نظام تحكم

منظم مركزي وهو آلية التحكم التناسبية الأولية.

يدير نظام تحكم control system أو يسيطر أو يوجه أو ينظم سلوك الأجهزة أو الأنظمة الأخرى باستخدام حلقة تحكم. يمكن أن تتراوح من وحدة تحكم في تدفئة منزل واحد باستخدام ثرموستات للتحكم في غلاية منزلية إلى نظام تحكم صناعي كبير يتم استخدامه للتحكم في عمليات المعالجة أو الآلات.

للتحكم المستمر في تعديل حالة العملية ، يتم استخدام وحدة تحكم التغذية العكسية للتحكم تلقائيًا في العملية أو التشغيل. يقارن نظام التحكم قيمة أو حالة متغير العملية (PV) الذي يتم التحكم فيه بالقيمة المطلوبة أو نقطة مرجعية (SP) ، ويطبق الفرق كإشارة تحكم على جعل ناتج المتغير للعملية إلى نفس القيمة مثل النقطة المرجعية.

بالنسبة إلى التتابع و المنطق التوافقي ، المنطق البرمجي ، كما هو الحال في وحدة تحكم المنطق القابلة للبرمجة ، التي يتم استخدامها.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تحكم ذو حلقة مفتوحة وحلقة مغلقة

هناك صنفان شائعات من إجراءات التحكم: حلقة مفتوحة وحلقة مغلقة. في نظام التحكم ذو الحلقة المفتوحة ، يكون إجراء التحكم من وحدة التحكم مستقلاً عن متغير العملية. مثال على ذلك هو غلاية التدفئة المركزية التي يتم التحكم فيها فقط بواسطة جهاز توقيت. إجراء التحكم هو تشغيل أو إيقاف تشغيل المرجل. متغير العملية هو درجة حرارة المبنى. تعمل وحدة التحكم هذه على تشغيل نظام التسخين لفترة ثابتة بغض النظر عن درجة حرارة المبنى.

في نظام التحكم بحلقة مغلقة ، يعتمد إجراء التحكم من وحدة التحكم على متغير العملية المطلوب والفعلي. في حالة تشابه الغلاية ، سيستخدم هذا ترموستات لمراقبة درجة حرارة المبنى ، وتغذية الإشارة مرة أخرى للتأكد من أن خرج وحدة التحكم يحافظ على درجة حرارة المبنى قريبة من تلك التي تم ضبطها على الترموستات. تحتوي وحدة التحكم في الحلقة المغلقة على حلقة تغذية عكسية تضمن أن وحدة التحكم تمارس إجراء تحكم للتحكم في متغير العملية بنفس قيمة النقطة المرجعية. لهذا السبب ، تسمى وحدات التحكم ذات الحلقة المغلقة أيضًا وحدات تحكم التغذية العكسية.^[1]

أنظمة تحكم التغذية العكسية

مثال على حلقة تحكم صناعية واحدة ؛ تُظهر التحكم المُعدّل باستمرار في تدفق العملية.

حلقة تغذية عكسية أساسية

في حالة الأنظمة ذات التغذية العكسية الخطية ، يتم ترتيب حلقة التحكم بما في ذلك الحساسات ، وخوارزميات التحكم ، والمحركات في محاولة لتنظيم متغير في نقطة مرجعية (SP). مثال اعتيادي هو مثبت السرعة على مركبة في الطريق ؛ حيث تتسبب التأثيرات الخارجية مثل التلال في تغيرات السرعة ، ولدى السائق القدرة على تغيير السرعة المضبوطة المطلوبة. تعيد خوارزمية PID في وحدة التحكم السرعة الفعلية إلى السرعة المطلوبة بالطريقة المثلى ، بأقل تأخير أو تجاوز السرعة ، عن طريق التحكم في خرج الطاقة لمحرك السيارة.

تستخدم أنظمة التحكم التي تتضمن بعض الاستشعار بالنتائج التي تحاول تحقيقها التغذية العكسية ويمكن أن تتكيف مع الظروف المختلفة إلى حد ما. أنظمة التحكم في الحلقة المفتوحة لا تستخدم التغذية العكسية ، ولا يتم تشغيلها إلا بطرق مرتبة مسبقًا.

