نظام التحكم

يُعد منظم الطرد المركزي آلية تحكم تناسبية مبكرة .

يُدير نظام التحكم سلوك الأجهزة أو الأنظمة الأخرى، ويُصدر الأوامر لها، ويُوجّهها، أو يُنظّمها، باستخدام حلقات التحكم . ويتراوح نطاقه من وحدة تحكم بسيطة في التدفئة المنزلية تستخدم منظم حرارة للتحكم في غلاية منزلية، إلى أنظمة تحكم صناعية ضخمة تُستخدم للتحكم في العمليات أو الآلات. وتُصمّم أنظمة التحكم وفقًا لعملية هندسة التحكم .

في التحكم المُعدَّل باستمرار، يُستخدم مُتحكِّم التغذية الراجعة للتحكم التلقائي في عملية أو إجراء ما. يقارن نظام التحكم قيمة أو حالة متغير العملية (PV) الخاضع للتحكم بالقيمة المطلوبة أو نقطة الضبط (SP)، ويُطبِّق الفرق كإشارة تحكم لجعل خرج متغير العملية في المصنع مساويًا لقيمة نقطة الضبط.

بالنسبة للمنطق التتابعي والتوافقي ، يتم استخدام منطق البرمجيات ، كما هو الحال في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة .

التحكم ذو الحلقة المفتوحة والتحكم ذو الحلقة المغلقة

بشكل أساسي، هناك نوعان من حلقات التحكم: التحكم ذو الحلقة المفتوحة (التغذية الأمامية)، والتحكم ذو الحلقة المغلقة (التغذية الراجعة).

في نظام التحكم ذي الحلقة المفتوحة، يكون إجراء التحكم الصادر من وحدة التحكم مستقلاً عن "مخرجات العملية" (أو "متغير العملية المتحكم به"). ومن الأمثلة الجيدة على ذلك غلاية التدفئة المركزية التي يتم التحكم بها بواسطة مؤقت فقط، بحيث يتم تطبيق الحرارة لفترة زمنية ثابتة، بغض النظر عن درجة حرارة المبنى. يتمثل إجراء التحكم في تشغيل/إيقاف الغلاية، ولكن المتغير المتحكم به يجب أن يكون درجة حرارة المبنى، وهو ما لا يحدث لأن هذا نظام تحكم ذي حلقة مفتوحة للغلاية، والذي لا يوفر تحكمًا ذا حلقة مغلقة في درجة الحرارة.
في التحكم ذي الحلقة المغلقة، يعتمد إجراء التحكم الصادر من وحدة التحكم على مخرجات العملية. في حالة تشبيه الغلاية، يتضمن ذلك منظم حرارة لمراقبة درجة حرارة المبنى، ومن ثم إرسال إشارة لضمان حفاظ وحدة التحكم على درجة الحرارة المضبوطة على منظم الحرارة. لذلك، تحتوي وحدة التحكم ذات الحلقة المغلقة على حلقة تغذية راجعة تضمن قيامها بإجراء تحكم يُعطي مخرجات العملية نفس قيمة "المدخل المرجعي" أو "نقطة الضبط". لهذا السبب، تُسمى وحدات التحكم ذات الحلقة المغلقة أيضًا بوحدات التحكم بالتغذية الراجعة. ^{[ 1 ]}

يُعرّف نظام التحكم ذو الحلقة المغلقة وفقًا لمؤسسة المعايير البريطانية بأنه "نظام تحكم يمتلك تغذية راجعة للمراقبة، حيث تُستخدم إشارة الانحراف الناتجة عن هذه التغذية الراجعة للتحكم في عمل عنصر التحكم النهائي بطريقة تهدف إلى تقليل الانحراف إلى الصفر". ^{[ 2 ]}

وبالمثل؛ " نظام التحكم بالتغذية الراجعة هو نظام يميل إلى الحفاظ على علاقة محددة بين متغير نظام وآخر من خلال مقارنة وظائف هذه المتغيرات واستخدام الفرق كوسيلة للتحكم." ^{[ 2 ]}

