سیستم های کنترلی

 

 

  • تقسیم ­بندی سیستم­های کنترل

سیستم­های کنترل به دو نوع حلقه باز و حلقه بسته تقسیم­بندی می­شوند. تغییرات ورودی ممکن است فقط بر اساس اطلاع از مدل سیستم و یا تجربه صورت گیرد و بدون اطلاع از خروجی باشد که در این صورت سیستم را حلقه باز می­نامند. در صورتی که عملیات و تغییرات ورودی بر اساس اطلاع از خروجی صورت گیرد، سیستم را حلقه بسته و به آن سیستم کنترل فیدبک­دار گویند. در کنترل حلهق باز ورودی بر اساس اطلاع قبلی از مدل سیستم به منظور ایجاد خروجی معین به سیستم اعمال می­شود.

کنترل حلقه باز

شکل زیر بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه باز را نمایش می­دهد. در این سیستم کنترل­کننده سیگنال ورودی را به طور متناسب تغییر داده و تقویت می­کند، قسمت محرک داری توان زیاد بوده و بر اساس سیگنال دریافتی از کنترل­کننده نیروی لازم را اعمال نموده و حرکات لازم را انجام می­دهد.

در سیستم حلقه باز، اثر خطای موجود در مدل سیستم یا تحریکات موجود غیر قابل پیش­بینی است و خروجی دستگاه معمولاً دارای مقداری خطا نسبت به مقدار مورد نظر خواهد داشت.

 

 

 

کنترل حلقه بسته

در کنترل حلقه بسته هدف از کنترل حفظ یا دستیابی به مقداری مشخص و یا ترتیبی از مقادیر معین برای کمیت مورد نظر است.

شکل زیر بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه بسته را نمایش می­دهد. در این سیستم عمل کنترل بر اساس مقایسه مقدار مطلوب (SP) و خروجی صورت می­گیرد. مقدار خروجی توسط اندازه­گیر و مبدل به مقایسه­کننده ارسال می­شود و نتیجة مقایسه به عنوان سیگنال خطا به کنترل­کننده اعمال می­­گردد، قسمت محرک دارای توان زیاد بوده و بر اساس سیگنال دریافتی از کنترل­کننده نیروی لازم را اعمال نموده و حرکات لازم را انجام می­دهد.

 

 

 

کنترل­کننده مورد استفاده در سیستم کنترلی فوق، مغز متفکر سیستم کنترلی می­باشد که به کمک آن می­توان تعیین کرد در موقع ایجاد خطا با توجه به تنظیمات اولیه چه فرمانی را به محرک صادر کند.

محرک یا عملگر مکانیزمی است که فرمان خروجی کنترل­کننده را به دستگاه تحت کنترل اعمال می­کند، این عمل به این صورت انجام می­گیرد که متناسب با فرمان کنترل­کننده عمل مکانیکی یا الکتریکی معینی توسط محرک انجام می­شود. در واقع واحد عملگر آخرین قسمت سیستم کنترلی می­باشد و فرمان­ها توسط آن به پروسه اعمال می­گردد. لازم به ذکر است که متداول­ترین عملگرها شیرهای کنترلی می­باشند.

در نتیجه یک سیستم کنترل حلقه باز ممکن اسن مقدار واقعی با مقدار مرجع در سیستم متفاوت باشد اما در سیستم کنترلی حلقه بسته مقدار واقعی به طور دائم با مقدار مرجع مقایسه میشود.

 

 

  • عناصر تشکیل ­دهنده یک سیستم اندازه ­گیری حلقه بسته

کاربرد اصلی یک سیستم کنترلی حلقه بسته در صنعت، کنترل اتوماتیک عملکرد یک فرایند تولیدی می باشد. هدف از هر سیستم صنعتی نگهداری یک یا چند متغیر در مقداری مشخص، در حین فرایند تولید می باشد.

یک سیستم کنترلی حلقه بسته از قسمت های زیر تشکیل شده است که عبارتند از :

  • دستگاههای اندازه گیر
  • ترنسمیتر ها
  • کنترلر ها
  • محرک ها
  • عنصر نهایی کنترل
  • اجزا ثبت کننده و نمایشگر ها

سیستم­های اندازه­گیری شامل سه بخش اساسی سنسورها، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها می­باشند. هر چند هر یک از آن­ها نام وسیله یا عنصری با طرز کاری متفاوت می­باشد، اما یک اندازه­گیر گاهی اوقات می­تواند شامل هر سه عنصر یاد شده باشد، به گونه­ای که نتوان آن­ها را از یکدیگر جدا نمود. در ادامه توصیف دقیق­تری از عناصر فوق ارائه می­شود.

 

 سنسور "Sensor"

سنسور عنصری است که به کمیت خاصی حساس می­باشد و یا در برابر آن کمیت خاص، از خود عکس­العمل نشان می­دهد، مثلاً ترموکوپل یک سنسور دما است، زیرا خروجی آن با تغییرات دما تغییر می­کند. در واقع سنسور اِلمان حس کننده ای است که کمیت­های فیزیکی مانند دما، فشار و نیرو و ...  را آشکار و یا اندازه گیری می­کند. خروجی سنسورها معمولاً سیگنال الکتریکی (جریان  یا ولتاژ) می­باشد.