تحكم منطقي

تم تطبيق أنظمة التحكم المنطقي للآلات الصناعية والتجارية تاريخياً بواسطة مبدل كهربائي مترابط و مؤقت جركة باستخدام منطق لادر. اليوم ، يتم إنشاء معظم هذه الأنظمة باستخدام متحكمات صغرية أو وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLCs) أكثر تخصصًا. من الملاحظ أن منطق لادر لا يزال قيد الاستخدام كطريقة برمجة لـ PLCs.^[2]

قد تستجيب وحدات التحكم المنطقية للمفاتيح وأجهزة الاستشعار ، ويمكن أن تتسبب في بدء تشغيل الآلة وإيقاف العمليات المختلفة من خلال استخدام المشغلات. يتم استخدام وحدات التحكم المنطقية لتسلسل العمليات الميكانيكية في العديد من التطبيقات. تشمل الأمثلة المصاعد والغسالات والأنظمة الأخرى ذات العمليات المترابطة. قد يؤدي نظام التحكم التسلسلي التلقائي إلى تشغيل سلسلة من المحركات الميكانيكية في التسلسل الصحيح لأداء مهمة. على سبيل المثال ، قد تقوم العديد من محولات الطاقة الكهربائية والهوائية بطي ولصق صندوق من الورق المقوى ، وملئه بالمنتج ثم ختمه في آلة تعبئة أوتوماتيكية.

يمكن كتابة برنامج PLC بعدة طرق مختلفة - مخططات السلم ، SFC (مخطط التوابع المتسلسلة) أو قوائم البيانات.^[3]

التحكم في التشغيل و الإيقاف

يستخدم التحكم في الإيقاف وحدة تحكم التغذية العكسية التي تتحول فجأة بين حالتين. يمكن وصف وحدة تحكم منزلية بسيطة ثنائية المعدن ثرموستات بوحدة تحكم تشغيل و إيقاف. عندما تنخفض درجة الحرارة في الغرفة (PV) عن إعداد المستخدم (SP) ، يتم تشغيل السخان. مثال آخر هو مفتاح الضغط على ضاغط الهواء. عندما ينخفض الضغط (PV) تحت نقطة مرجعية (SP) ، يتم تشغيل الضاغط. تحتوي الثلاجات ومضخات التفريغ على آليات مماثلة. يمكن أن تكون أنظمة التحكم البسيطة مثل هذه رخيصة وفعالة.

تحكم خطي

تستخدم أنظمة التحكم الخطي تغذية عكسية سلبية لإنتاج إشارة تحكم للحفاظ على PV المتحكم فيه عند النقاط المرجعية المطلوبة. هناك عدة أنواع من أنظمة التحكم الخطي بقدرات مختلفة.

تحكم تناسبي

استجابات الخطوة لنظام الترتيب الثاني المحدد بواسطة تابع النقل

H(s)={\frac {\omega _{n}^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega _{n}s+\omega _{n}^{2}}}

, حيث

\zeta

هي نسبة التخميد و

\omega _{n}

هو التردد الطبيعي غير المخمد.

التحكم النسبي هو نوع من نظام التحكم في التغذية المرتدة الخطية حيث يتم تطبيق التصحيح على المتغير المتحكم فيه والذي يتناسب مع الفرق بين القيمة المطلوبة (SP) والقيمة المقاسة (PV). مثالان ميكانيكيان كلاسيكيان هما صمام التناسب العائم لحوض مرحاض و منظم الطرد المركزي.

يعتبر نظام التحكم التناسبي أكثر تعقيدًا من نظام تحكم إيقاف-تشغيل، ولكنه أبسط من نظام التحكم المتناسب المتكامل - المشتق (PID) المستخدم ، على سبيل المثال ، في مثبت السرعة للسيارة. ستعمل ميزة التحكم في إيقاف التشغيل على الأنظمة التي لا تتطلب دقة عالية أو استجابة ، ولكنها ليست فعالة للتصحيحات والاستجابات السريعة وفي الوقت المناسب. يتغلب التحكم التناسبي على ذلك عن طريق تعديل المتغير المُعالج (MV) ، مثل صمام التحكم ، على مستوى الربح الذي يتجنب عدم الاستقرار ، ولكنه يطبق التصحيح بأسرع ما يمكن من خلال تطبيق الكمية المثلى للتصحيح التناسبي.

من عيوب التحكم التناسبي أنه لا يستطيع إزالة الخطأ SP – PV المتبقي ، لأنه يتطلب خطأً لتوليد خرج تناسبي. يمكن استخدام متحكم PI للتغلب على ذلك. يستخدم جهاز التحكم PI مصطلحًا تناسبياً (P) لإزالة الخطأ الإجمالي ، ومصطلحًا تكامليًا (I) لإزالة خطأ الإزاحة المتبقي من خلال دمج الخطأ بمرور الزمن.