أنظمة التحكم بالتغذية الراجعة

{\displaystyle w(t)} — رسم توضيحي لنظام تحكم ذي حلقة مغلقة يتكون من نقطة ضبط $w(t)$ الناتج المقاس $y_{m}(t)$ الخطأ المقاس $e(t)$ مخرج وحدة التحكم $u(t)$ مدخلات النظام $u_{s}(t)$ ، إزعاج $d(t)$ ، ومخرجات النظام $y(t)$

وحدة التحكم ذات الحلقة المغلقة، أو وحدة التحكم بالتغذية الراجعة، هي حلقة تحكم تتضمن التغذية الراجعة ، على عكس وحدة التحكم ذات الحلقة المفتوحة أو وحدة التحكم بدون تغذية راجعة . تستخدم وحدة التحكم ذات الحلقة المغلقة التغذية الراجعة للتحكم في حالات أو مخرجات نظام ديناميكي . ويستمد اسمها من مسار المعلومات في النظام: فمدخلات العملية (مثل الجهد المطبق على محرك كهربائي ) تؤثر على مخرجاتها (مثل سرعة أو عزم دوران المحرك)، والتي تُقاس بواسطة أجهزة استشعار وتُعالج بواسطة وحدة التحكم؛ ثم تُعاد النتيجة (إشارة التحكم) كمدخل للعملية، مما يُغلق الحلقة. ^{[ 3 ]}

في أنظمة التغذية الراجعة الخطية ، تُرتّب حلقة تحكم تتضمن أجهزة استشعار وخوارزميات تحكم ومُشغّلات بهدف ضبط متغير عند نقطة ضبط مُحددة . ومن الأمثلة الشائعة نظام تثبيت السرعة في المركبات؛ حيث تُؤدي عوامل خارجية كالتضاريس إلى تغييرات في السرعة، ويملك السائق القدرة على تعديل السرعة المطلوبة. تعمل خوارزمية PID في وحدة التحكم على إعادة السرعة الفعلية إلى السرعة المطلوبة بأفضل طريقة ممكنة، مع أقل تأخير أو تجاوز ، وذلك من خلال التحكم في خرج طاقة محرك المركبة. تستخدم أنظمة التحكم التي تتضمن استشعارًا للنتائج التي تسعى إلى تحقيقها التغذية الراجعة، ويمكنها التكيف مع الظروف المتغيرة إلى حد ما. أما أنظمة التحكم ذات الحلقة المفتوحة فلا تستخدم التغذية الراجعة، وتعمل فقط وفقًا لآليات مُحددة مسبقًا.

تتمتع وحدات التحكم ذات الحلقة المغلقة بالمزايا التالية مقارنة بوحدات التحكم ذات الحلقة المفتوحة:

رفض الاضطرابات (مثل التلال في مثال التحكم في السرعة أعلاه)
أداء مضمون حتى مع وجود شكوك في النموذج ، عندما لا يتطابق هيكل النموذج تمامًا مع العملية الحقيقية ولا تكون معلمات النموذج دقيقة.
يمكن تثبيت العمليات غير المستقرة
انخفاض الحساسية لتغيرات المعلمات
تحسين أداء تتبع المرجع
تحسين تصحيح التقلبات العشوائية ^{[ 4 ]}

في بعض الأنظمة، يُستخدم التحكم ذو الحلقة المغلقة والتحكم ذو الحلقة المفتوحة في آنٍ واحد. في هذه الأنظمة، يُطلق على التحكم ذو الحلقة المفتوحة اسم التحكم الأمامي ، ويُستخدم لتحسين أداء تتبع المرجع.

تُعد وحدة التحكم PID من أكثر بنى التحكم ذات الحلقة المغلقة شيوعاً .

