مبادئ دوائر التحكم ومكوناتها The principles of the control and Components
1. التعرف على نظم التحكم المختلفة
2. التعرف على قوانين التحكم
3. التعرف على رسومات التحكم
1- مقدمة
نظم التحكم تحيط بنا من كل جانب ، بل أنها تصبح بداخل أجسامنا ومن أمثلتها الواضحة الجهاز الحراري الذي يحافظ على درجة حرارة الجسم عند 37 درجة مئوية فى مختلف الأجواء أيضا قدرة حدقة العين على التحكم فى كمية الضوء التى تنفذ الى الشبكية، من أمثلة التحكم المنتشرة حولنا مثال قيادة سيارة لتسلك طريق معين بسرعة محددة ، يقوم السائق الآدمي فى هذه الحالة بدور جهاز التحكم بينما تقوم عيناه بدور جهاز القياس والمتابعة بينما يقوم ذهنه بدور المقارنة بين ما تراه العينان على مؤشر السرعة او موضع السيارة وبين ما يجب أن يكون، وبناءا على ذلك يصدر العقل الأوامر الى اليدين والرجلين لتعديل سرعة او موضع السيارة وتستمر هذه العملية طوال فترة القيادة.
وهكذا يمكننا تعريف نظام التحكم بأنه مجموعة من المكونات المترابطة لتحقيق نتيجة أو هدف معين، وحتى تتم عملية التحكم لابد من وجود متغير أو إشارة يمكن التعامل معها وتعديلها حسب الحاجة (مثال ذلك وضع عجلة القيادة للتحكم فى مسار سيارة ).
2- العلاقة بين المتغيرات فى نظم التحكم
توجد عدة وسائل لتمثيل العلاقات بين المتغيرات فى نظم التحكم ومن هذه الوسائل تمثيل العلاقة بين الإشارات الداخلة والخارجة برسم تخطيطي عبارة عن مجموعة من الصناديق بحيث تكون إشارة الدخول ممثلة بسهم يدخل الى الصندوق وتكون إشارة الخروج ممثلة بسهم فيخرج من الصندوق أما العلاقة بين الإشارات فيمكن تمثيلها بدالة رياضية تسمى دالة النقل حيث انها تنقل إشارة الدخول بعد تعديلها الى إشارة الخروج وتعتمد هذه الدالة على العلاقات الطبيعية التى تربط بين المتغيرات فى الدخول والخروج لهذا النظام الممثل بصندوق يبين ذلك شكل (1).
و يوضح شكل (2) أمثلة عملية لبعض النظم ، وإذا أردنا تمثيل نظام التحكم الخاص بقيادة سيارة فيمكن الرجوع الى شكل (2) ،حيث تمثل السيارة كنظام تحكمه مجموعة من المعادلات الديناميكية بصندوق، وتكون إشارة الدخول لهذا النظام هى وضع عجله القيادة أما إشارة الخروج فهو الوضع الحقيقي للسيارة كما يراه السائق وكما هو واضح بالشكل فإن السائق يمثل أيضا بصندق له إشارتي دخول هما الوضع الحقيقي للسيارة والوضع المطلوب، ويقوم السائق بالمقارنة بين الوضعين لتقرير إشارة الخروج وهى وضع عجلة القيادة، ويسمى الشكل (3) بدائرة تحكم مغلقة ذات تغذية عكسية.
3- الدالة الناقلة
تسمى العلاقة التى تمثل النسبة بين إشارة الدخول واشارة الخروج لنظام معين بالدالة الناقل ، هى عادة تمثل خارج قسمة تحويل Laplace لاشارة الخروج مقسومة على نظيرتها لاشارة الدخول ويكون الناتج داله متعددة الحدود فى البسط وأخرى فى المقام، ويقال عن هذه الدالة انها ممثلة فى نطاق التردد وليس الزمن، ويلاحظ ان هذا التمثيل يمكن استخدامه بشروط هى:
1- ان يكون النظام خطى (أي ان النظم غير الخطية لا يمكن التعامل معها بهذه الطريقة )
2- ان تكون معاملات المعادلات التفاضلية التى تصف النظام غير معتمد على الزمن
3- ان يفترض قيم مبدئية صفرية لمتغيرات النظام ويمكن ملاحظة تأثير دالة النقل على الإشارة الداخلة من خلال شكل (4) حيث يتغير كل من مقدار الإشارة الداخلة وزاوية الطور.