في بعض الأنظمة ، هناك حدود عملية لنطاق MV. على سبيل المثال ، لدى السخان حد لمقدار الحرارة التي يمكن أن ينتجها ويمكن أن يفتح الصمام حتى هذا الحد. تعمل التعديلات على الربح في وقت واحد على تغيير نطاق قيم الخطأ التي يقع عليها MV بين هذه الحدود. عرض هذا النطاق ، هو وحدات متغير الخطأ وبالتالي PV ، والمسمى بالنطاق النسبي (PB).

مثال الفرن

عند التحكم في درجة حرارة الأفران الصناعية ، من الأفضل عادةً التحكم في فتح صمام الوقود "بالتناسب مع" الاحتياجات الحالية للفرن. هذا يساعد على تجنب الصدمات الحرارية وتطبيق الحرارة بشكل أكثر فعالية.

عند الربح المنخفض ، يتم تطبيق إجراء تصحيحي صغير فقط عند اكتشاف الأخطاء. قد يكون النظام آمنًا ومستقرًا ، ولكنه قد يكون بطيئًا استجابةً للظروف المتغيرة. ستبقى الأخطاء غير مصححة لفترات زمنية طويلة نسبيًا والنظام أصبح زائد التخميد. إذا تم زيادة الكسب التناسبي ، تصبح هذه الأنظمة أكثر استجابة ويتم التعامل مع الأخطاء بسرعة أكبر. هناك قيمة مثلى لإعداد الربح عندما يقال أن النظام الإجمالي مخمَّد حدياً. تؤدي الزيادات في ربح الحلقة بعد هذه النقطة إلى حدوث تذبذبات في PV وهذا النظام ناقص التخميد. يُعرف ضبط الربح لتحقيق سلوك تخميد بالغ الأهمية باسم "ضبط" نظام التحكم.

يسخن الفرن سريعًا في الحالة ناقصة التخميد. بمجرد الوصول إلى النقطة المرجعية ، فإن الحرارة المخزنة داخل النظام الفرعي للسخان وفي جدران الفرن ستحافظ على ارتفاع درجة الحرارة المقاسة بما يتجاوز المطلوب. بعد الارتفاع فوق نقطة التحديد ، تنخفض درجة الحرارة ويتم تطبيق الحرارة في النهاية مرة أخرى. أي تأخير في إعادة تسخين النظام الفرعي للسخان يسمح لدرجة حرارة الفرن أن تنخفض أكثر من النقطة المرجعية وتكرر الدورة. إن تذبذبات درجة الحرارة التي ينتجها نظام التحكم في الفرن الناقص التخميد غير مرغوب فيها.

في نظام مخمد بشكل حدي ، مع اقتراب درجة الحرارة من النقطة المرجعية ، يبدأ انخفاض مدخلات الحرارة ، ومعدل تسخين الفرن الذي يملك الوقت للإبطاء ويتجنب النظام التجاوز. يتم أيضًا تجنب التجاوز في نظام زائد التخميد ، لكن يكون النظام الناقص التخميد بطيء بشكل غير ضروري للوصول إلى النقطة المحددة في البداية للاستجابة للتغيرات الخارجية في النظام ، على سبيل المثال فتح باب الفرن.

تحكم PID

مخطط صندوقي لمتحكم PID

تأثيرات پارامترات PID المختلفة (K_p,K_i,K_d) على استجابة الخطوة للنظام.

يجب أن تعمل وحدات التحكم التناسبية الصافية مع وجود خطأ متبقي في النظام. على الرغم من أن وحدات التحكم PI تقضي على هذا الخطأ ، إلا أنها لا تزال بطيئة أو تنتج تذبذبات. تعالج وحدة تحكم PID هذه العيوب النهائية من خلال تقديم إجراء مشتق (D) للحفاظ على الاستقرار أثناء تحسين الاستجابة.

تأثير الاشتقاق

يهتم المشتق بمعدل التغير للخطأ بمرور الزمن: إذا اقترب المتغير المقاس من نقطة التحديد بسرعة ، يتم إيقاف تشغيل المحرك مبكرًا للسماح له بالرجوع إلى المستوى المطلوب ؛ وبالعكس ، إذا بدأت القيمة المقاسة في التحرك بسرعة بعيدًا عن نقطة التحديد ، فسيتم بذل تأثير إضافي — بما يتناسب مع تلك السرعة للمساعدة في إرجاعها.