التحكم المنطقي

كانت أنظمة التحكم المنطقي للآلات الصناعية والتجارية تُنفذ تاريخيًا باستخدام مرحلات كهربائية مترابطة ومؤقتات كامة تعتمد على منطق السلم . أما اليوم، فتُبنى معظم هذه الأنظمة باستخدام وحدات تحكم دقيقة أو وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLCs) أكثر تخصصًا. ولا يزال منطق السلم مستخدمًا كطريقة برمجة لوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة. ^{[ 5 ]}

تستجيب وحدات التحكم المنطقية للمفاتيح والمستشعرات، ويمكنها تشغيل وإيقاف الآلات عبر استخدام المشغلات . تُستخدم وحدات التحكم المنطقية لتسلسل العمليات الميكانيكية في العديد من التطبيقات، مثل المصاعد والغسالات وغيرها من الأنظمة ذات العمليات المترابطة. قد يقوم نظام التحكم التسلسلي التلقائي بتشغيل سلسلة من المشغلات الميكانيكية بالتسلسل الصحيح لإنجاز مهمة ما. على سبيل المثال، قد تقوم محولات كهربائية وهوائية مختلفة بطي ولصق صندوق من الورق المقوى، ثم تعبئته بالمنتج، ثم إغلاقه في آلة تغليف أوتوماتيكية.

يمكن كتابة برامج PLC بطرق مختلفة عديدة - مخططات السلم، أو مخططات الوظائف المتسلسلة ، أو قوائم التعليمات . ^{[ 6 ]}

مفتاح تشغيل/إيقاف

يستخدم نظام التحكم بالتشغيل والإيقاف وحدة تحكم تغذية راجعة تنتقل فجأة بين حالتين. يمكن وصف منظم الحرارة المنزلي البسيط ثنائي المعدن بأنه وحدة تحكم بالتشغيل والإيقاف. فعندما تنخفض درجة حرارة الغرفة (PV) عن القيمة المضبوطة من قِبل المستخدم (SP)، يتم تشغيل المدفأة. مثال آخر هو مفتاح الضغط في ضاغط الهواء. فعندما ينخفض الضغط (PV) عن القيمة المضبوطة (SP)، يتم تشغيل الضاغط. تحتوي الثلاجات ومضخات التفريغ على آليات مماثلة. يمكن أن تكون أنظمة التحكم البسيطة بالتشغيل والإيقاف كهذه رخيصة وفعالة.

التحكم الخطي

تُعدّ أنظمة التحكم الخطي أنظمة تحكم ونظرية تحكم تعتمد على التغذية الراجعة السلبية لإنتاج إشارة تحكم للحفاظ على متغير العملية المتحكم به عند نقطة الضبط المطلوبة . وتوجد أنواع عديدة من أنظمة التحكم الخطي ذات قدرات مختلفة.

المنطق الضبابي

المنطق الضبابي هو محاولة لتطبيق سهولة تصميم وحدات التحكم المنطقية على التحكم في الأنظمة المعقدة المتغيرة باستمرار. وبشكل أساسي، يمكن أن تكون القياسات في نظام المنطق الضبابي صحيحة جزئيًا.

تُكتب قواعد النظام بلغة طبيعية وتُترجم إلى منطق ضبابي. على سبيل المثال، يبدأ تصميم الفرن بما يلي: "إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، قلل كمية الوقود المُغذية للفرن. وإذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، زد كمية الوقود المُغذية للفرن."

يتم تحويل القياسات من العالم الحقيقي (مثل درجة حرارة الفرن) إلى قيم ضبابية ويتم حساب المنطق باستخدام العمليات الحسابية، على عكس المنطق البولياني ، ويتم إزالة الضبابية من المخرجات للتحكم في المعدات.

عندما يُختزل تصميمٌ ضبابيٌّ قويٌّ إلى عملية حسابية واحدة سريعة، يبدأ في التشابه مع حل حلقة التغذية الراجعة التقليدية، وقد يبدو أن التصميم الضبابي غير ضروري. مع ذلك، قد يوفر نموذج المنطق الضبابي قابلية التوسع لأنظمة التحكم الكبيرة حيث تصبح الطرق التقليدية غير عملية أو مكلفة في اشتقاقها.

