند که ممکن است توانایی آن را برای تکمیل کار مورد نظر کاهش دهد. به عنوان مثال، درب خشک کن باز می شود و گرما از بین می رود. کنترل‌کننده زمان بدون توجه به اغتشاش پیش آمده در 30 دقیقه کامل ادامه می‌دهد، اما لباس‌ها در پایان فرآیند خشک کردن گرم یا خشک نمی‌شوند. این به این دلیل است که هیچ فیدبکی برای حفظ دمای خشک کن وجود ندارد.

شکل 2 ) اغتشاش در مسیر کنترل حلقه باز

بنابراین  می بینیم که خطاهای سیستم حلقه باز می تواند فرآیند خشک کردن را مختل کند و نتیجتا نیاز به توجه نظارتی اضافی یک کاربر (اپراتور) دارد. مشکل این روش کنترل پیش‌بینی این است که کاربر باید مرتباً به دمای فرآیند نگاه کند و هر زمان که فرآیند خشک کردن از مقدار مورد نظر خود یعنی خشک کردن لباس منحرف شد، هرگونه اقدام کنترلی اصلاحی را انجام دهد. به این نوع کنترل حلقه باز دستی که قبل از وقوع یک خطا واکنش نشان می دهد، کنترل فید فوروارد نامیده می شود

هدف از کنترل پیش‌خور، که به عنوان کنترل پیش‌بینی نیز شناخته می‌شود، اندازه‌گیری یا پیش‌بینی هرگونه اختلال بالقوه حلقه باز و جبران آن‌ها به صورت دستی قبل از اینکه متغیر کنترل‌شده خیلی از نقطه تنظیم اولیه منحرف شود، است. بنابراین برای مثال ساده ما در بالا، اگر درب خشک کن باز بود، شناسایی و بسته می شد و اجازه می داد روند خشک کردن ادامه یابد.

شکل 3 ) سیستم کنترل در حضور اندازه گیر برای اغتشاش خارجی

اگر این عملیات به درستی اعمال شود، انحراف از لباس خیس به لباس خشک در پایان 30 دقیقه حداقل خواهد بود اگر کاربر به وضعیت خطا (باز شدن در) خیلی سریع پاسخ دهد. با این حال، اگر سیستم تغییر کند، این رویکرد پیش‌خور ممکن است کاملاً دقیق نباشد، برای مثال افت دمای خشک کردن در طول فرآیند 30 دقیقه‌ای مشاهده نشد.

ویژگی های سیستم حلقه باز

سپس می‌توانیم ویژگی‌های اصلی یک «سیستم حلقه باز» را به این صورت تعریف کنیم:

• هیچ مقایسه ای بین مقادیر واقعی و مطلوب وجود ندارد.
• یک سیستم حلقه باز هیچ اقدام خودتنظیمی یا کنترلی بر روی مقدار خروجی ندارد.
• هر تنظیم ورودی یک موقعیت عملیاتی ثابت را برای کنترلر تعیین می کند.
• تغییرات یا اختلالات در شرایط خارجی منجر به تغییر مستقیم خروجی نمی شود (مگر اینکه تنظیمات کنترلر به صورت دستی تغییر داده شود.

بیان ریاضی یک سیستم حلقه باز – تابع تبدیل

هر سیستم حلقه باز را می توان به صورت چند بلوک آبشاری به صورت سری یا یک بلوک دیاگرام منفرد با ورودی و خروجی نشان داد. بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه باز نشان می دهد که مسیر سیگنال از ورودی به خروجی نشان دهنده یک مسیر خطی بدون حلقه بازخورد است و برای هر نوع سیستم کنترلی به ورودی با نام θi و خروجی θo داده می شود.

به طور کلی، ما مجبور نیستیم نمودار بلوک حلقه باز را برای محاسبه تابع انتقال واقعی آن دستکاری کنیم. ما فقط می توانیم روابط یا معادلات مناسب را از هر بلوک دیاگرام بنویسیم و سپس تابع انتقال نهایی را مطابق شکل از این معادلات محاسبه کنیم.

شکل 4 ) نمایش سیستم حلقه باز به صورت تابع تبدیل های متوالی

تابع انتقال هر بلوک به صورت زیر است:

G1(s) = θ1(s)/θi(s)  &  G2(s) = θ2(s)/θ2(s)  &  G3(s) = θo(s)/θ2(s)

تابع انتقال کلی به صورت زیر ارائه می شود:

G(s) = G1*G2*G3

نهایتا بهره حلقه باز به سادگی به صورت زیر داده می شود:

G(s) = θo(s)/θi(s)

هنگامی که G تابع انتقال سیستم یا زیرسیستم را نشان می دهد، می توان آن را به صورت زیر بازنویسی کرد: G(s) = θo(s)/θi(s)

سیستم‌های کنترل حلقه باز اغلب برای فرآیندهایی استفاده می‌شوند که به منظور اجرای فرآیند به عملیات سیگنال‌های «ON-OFF» نیاز دارند. به عنوان مثال ماشین لباسشویی که نیاز به روشن شدن آب دارد و بعد از روشن شدن کامل آب خاموش می شود و سپس المنت بخاری روشن می شود تا آب گرم شود و سپس در دمای مناسب خاموش می شود. و غیره

این نوع کنترل حلقه باز «ON-OFF» برای سیستم‌هایی مناسب است که تغییرات بار به کندی اتفاق می‌افتد و فرآیند بسیار کند عمل می‌کند و نیاز به تغییرات نادر در عملکرد کنترل توسط اپراتور دارد.