في أنظمة التحكم التي تنطوي على التحكم في الحركة لعنصر ثقيل مثل بندقية أو كاميرا على مركبة متحركة ، يمكن للعملية المشتقة لوحدة تحكم PID المضبوطة جيدًا أن تسمح لها بالوصول إلى نقطة ضبط والحفاظ عليها بشكل أفضل من معظم العاملين البشريين المهرة. إذا تم تطبيق الإجراء المشتق بشكل مفرط ، فإنه مع ذلك يمكن أن ينتج تذبذبات.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

تأثير التكامل

تغيير استجابة نظام الدرجة الثانية لإدخال خطوة لتغيير قيم Ki.

يزيد المصطلح التكامل من تأثير أخطاء الحالة المستقرة طويلة المدى ، ويطبق تأثيراً متزايدًا حتى يتم إزالة الخطأ. في مثال الفرن أعلاه يعمل في درجات حرارة مختلفة ، إذا كانت الحرارة التي يتم تطبيقها لا تجعل الفرن يصل إلى النقطة المرجعية ، لأي سبب من الأسباب ، فإن الإجراء التكامل "يحرك" بشكل متزايد النطاق التناسبي بالنسبة للنقطة المحددة حتى يتم تقليل خطأ PV إلى صفر ويتم الوصول للنقطة المرجعية.

زيادة الانحدار % في الدقيقة

تتضمن بعض وحدات التحكم خيار تحديد "زيادة في النسبة المئوية للدقيقة". يمكن أن يكون هذا الخيار مفيدًا جدًا في تثبيت المراجل الصغيرة (3 MBTUH) ، خاصة خلال فصل الصيف ، أثناء الأحمال الخفيفة. قد تكون هناك حاجة إلى وحدة مرجل "لتغيير الحمل بمعدل يصل إلى 5٪ في الدقيقة (IEA Coal Online - 2، 2007)".^[4]قالب:Fv

تقنيات أخرى

من الممكن ل مرشح PV أو إشارة الخطأ. يمكن أن يقلل ذلك من استجابة النظام للترددات غير المرغوب فيها ، للمساعدة في تقليل عدم الاستقرار أو التذبذبات. تتأرجح بعض أنظمة التغذية المرتدة بتردد واحد فقط. من خلال تصفية هذا التردد ، يمكن تطبيق المزيد من التغذية العكسية "الصارمة" ، مما يجعل النظام أكثر استجابة دون أن يهتز بذات نفسه.

يمكن الجمع بين أنظمة التغذية العكسية. ففي عنصر تحكم متسلسل ، تطبِّق حلقة تحكم واحدة خوارزميات التحكم على متغير تم قياسه مقابل نقطة ضبط ، ولكنها توفر بعد ذلك نقطة ضبط مختلفة لحلقة تحكم أخرى بدلاً من التأثير على متغيرات العملية مباشرة. إذا كان النظام يحتوي على العديد من المتغيرات المقاسة المختلفة التي يمكن التحكم فيها ، فستظهر أنظمة تحكم منفصلة لكل منها.

تنتج هندسة التحكم في العديد من التطبيقات أنظمة تحكم أكثر تعقيدًا من تحكم PID. ومن الأمثلة على هذه المجالات أنظمة التحكم بالطائرات السلكية والمصانع الكيماوية ومصافي النفط. تم تصميم أنظمة التحكم التنبئي النموذجي باستخدام برامج تصميم متخصصة بمساعدة الكمبيوتر ونماذج رياضية تجريبية للنظام الذي سيتم التحكم فيه.

تستخدم الأنظمة الهجينة من PID والتحكم المنطقي على نطاق واسع. قد يتداخل الناتج من وحدة تحكم خطية بواسطة المنطق على سبيل المثال.

المنطق الضبابي

المنطق الضبابي هو محاولة لتطبيق التصميم السهل لوحدات التحكم المنطقية للتحكم في الأنظمة المعقدة المتغيرة باستمرار. في الأساس ، يمكن أن يكون القياس في نظام المنطق الضبابي صحيحًا جزئيًا ، أي إذا كانت الإجابة بنعم 1 و لا 0 ، يمكن أن يكون القياس الضبابي بين 0 و 1.

تتم كتابة قواعد النظام بلغة طبيعية وترجمتها إلى منطق غامض. على سبيل المثال ، سيبدأ تصميم الفرن بـ: "إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا ، قلل الوقود إلى الفرن. إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا ، قم بزيادة الوقود إلى الفرن."

يتم تحويل القياسات من العالم الحقيقي (مثل درجة حرارة الفرن) إلى قيم بين 0 و 1 من خلال رؤية مكان سقوطها على مثلث. عادة ، يكون رأس المثلث هو أقصى قيمة ممكنة تترجم إلى 1.

