أنظمة التحكم: ما هي؟ (أمثلة على أنظمة التحكم ذات الحلقة المفتوحة والحلقة المغلقة)
ما هو نظام التحكم
يُعرَّف نظام التحكم بأنه نظام من الأجهزة يدير ويتحكم ويوجه أو ينظم سلوك الأجهزة أو الأنظمة الأخرى لتحقيق النتيجة المرجوة. يتم تحقيق ذلك من خلال حلقات التحكم، وهي عملية مصممة لصيانة متغير العملية عند نقطة الضبط المطلوبة.
بكلمات أخرى، يمكن تبسيط تعريف نظام التحكم كنظام يتحكم في أنظمة أخرى. مع تطور الحضارة البشرية يومًا بعد يوم، ازداد الطلب على الأتمتة جنبًا إلى جنب معه. تتطلب الأتمتة السيطرة على أنظمة الأجهزة المتفاعلة.
في السنوات الأخيرة، لعبت أنظمة التحكم دورًا محوريًا في تطوير وتحديث التكنولوجيا الحديثة والحضارة. تتأثر كل جانب من جوانب حياتنا اليومية بشكل أكبر أو أقل بنوع ما من أنظمة التحكم.
تشمل أمثلة أنظمة التحكم في حياتك اليومية مكيف الهواء، الثلاجة، مكيف الهواء، خزان المرحاض، الكي التلقائي، والعديد من العمليات داخل السيارة - مثل التحكم في السرعة.
في البيئات الصناعية، نجد أنظمة التحكم في جودة المنتجات، وأنظمة الأسلحة، وأنظمة النقل، وأنظمة الطاقة، والتكنولوجيا الفضائية، والروبوتات، وغيرها الكثير.
مبادئ نظرية التحكم قابلة للتطبيق في مجالات الهندسة وغير الهندسة. يمكنك التعرف أكثر على أنظمة التحكم من خلال دراسة أسئلة الاختيار المتعدد حول أنظمة التحكم.
خصائص نظام التحكم
الخاصية الرئيسية لنظام التحكم هي أن هناك علاقة رياضية واضحة بين الإدخال والإخراج لنظام التحكم.
عندما يمكن تمثيل العلاقة بين الإدخال والإخراج لنظام التحكم بتناسب خطي، يُسمى النظام نظام تحكم خطي.
وإذا كانت العلاقة بين الإدخال والإخراج لا يمكن تمثيلها بتناسب خطي واحد، بل تكون الإدخال والإخراج مرتبطين بعلاقة غير خطية، فإن النظام يُسمى نظام تحكم غير خطي.
متطلبات نظام التحكم الجيد
الدقة: الدقة هي تحمل أخطاء الجهاز وتعرِّف حدود الأخطاء التي تحدث عند استخدام الجهاز في ظروف التشغيل العادية.
يمكن تحسين الدقة باستخدام عناصر التغذية الراجعة. لزيادة دقة أي نظام تحكم يجب أن يكون هناك كاشف للأخطاء موجود في نظام التحكم.
الحساسية: معلمات نظام التحكم دائمًا ما تتغير مع تغيير الظروف المحيطة، أو الاضطرابات الداخلية، أو أي معلمات أخرى.
يمكن التعبير عن هذا التغيير بمصطلح الحساسية. يجب أن يكون أي نظام تحكم غير حساس لهذه المعلمات ولكنه حساس فقط للإشارات الإدخالية.
الضوضاء: الإشارة الإدخالية غير المرغوب فيها تُعرف بالضوضاء. يجب أن يكون نظام التحكم الجيد قادرًا على تقليل تأثير الضوضاء لأداء أفضل.
الاستقرار: هو خاصية مهمة لنظام التحكم. بالنسبة للإشارة الإدخالية المقيدة، يجب أن يكون الإخراج مقيدًا وإذا كانت الإشارة الإدخالية صفرية، يجب أن يكون الإخراج صفرًا أيضًا، وفي هذه الحالة يُقال إن نظام التحكم مستقر.
عرض النطاق الترددي: نطاق الترددات العملي يحدد عرض النطاق الترددي لنظام التحكم. يجب أن يكون عرض النطاق الترددي كبيرًا قدر الإمكان لاستجابة التردد لنظام التحكم الجيد.
السرعة: هي الوقت الذي يستغرقه نظام التحكم للوصول إلى إخراجه المستقر. يمتلك نظام التحكم الجيد سرعة عالية. الفترة الانتقالية لهذا النظام صغيرة جدًا.
الاهتزاز: عدد قليل من الاهتزازات أو الاهتزازات المستمرة للإخراج يشير إلى استقرار النظام.
أنواع أنظمة التحكم
هناك العديد من أنواع أنظمة التحكم، ولكن جميعها مصممة لتحكم الإخراج. النظام المستخدم لتحكم في الموضع، السرعة، التسارع، الحرارة، الضغط، الجهد، التيار، إلخ، هي أمثلة لأنظمة التحكم.
لنأخذ مثالًا بسيطًا على متحكم حرارة الغرفة لتوضيح المفهوم. فلنفترض وجود عنصر تسخين بسيط يسخن طالما كان التيار الكهربائي متصلاً.
طالما كان مفتاح التغذية الكهربائية للتسخين متصلاً، ترتفع درجة حرارة الغرفة وبعد الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة للغرفة، يتم قطع التغذية الكهربائية.
وبسبب درجة الحرارة المحيطة، تنخفض درجة حرارة الغرفة مرة أخرى، ثم يتم تشغيل عنصر التسخين يدويًا لتحقيق درجة الحرارة المطلوبة للغرفة مرة أخرى. بهذه الطريقة، يمكن التحكم في درجة حرارة الغرفة يدويًا على المستوى المطلوب. هذا هو مثال على نظام التحكم اليدوي.
يمكن تحسين هذا النظام باستخدام نظام توقيت لتشغيل وإيقاف التغذية الكهربائية حيث يتم تشغيل وإيقاف التغذية الكهربائية لعنصر التسخين في فترات زمنية محددة مسبقًا لتحقيق مستوى درجة الحرارة المطلوبة للغرفة.
هناك طريقة أخرى محسنة لتحكم درجة حرارة الغرفة. هنا يقوم مستشعر بقياس الفرق بين درجة الحرارة الفعلية والمطلوبة.