 

 ترانسدیوسر "Transducer"

مبدل یا ترانسدیوسر به مجموعه­ای از قطعات یا دستگاه­هایی گفته می­شود که بتواند کمیتی را دریافت و متناسب با آن، کمیتی از جنس دیگر را تحویل دهد. دقت شود که طبق تعریف فوق در برخی مواقع یک سنسور می­تواند یک ترانسدیوسر نیز باشد، مانند ترموکوپل که علاوه بر اینکه یک المان حس­کننده دما می­باشد، یک ترانسدیوسر نیز می­باشد، زیرا این تجهیز یک کمیت فیزیکی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می­کند. لازم به ذکر است ترانسدیوسرها برای تبدیل کمیت­های فیزیکی معمولاً نیاز به یک منبع خارجی دارند در صورتی که معمولاً سنسورها تمام انرژی مورد نیاز خود را از کمیت فیزیکی تحت اندازه­گیری دریافت می­کنند.

 

انواع ترانسدیوسرها:

  1. ترانسدیوسرهای کمیت­های غیر الکتریکی به الکتریکی.
  2. ترانسدیوسرهای کمیت­های غیر الکتریکی به پنوماتیکی.

 

 ترانسمیتر "Transmiter"

در واحدهای صنعتی بزرگ که عملیات تولید در محوطة گسترده­ای انجام می­گیرد ادوات و دستگاه­های کنترل و اندازه­گیری به طور متمرکز در محلی به نام اتاق فرمان یا مرکز کنترل قرار دارند، به طوری که امکان اندازه­گیری و کنترل تمامی متغیرها در سراسر کارخانه و محوطه آن توسط اپراتور در هر لحظه فراهم باشد، در چنین مواردی لازم است که سیگنال­ها و فرمان­ها از محوطه به اتاق کنترل و برعکس منتقل شوند، برای این منظور از دستگاهی بنام ترانسمیتر استفاده می­شود. لازم به ذکر است معمولاً کمپانی­های سازندة تجهیزات اندازه­گیری سه بخش فوق (سنسور، مبدل و انتقال­دهنده) را به صورت یکجا و به صورت یک دستگاه می­سازند.

ترنسمیتر وسیله ای است که سیگنال الکتریکی ضعیف را دریافت کرده و به سطوح قابل قبول برای کنترلر ها و مدارهای الترونیکی تبدیل میکند، به عنوان مثال ممکن است یک حلقه فیدبک سیگنالی در سطح میکروولت ، میلی ولت و یا میلی آمپر تولید کند و این سیگنال ضعیف می تواند با عبور از ترنسمیتر به سیگنالی در سطوح استاندارد مانند صفر تا  ولت یا 4 تا 20 میلی آمپر تبدیل شود. ترنسمیتر ها در دو نوع الکتریکی و پنوماتیکی ساخته می شوند خروجی ترنسمیتر های الکتریکی 4 تا 20 میلی آمپر و خروجی ترنسمیتر های  پنوماتیکی 3 تا 15 psi بر حسب تغییرات کمیت ورودی می تواند تغییر کند در مواقعی که امکان ارسال مقادیر آنالوگ توسط سیگنال­های الکتریکی میسر نمی­باشد، به طور مثال در محیط­هایی که خطر آتش­سوزی یا انفجار در آن­ها بالا است، در این مواقع می­توان از سیگنال­های پنوماتیکی استفاده کرد.

.

استفاده از سیگنال­های آنالوگ جریانی باعث بالا رفتن کارایی سیستم­های ابزار دقیق می­شود، علت این امر نویزپذیری کمتر سیگنال­های جریانی نسبت به ولتاژی می­باشد. همچنین مقاومت سیم­های رابط باعث افت جریان ارسالی نمی­شوند و این امر سبب می­شود که بتوان خروجی ترانسمیترها را توسط سیگنال­های آنالوگ جریانی به مسافت­های طولانی­تری ارسال کرد. دقت شود که استفاده از استاندارد جریانی 4-20mA کاربرد بیشتری دارد علت این امر به شرح زیر می­باشد:

  • وجود سیگنال 4mA به عنوان سطح پایین سبب ایجاد یک صفر زنده شده و در صورت قطع شدن سیم­های ارتباطی، جریان ارسالی به کنترولر صفر شده و سیستم کنترلی می­تواند این مشکل را تشخیص دهد.
  • امکان تأمین تغذیه ترانسمیتر یا ترانسدیوسرهای دو سیمه فراهم می­گردد، زیرا کمترین جریان 4mA می­باشد که می­تواند جریان مصرفی ترانسمیتر یا ترانسدیوسرهای دو سیمه را تأمین کند.
  • امکان استفاده از تجهیزات هوشمند مبتنی بر هارت که معمولاً کاربردهایی همچون کالیبراسیون و ارسال سیگنال­های تشخیص خطا را دارد، فراهم می­شود.