ومن ثم ، فإن المنطق الضبابي يعدل المنطق البولياني ليكون حسابيًا. عادة ما تكون العملية "لا" "output = 1 - input," the "و" تكون العملية "output = input.1 multiplied by input.2," و "or" is "output = 1 - ((1 - input.1) مضاعفةب (1 - input.2))". ينخفض هذا إلى حساب منطقي إذا كانت القيم مقيدة بـ 0 و 1 ، بدلاً من السماح بنطاقها في فاصلة الوحدة [0،1].

الخطوة الأخيرة هي "إبطال ضبابية" الناتج. في الأساس ، تجعل الحسابات مشوشة القيمة بين صفر وواحد. يتم استخدام هذا الرقم لتحديد قيمة على خط يحول ميله وارتفاعه القيمة المشوشة إلى رقم إخراج حقيقي. ثم يقوم الرقم بالتحكم في الآلات الحقيقية.

إذا تم تعريف المثلثات بشكل صحيح والقواعد صحيحة ، يمكن أن تكون النتيجة نظام تحكم جيد.

عندما يتم تقليل التصميم الضبابي القوي إلى عملية حسابية واحدة وسريعة ، فإنه يبدأ في تشابه حل حلقة التغذية العكسية التقليدية وقد يبدو أن التصميم الضبابي غير ضروري. ومع ذلك ، قد يوفر النموذج المنطقي الغامض قابلية التوسع لأنظمة التحكم الكبيرة حيث تصبح الأساليب التقليدية غير عملية أو مكلفة للاشتقاق.

الإلكترونيات الضبابية هي تقنية إلكترونية تستخدم المنطق الضبابي بدلاً من المنطق ذي القيمة الأكثر استخدامًا في الإلكترونيات الرقمية.

التنفيذ الفيزيائي

غرفة تحكم DCS حيث يتم عرض معلومات المصنع وعناصر التحكم على شاشات رسومات الكمبيوتر. يجلس المشغلون حيث يمكنهم عرض والتحكم في أي جزء من العملية من شاشاتهم ، مع الاحتفاظ بنظرة عامة على المصنع.

لوحة تحكم لآلة ضغط الحرارة الهيدروليكية مع برنامج مخصص لهذه الوظيفة

نطاق التنفيذ من وحدة تحكم مدمجة غالبًا مع برامج مخصصة لآلة أو جهاز معين ، إلى أنظمة تحكم موزع للتحكم في العمليات الصناعية. عادةً ما يتم تنفيذ الأنظمة المنطقية ووحدات التحكم بالملاحظات مع وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة.

انظر أيضاً

مراجع

^ "Feedback and control systems" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams. Schaums outline series, McGraw-Hill 1967
^ Kuphaldt, Tony R. "Chapter 6 LADDER LOGIC". Lessons In Electric Circuits -- Volume IV. Archived from the original on 12 September 2010. Retrieved 22 September 2010.
^ Brady, Ian. "Programmable logic controllers - benefits and applications" (PDF). PLCs. Archived (PDF) from the original on 2 February 2014. Retrieved 5 December 2011.
^ "Energy Efficient Design of Auxiliary Systems in Fossil-Fuel Power Plants" (PDF). ABB. p. 262. Archived (PDF) from the original on 2014-08-05. Retrieved 2014-04-07. {{cite web}}: |section= ignored (help)

وصلات خارجية

هناك كتاب ، Control Systems، في معرفة الكتب.

Semiautonomous Flight Direction - Reference unmannedaircraft.org
Control System Toolbox for design and analysis of control systems.
Control Systems Manufacturer Design and Manufacture of control systems.
Mathematica functions for the analysis, design, and simulation of control systems
Python Control System (PyConSys) Create and simulate control loops with Python. AI for setting PID parameters.

الكلمات الدالة:

هندسة التحكم

[1] "Feedback and control systems" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams. Schaums outline series, McGraw-Hill 1967

[Kuphaldt_LADDER_LOGIC-2] Kuphaldt, Tony R. "Chapter 6 LADDER LOGIC". Lessons In Electric Circuits -- Volume IV. Archived from the original on 12 September 2010. Retrieved 22 September 2010.

[Ian_Brady_PLCs-3] Brady, Ian. "Programmable logic controllers - benefits and applications" (PDF). PLCs. Archived (PDF) from the original on 2 February 2014. Retrieved 5 December 2011.

[4] "Energy Efficient Design of Auxiliary Systems in Fossil-Fuel Power Plants" (PDF). ABB. p. 262. Archived (PDF) from the original on 2014-08-05. Retrieved 2014-04-07. {{cite web}}: |section= ignored (help)

[1]

[2]

[3]

[4]