خلاصه سیستم های کنترل حلقه باز

دیده‌ایم که یک کنترل‌کننده می‌تواند ورودی‌های خود را دستکاری کند تا اثر مورد نظر را بر روی خروجی یک سیستم به دست آورد. یکی از انواع سیستم های کنترلی که در آن خروجی هیچ تاثیر یا تاثیری بر عملکرد کنترل سیگنال ورودی ندارد، سیستم حلقه باز نامیده می شود.

یک “سیستم حلقه باز” با این واقعیت تعریف می شود که سیگنال یا شرایط خروجی برای مقایسه با سیگنال ورودی یا نقطه تنظیم سیستم نه اندازه گیری می شود و نه “بازخورد” می شود. بنابراین سیستم های حلقه باز معمولاً به عنوان “سیستم های بدون بازخورد” شناخته می شوند.

همچنین، از آنجایی که یک سیستم حلقه باز برای تعیین اینکه آیا خروجی مورد نیاز خود به دست آمده است از بازخورد استفاده نمی‌کند، «فرض می‌کند» که هدف مورد نظر از ورودی موفقیت‌آمیز بوده است، زیرا نمی‌تواند خطاهایی را که می‌تواند مرتکب شود و همچنین اغتشاشات خارجی را تصحیح کند، و بنابراین نمی‌تواند هیچ‌یک از آنها را جبران کند.

کنترل موتور حلقه باز

به عنوان مثال، کنترل کننده موتور DC را مطابق شکل فرض کنید. سرعت چرخش موتور به ولتاژی که توسط پتانسیومتر به تقویت کننده (کنترل کننده) می رسد بستگی دارد. مقدار ولتاژ ورودی می تواند متناسب با موقعیت پتانسیومتر باشد.

شکل 5 ) کنترل حلقه باز با استفاده از پتانسیومتر برای یک موتور DC

اگر پتانسیومتر به بالای مقاومت منتقل شود، حداکثر ولتاژ مثبت به تقویت کننده ارائه می شود که نشان دهنده سرعت کامل است. به همین ترتیب، اگر عقربه پتانسیومتر به پایین مقاومت منتقل شود، ولتاژ صفر ارائه می شود که نشان دهنده سرعت یا توقف بسیار کند است.

سپس موقعیت لغزنده پتانسیومتر ورودی، θi را نشان می دهد که توسط تقویت کننده (کنترل کننده) تقویت می شود تا موتور DC (فرآیند) را با سرعت تنظیم شده N نشان دهنده خروجی θo سیستم باشد. موتور با سرعت ثابتی که با موقعیت پتانسیومتر تعیین می شود به چرخش ادامه می دهد.

از آنجایی که مسیر سیگنال از ورودی به خروجی یک مسیر مستقیم است که بخشی از هیچ حلقه ای را تشکیل نمی دهد، بهره کلی سیستم مقادیر آبشاری بهره های فردی از پتانسیومتر، تقویت کننده، موتور و بار را تشکیل می دهد. به وضوح مطلوب است که سرعت خروجی موتور باید با موقعیت پتانسیومتر یکسان باشد و بهره کلی سیستم را به عنوان یک واحد نشان دهد.

با این حال، بهره‌های جداگانه پتانسیومتر، تقویت‌کننده و موتور ممکن است در طول زمان با تغییر ولتاژ یا دما تغییر کند، یا بار موتور ممکن است افزایش یابد که نشان‌دهنده اختلالات خارجی در سیستم کنترل موتور حلقه باز است.

اما کاربر در نهایت از تغییر در عملکرد سیستم (تغییر سرعت موتور) آگاه خواهد شد و ممکن است آن را با افزایش یا کاهش سیگنال ورودی پتانسیومتر برای حفظ سرعت اولیه یا دلخواه اصلاح کند.

مزایای این نوع “کنترل موتور حلقه باز” این است که به طور بالقوه ارزان و ساده برای پیاده سازی است و آن را برای استفاده در سیستم های کاملاً تعریف شده ایده آل می کند، در صورتی که رابطه بین ورودی و خروجی مستقیم باشد و تحت تأثیر هیچ گونه اختلال بیرونی قرار نگیرد. متأسفانه این نوع سیستم حلقه باز ناکافی است زیرا تغییرات یا اختلالات در سیستم بر سرعت موتور تأثیر می گذارد. بنابراین شکل دیگری از کنترل مورد نیاز است.

منبع :

آموزش های الکترونیک