سیستم های کنترلی در علوم مهندسی

کنترل یکی از شاخه های علوم مهندسی است که درمورد چگونگی تسلط بر پدیده ها و هدایت رفتار آنها صحبت می کند. سیستم های کنترلی در جای جای صنعت و علوم مختلف مورد استفاده قرار میگیرند.

در صنعت با فرآیندهایی سروکار داریم که بسیار متنوع و متفاوت اند. با این حال برای کنترل آنها اصول و اجزاء کم و بیش مشابه ای به کار می بریم.

به طور مثال یک آبگرمکن ساده را در نظر بگیرید که شامل مخزن سوخت، شیر کنترل، لوله های انتقال سوخت، مشعل صنعتی، تانک و لوله های سیال ورودی و خروجی می باشد. گرمای حاصل از احتراق سوخت در مشعل، بدنه تانک و در نتیجه سیال درون آن را گرم می کند، به منظور کنترل اندازه شعله از یک شیر کنترل در مسیر سوخت استفاده شده است.

چون هدف از ایجاد این سیستم گرم کردن سیال درون مخزن است بنابراین دمای سیال درون مخزن کمیت مورد نظر و یا خروجی این پروسه به شمار می رود که قصد کنترل آن را داریم.

 

بخش های یک سیستم کنترلی

ورودی سیستم و خروجی سیستم، دو بخش اصلی در سیستم های کنترلی به شمار میروند.

 

خروجی سیستم کنترل (System Output)

رفتارها یا تغییرات در یک پروسه که در اثر اعمال ورودی به آن ایجاد می شود و مورد نظر طراح آن سیستم است را خروجی سیستم می گویند.

 

ورودی سیستم (System Input)

مجموعه فرمان ها و عوامل خواسته یا ناخواسته که سبب هدایت و تغییر پروسه می شود را ورودی سیستم می گویند.

 

اغتشاش در سیستم های کنترلی (Disturbance)

ورودی های ناخواسته ای که در اثر تغییر شرایط استفاده از سیستم باعث انحراف خروجی از مقدار مطلوب می گردند. علم کنترل تلاش می کند اثر نامطلوب اینگونه ورودی ها را با پیاده سازی انواع روش های کنترلی جبران نماید.

در مثالی که مطرح کردیم، ورودی های دمای محیط، دمای سیال ورودی و حجم سیال درون مخزن اغتشاش وارد شده به سیستم به حساب می آیند.

 

حال مثالی که مطرح کردیم را کامل می کنیم:

بخش های اصلی در آبگرمکن ساده، یک ورودی و یک خروجی و یک منبع وجود دارد و شعله ای که آن سیال را گرم کند.

حال در نظر بگیرید که سیال با سرعت ثابت وارد مخزن می شود و شعله را روی مقداری ثابت تنظیم می کنیم. در این حالت در خروجی مخزن دمای ثابتی خواهیم داشت. این درحالت ایده آل است ولی در عمل (واقعیت) به این صورت نیست.

در واقعیت:

  • مورد اول: اگر سرعت ورودی سیال کم شود، دمای سیال خروجی مخزن افزایش می یابد و اگر سرعت ورودی سیال زیاد شود، دمای سیال خروجی مخزن کم می شود.
  • مورد دوم: اگر دمای محیط افزایش یابد، دمای سیال خروجی مخزن افزایش می یابد و اگر دمای محیط کاهش یابد، دمای سیال خروجی مخزن کاهش می یابد.
  • مورد سوم: اگر سیال ورودی گرمتر از حالت معمول باشد، دمای سیال خروجی مخزن افزایش و اگر سیال ورودی سردتر از  حالت معمول باشد، دمای سیال خروجی مخزن کاهش می یاید.
  • مورد چهارم: اگر در اثر تغییر در فشار گاز، میزان شعله تغییر کند، دمای سیال خروجی از مخزن تغییر می کند.

مواردی که نام برده شد هر یک به نوبه خود یک اغتشاش به حساب می آید و باید چاره ای برای این اغتشاشات اندیشید.

 

انواع سیستم های کنترلی

سیستم های کنترلی به دو دسته کلی سیستم های کنترل حلقه باز و سیستم های کنترل حلقه بسته تقسیم می شود.

 

سیستم کنترل حلقه باز (Open Control)

به طور کلی در این نوع سیستم ها ورودی بر اساس اطلاعات قبلی از مدل سیستم به منظور ایجاد خروجی معین به سیستم اعمال می شود.

به عنوان نمونه می توان یک کنترل کننده حلقه باز برای سیستم آبگرمکن در نظر گرفت به صورتی که شعله مخزن با یک سری اطلاعات قبلی تنظیم شود. مثلا در ساعات اولیه صبح که دمای محیط سردتر است میزان شعله بیشتر باشد و ظهر ها به دلیل گرمای هوا باید شعله کمتر از صبح باشد. یا مثلا باید شعله را با توجه به فصل تابستان و فصل زمستان تغییر داد.

در سیستم های کنترل حلقه باز خروجی به خروجی مطلوب ما نزدیکتر می شود اما باز هم به خروجی مطلوبی که ما می خواهیم نخواهیم رسید.

فقط در نظر داشته باشید که اثر اغتشاش در این نوع کنترل (حلقه باز) قابل جبران نیست و ورودی به سیستم بدون در نظر گرفتن اغتشاش و تنها به تجربه و آزمون و خطا اعمال می شود.

 

سیستم کنترل حلقه بسته (Close Loop Control) یا فیدبک (Feed Back)

کنترل حلقه بسته عبارت است از یک طرح در پروسه به منظور رسیدن به شرایط مطلوب. این طرح با مقایسه شرایط مورد نظر در پروسه با شرایط مطلوب و تصحیح عملیات بر اساس نتیجه مقایسه صورت می گیرد.

به عنوان نمونه می توان یک کنترل کننده حلقه بسته برای سیستم آبگرمکن در نظر گرفت به صورتی که یک سنسور دما، دمای سیال خروجی از مخزن را اندازه بگیرد و با توجه به میزان دما، شدت شعله را تنظیم می کند و اثر غتشاشات جبران می شود. به همین سادگی.

 

مقایسه سیستم کنترلی حلقه باز و حلقه بسته

مقایسه سیستم کنترل حلقه باز و حلقه بسته

 

پس نتیجه می گیریم که سیستم های کنترل حلقه بسته یکی از بهترین سیستم های کنترلی می باشد.

برخی از خصوصیات سیستم های حلقه بسته عبارت اند از:

  1. سیستم ناپایدار توسط حلقه یا المان های مناسب می تواند پایدار گردد.
  2. حساسیت نسبت به تغییر پارامترهای حلقه کاهش می یابد.
  3. اثر اغتشاش را کم می نماید.
  4. نزدیک بودن به فرآیند واقعی

 

و اما مشکل اصلی سیستم های کنترل حلقه بسته این است که هزینه ساخت سیستم کنترل حلقه بسته بیشتر از سیستم کنترل حلقه باز است.