4- نظم التحكم المفتوحة
فى نظم التحكم المفتوحة لاتتم عملية المقارنة بين ما تحصل عليه فعليا من النظام وما يزيده , وإنما تتم معايرة إشارة التحكم مسبقا ويتم إدخالها على النظام أملا أن يؤدى ذلك للناتج المرجو. ويوضح شكل (5) أحد النظم للتحكم فى سريان مائع فى أنبوبة من خلال صمام حيث معايرة تدريج الصمام بحيث ينتج عن كل وضع (يمثل اتساع محدد لفتحة الصمام) معدل سريان محدد، وتعتمد عملية المعايرة على فارق الضغط بين طرفي الصمام، لذلك تتم المعايرة فى ظروف مختلفة لفارق الضغط كما هو موضح بالشكل.
5- نظام التحكم ذو الدوائر المغلقة
يعتمد هذا النظام على التغذية العكسية , حيث يتم قياس ما للنظام ويتم إرجاع الإشارة لمقارنتها بالإشارة المطلوبة، وفى حالة وجود فارق بين الإشارتين يسمى خطأ فانه تتم معالجته باستخدام جهاز التحكم بحيث يحاول دائما ان تقترب إشارة الناتج من الإشارة المطلوب محاكاتها، ويوضح شكل (6) دائرة تحكم مغلقة، ويلاحظ مسارين للإشارات، المسار الأساسي وبه داله النقل G ومسار التغذية العكسية وبه داله النقل H، وتسمى إشارة الخروج من G بالمتغير المطلوب التحكم فيه، وتسمى إشارة الخروج من دالة النقل H بإشارة التغذية العكسية الأساسية Cm ، ويتم مقارنتها بإشارة مرجعية هى R والفارق بين R و Cm ويسمى الخطأ E، ويضح الشكل (7) تخطيطا اكثر تفصيلا لنظام التحكم ذى التغذية العكسية السالبة، وتجدر الإشارة أن التغذية السالبة هى المتبعة فى الأغلبية العظمى من نظم التحكم لأنها تساعد على استقرار النظام، كما يلاحظ فى شكل (7) وجود جهاز تحكم ممثل بدالهG2 كما أن إشارة التحكم 7 تتم معالجتها بدالة Gm لانتاج إشارة M قادرة على التأثير على النظامGP ومثال ذلك التحكم فى محرك كهربي ، حينئذ تمثل الدالة GP المحرك بينما تمثل بينما تمثل الدالة Gm مكبر الإشارات .
ويمكننا ان تثبت ان دالة النقل تعطى بالعلاقات:
وتتم عملية التحكم فى الصناعة بأساليب متعددة غير أن من أكثرها شيوعا أسلوبا مكون من 3 مركبات هى المركب التناسبي والمركب التكاملى (يقوم بعملية تكامل) والمركب التفاضلى (يقوم بعملية التفاضل).
ويستطيع المركب التكاملى إنقاص الخطأ عند الاستقرار، بينما يقوم المركب التفاضلى بتحسين أداء النظام خلال المرحلة العابرة، أما المركب المتناسب فيؤثر كل من الخطأ والأداء أثناء المرحلة العابرة، ايضا من أساليب التحكم الشائعة فى الصناعة أسلوب التحكم بالتشغيل والفصل (ON/ OFF) ومثال ذلك المكيفات فهى تعمل طالما كانت درجة حرارة الغرفة أعلى من المطلوب بينما تتوقف عن العمل إذا كانت درجة الحرارة اقل او تساوى الدرجة المطلوبة.
5- رسومات نظم التحكم
قامت الجمعية الأمريكية للأجهزة بوضع مواصفات لرسومات نظم التحكم وأجهزة القياس يتضمن الرموز والشفرة بحيث يستطيع المهندسون التعرف على معاني الرسومات، وفى تلك الرسومات فان الشكل الدائري هو الرمز العام لأي جهاز ولكن يوضع بداخلة شفرة معنية تتنبأ بالجهاز تحديدا وتنقسم الشفرة الى جزأين، الجزء العلوي يدل على وظيفة الجهاز والجزء السفلي يوضح الدائرة التى ينتمي اليها الجهاز ويوضح شكل (8) نظام تحكم يقوم بخلط وتسخين خليط من الماء ومحلول لزج ويحوى 3 دوائر للتحكم أعطيت الأرقام 101، 102، 103 . ويلاحظ ان الرقمين الثانى والثالث يعبران عن المنطقة التى يقع بها نظام التحكم بينما يحدد الرقم الأول دائرة التحكم المعنية .
رد مع اقتباس
