نوع‌های سیستم‌های کنترل | سیستم‌های کنترل خطی و غیرخطی

سیستم کنترل مجموعه‌ای از دستگاه‌ها است که رفتار دیگر دستگاه‌ها را مدیریت، فرماندهی، هدایت یا تنظیم می‌کند تا نتیجه‌ای مطلوب به دست آید. به عبارت دیگر، تعریف سیستم کنترل را می‌توان به صورت ساده‌تر به عنوان یک سیستم که سیستم‌های دیگر را برای رسیدن به حالت مورد نظر کنترل می‌کند، بیان کرد. انواع مختلفی از سیستم‌های کنترل وجود دارد که می‌توان آن‌ها را به طور کلی به دو دسته سیستم‌های کنترل خطی و سیستم‌های کنترل غیرخطی تقسیم‌بندی کرد. در ادامه به جزئیات این انواع سیستم‌های کنترل پرداخته خواهد شد.

سیستم‌های کنترل خطی

برای درک سیستم کنترل خطی، ابتدا باید اصل برخالی را درک کنیم. اصل برخالی شامل دو ویژگی مهم است که در زیر توضیح داده شده‌اند:
همگنی: یک سیستم همگن نامیده می‌شود اگر ورودی آن را با یک ثابت A ضرب کنیم، خروجی نیز با همان مقدار ثابت (یعنی A) ضرب شود.
جمع‌پذیری: فرض کنید سیستم S داریم و برای اولین بار ورودی a₁ را به آن می‌دهیم و خروجی b₁ را دریافت می‌کنیم. برای دومین بار ورودی a₂ را می‌دهیم و خروجی b₂ را دریافت می‌کنیم.

حالا فرض کنید این بار ورودی جمع ورودی‌های قبلی (یعنی a₁ + a₂) را می‌دهیم و خروجی (b₁ + b₂) را دریافت می‌کنیم، در این صورت می‌توانیم بگوییم که سیستم S ویژگی جمع‌پذیری را دنبال می‌کند. حالا می‌توانیم سیستم‌های کنترل خطی را به عنوان آن دسته از انواع سیستم‌های کنترل تعریف کنیم که اصول همگنی و جمع‌پذیری را دنبال می‌کنند.

مثال‌هایی از سیستم کنترل خطی

در نظر بگیرید یک شبکه مقاومتی خالص با منبع DC ثابت. این مدار اصول همگنی و جمع‌پذیری را دنبال می‌کند. تمامی اثرات ناخواسته نادیده گرفته شده و با فرض رفتار ایده‌آل هر عنصر در شبکه، می‌گوییم که خروجی‌های خطی ولتاژ و جریان خواهیم داشت. این مثالی از یک سیستم کنترل خطی است.

سیستم‌های کنترل غیرخطی

می‌توانیم یک سیستم کنترل غیرخطی را به سادگی به عنوان یک سیستم کنترل که اصل همگنی را دنبال نمی‌کند، تعریف کنیم. در زندگی واقعی، تمامی سیستم‌های کنترل غیرخطی هستند (سیستم‌های کنترل خطی فقط در نظریه وجود دارند). تابع توصیف یک روش تقریبی برای تحلیل برخی از مشکلات کنترل غیرخطی است.

مثال‌هایی از سیستم غیرخطی

یک مثال معروف از یک سیستم غیرخطی منحنی намغناطیس یا منحنی بدون بار یک ماشین DC است. ما به طور مختصر منحنی بدون بار ماشین‌های DC را در اینجا بررسی می‌کنیم: منحنی بدون بار رابطه بین فلوید هوایی و mmf پیچک میدان را به ما می‌دهد. از منحنی زیر بسیار واضح است که در ابتدا رابطه خطی بین mmf پیچک و فلوید هوایی وجود دارد اما بعد از آن اشباع رخ می‌دهد که رفتار غیرخطی منحنی یا ویژگی‌های سیستم کنترل غیرخطی را نشان می‌دهد.

سیستم آنالوگ یا پیوسته

در این انواع سیستم‌های کنترل، ما یک سیگنال پیوسته را به عنوان ورودی به سیستم داریم. این سیگنال‌ها تابع پیوسته‌ای از زمان هستند. ممکن است منابع مختلفی از سیگنال‌های ورودی پیوسته مانند منبع سیگنال سینوسی، منبع سیگنال مربعی؛ سیگنال ممکن است به صورت مثلث پیوسته باشد.

سیستم دیجیتال یا گسسته

در این نوع از سیستم‌های کنترل، ما یک سیگنال گسسته (یا ممکن است سیگنال به صورت پالس باشد) را به عنوان ورودی به سیستم داریم. این سیگنال‌ها با فاصله‌های گسسته زمانی هستند. می‌توانیم منابع مختلفی از سیگنال‌های ورودی پیوسته مانند منبع سیگنال سینوسی، منبع سیگنال مربعی و غیره را با استفاده از سوییچ به فرم گسسته تبدیل کنیم.
حالا مزایای مختلفی برای سیستم‌های گسسته یا دیجیتال نسبت به سیستم‌های آنالوگ وجود دارد که در زیر آمده است:

1. سیستم‌های دیجیتال می‌توانند سیستم‌های کنترل غیرخطی را به طور موثرتر از سیستم‌های آنالوگ کنترل کنند.

2. نیاز به توان در سیستم‌های گسسته یا دیجیتال نسبت به سیستم‌های آنالوگ کمتر است.

3. سیستم دیجیتال دارای نرخ دقیق‌تری از دقت است و می‌تواند محاسبات پیچیده را به راحتی انجام دهد نسبت به سیستم‌های آنالوگ.

4. قابلیت اطمینان سیستم دیجیتال نسبت به سیستم آنالوگ بیشتر است. آن‌ها همچنین اندازه کوچک و فشرده‌ای دارند.

5. سیستم دیجیتال بر اساس عملیات منطقی کار می‌کند که دقت آن‌ها را بسیار افزایش می‌دهد.

6. در موارد عمومی، ضرر در سیستم‌های گسسته نسبت به سیستم‌های آنالوگ کمتر است.

سیستم‌های تک ورودی تک خروجی

این‌ها همچنین به عنوان SISO شناخته می‌شوند. در این سیستم، سیستم یک ورودی برای یک خروجی دارد. مثال‌های مختلف از این نوع سیستم می‌تواند شامل کنترل دما، سیستم کنترل موقعیت و غیره باشد.

سیستم‌های چند ورودی چند خروجی

این‌ها همچنین به عنوان MIMO شناخته می‌شوند. در این سیستم، سیستم چندین خروجی برای چندین ورودی دارد. مثال‌های مختلف از این نوع سیستم می‌تواند شامل سیستم‌های PLC و غیره باشد.

سیستم پارامترهای متمرکز

در این نوع از سیستم‌های کنترل، مؤلفه‌های مختلف فعال و غیرفعال فرض می‌شود که در یک نقطه متمرکز شده‌اند و به همین دلیل این‌ها را سیستم‌های پارامترهای متمرکز می‌نامند. تحلیل این نوع سیستم‌ها بسیار آسان است که شامل معادلات دیفرانسیل است.

سیستم پارامترهای پخش شده