الإلكترونيات الضبابية هي تقنية إلكترونية تستخدم المنطق الضبابي بدلاً من منطق القيمتين الأكثر شيوعًا في الإلكترونيات الرقمية .

التنفيذ المادي

يتراوح نطاق تنفيذ نظام التحكم من وحدات التحكم المدمجة التي غالبًا ما تحتوي على برامج مخصصة لآلة أو جهاز معين، إلى أنظمة التحكم الموزعة للتحكم في العمليات الصناعية لمصنع مادي كبير .

تُنفذ أنظمة المنطق ووحدات التحكم بالتغذية الراجعة عادةً باستخدام وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة . يُعد جهاز الأتمتة القابل لإعادة التكوين والتوسيع على نطاق واسع (BREAD) إطار عمل حديثًا يوفر العديد من أجهزة البرمجيات مفتوحة المصدر التي يمكن توصيلها لإنشاء أنظمة أكثر تعقيدًا لاكتساب البيانات والتحكم. ^{[ 7 ]}

انظر أيضاً

أتمتة المباني – فرع من فروع الأتمتة
طريقة مخطط المعاملات
نظرية التحكم – فرع من فروع الهندسة والرياضيات
علم التحكم الآلي – دراسة العمليات السببية الدائرية
نظام تحكم موزع – نظام تحكم محوسب مع اتخاذ قرارات موزعة
التحكم في سرعة التباطؤ – وضع التحكم لمولدات الطاقة الكهربائية المترددة
تعليم وتدريب مهندسي الكهرباء والإلكترونيات
إيبكس – بنية برمجية لبناء أنظمة تحكم موزعة
منظم جيد – نظرية في علم التحكم الآلي: صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه
التوجيه والملاحة والتحكم – فرع من فروع الهندسة
نظام تحكم هرمي – نموذج متعدد الطبقات لتنظيم المكونات في البرمجيات والروبوتات
نظام التحكم في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء – نظام تحكم لمعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء
نظام التحكم الصناعي – أنظمة التحكم في العمليات والأجهزة المرتبطة بها
التحكم في الحركة – مجال من مجالات الأتمتة يدرس كيفية تحريك أجزاء الآلات بدقة
نظام تحكم شبكي
التحكم الرقمي – التحكم الحاسوبي في أدوات الآلات. صفحات تعرض وصفًا موجزًا لأهداف إعادة التوجيه.
نظرية التحكم الإدراكي – النظرية النفسية
وحدة تحكم PID – آلية التغذية الراجعة لحلقة التحكم
التحكم في العمليات – تخصص يستخدم التحكم الصناعي لتحقيق مستوى إنتاج متسق
تحسين العمليات – سلسلة من الإجراءات لتحسين الاستخدام الفعال
وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة – حاسوب رقمي قابل للبرمجة يُستخدم للتحكم في الآلات
الحوسبة في الوقت الحقيقي - دراسة أنظمة الأجهزة والبرامج التي لها "قيد زمني حقيقي"
نظام البيانات المأخوذة عينات منه
نظام سكادا – بنية نظام التحكم للإشراف على الآلات والعمليات
VisSim – برنامج لمحاكاة الأنظمة الديناميكية

مراجع

↑ "أنظمة التغذية الراجعة والتحكم" - جيه جيه دي ستيفانو، إيه آر ستوبرود، آي جيه ويليامز. سلسلة شومز الموجزة، ماكجرو هيل 1967
1 2 ماير، أوتو (1970). أصول التحكم بالتغذية الراجعة . كلينتون، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية: دار النشر الاستعمارية.
↑ بيتشوفر، جون (31 أغسطس 2005). "التغذية الراجعة للفيزيائيين: مقال تعليمي حول التحكم" . مراجعات الفيزياء الحديثة . 77 (3): 783-836 . doi : 10.1103/RevModPhys.77.783 .
↑ كاو، إف جيه؛ فيتو، إم. (10-04-2009). "الديناميكا الحرارية للأنظمة ذات التحكم بالتغذية الراجعة" . مجلة Physical Review E. 79 ( 4) 041118. arXiv : 0805.4824 . doi : 10.1103/PhysRevE.79.041118 .
↑ كوبالدت، توني ر. "الفصل 6: منطق السلم" . دروس في الدوائر الكهربائية - المجلد الرابع . مؤرشف من الأصل في 12 سبتمبر 2010. تم الاطلاع عليه في 22 سبتمبر 2010 .
↑ برادي، إيان. "وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة - الفوائد والتطبيقات" (ملف PDF) . PLCs . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 2 فبراير 2014. تم الاطلاع عليه في 5 ديسمبر 2011 .
↑ هافتينغ، فين ك.؛ كولاس، دانيال؛ ميشيلز، إتيان؛ تشيبكار، سارفادا؛ ويسنيوسكي، ستيفان؛ شونارد، ديفيد؛ بيرس، جوشوا م. (2023-12-05). "تصميم معياري مفتوح المصدر لإلكترونيات مراقبة وتحكم مفاعل الانحلال الحراري" . إلكترونيات . 12 (24): 4893. doi : 10.3390/electronics12244893 . ISSN 2079-9292 .

روابط خارجية

SystemControl: إنشاء حلقات تحكم أو محاكاتها أو تمثيلها في لغة بايثون. يتضمن مرشح كالمان، وتحكم LQG، وغيرها.
توجيه الطيران شبه المستقل - مرجع unmannedaircraft.org
مجموعة أدوات نظام التحكم لتصميم وتحليل أنظمة التحكم.
شركة تصنيع أنظمة التحكم: تصميم وتصنيع أنظمة التحكم.
وظائف برنامج Mathematica لتحليل وتصميم ومحاكاة أنظمة التحكم
نظام التحكم بايثون (PyConSys): إنشاء ومحاكاة حلقات التحكم باستخدام بايثون. الذكاء الاصطناعي لضبط معلمات PID.

[Control_loop_auto-1] "أنظمة التغذية الراجعة والتحكم" - جيه جيه دي ستيفانو، إيه آر ستوبرود، آي جيه ويليامز. سلسلة شومز الموجزة، ماكجرو هيل 1967

[Control_loop_Mayr-2] 1 2 ماير، أوتو (1970). أصول التحكم بالتغذية الراجعة . كلينتون، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية: دار النشر الاستعمارية.

[3] بيتشوفر، جون (31 أغسطس 2005). "التغذية الراجعة للفيزيائيين: مقال تعليمي حول التحكم" . مراجعات الفيزياء الحديثة . 77 (3): 783-836 . doi : 10.1103/RevModPhys.77.783 .

[4] كاو، إف جيه؛ فيتو، إم. (10-04-2009). "الديناميكا الحرارية للأنظمة ذات التحكم بالتغذية الراجعة" . مجلة Physical Review E. 79 ( 4) 041118. arXiv : 0805.4824 . doi : 10.1103/PhysRevE.79.041118 .

[Kuphaldt_LADDER_LOGIC-5] كوبالدت، توني ر. "الفصل 6: منطق السلم" . دروس في الدوائر الكهربائية - المجلد الرابع . مؤرشف من الأصل في 12 سبتمبر 2010. تم الاطلاع عليه في 22 سبتمبر 2010 .

[Ian_Brady_PLCs-6] برادي، إيان. "وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة - الفوائد والتطبيقات" (ملف PDF) . PLCs . مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 2 فبراير 2014. تم الاطلاع عليه في 5 ديسمبر 2011 .

[7] هافتينغ، فين ك.؛ كولاس، دانيال؛ ميشيلز، إتيان؛ تشيبكار، سارفادا؛ ويسنيوسكي، ستيفان؛ شونارد، ديفيد؛ بيرس، جوشوا م. (2023-12-05). "تصميم معياري مفتوح المصدر لإلكترونيات مراقبة وتحكم مفاعل الانحلال الحراري" . إلكترونيات . 12 (24): 4893. doi : 10.3390/electronics12244893 . ISSN 2079-9292 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]