مفهوم أنظمة التحكم وآلية عملها
تعريف أنظمة التحكم
تٌعرف أنظمة التحكم على أنها مجموعة من الأنظمة الكهربائية والميكانيكية التي تعمل على تنظيم عمل الأجهزة الأخرى، و تقوم بالوصول للقيمة المطلوبة من مخرجات النظام الحقيقية (بالإنجليزية: Actual output) عن طريق التحكم بهذه المخرجات ومقارنتها بالمدخلات أو المخرجات المتوقعة (بالإنجليزية: Desired output). وتتكون أنظمة التحكم بشكل أساسي من خمس مكونات أساسية: المدخلات والمخرجات والمستشعرات والمتحكمات والمحركات.
آلية عمل أنظمة التحكم
ويقوم نظام التحكم بتنظيم عمل الأجهزة عن طريق إصدار الأوامر أو توجيه سلوكها من خلال إرسال الإشارات الكهربائية إلى المحركات الموجودة في النظام (بالإنجليزية:Actuators)، مثل المواتير والصمامات وغيرها، ويتم مراقبة وصول النظام إلى القيم المرغوبة والموضوعة مسبقًا عن طريقة المستشعرات الموجودة في النظام (بالإنجليزية:Transducer).
يمكن تشغيل نظام التحكم ب الكهرباء أو بالوسائل الميكانيكية أو بضغط المائع (سائل أو غاز) أو بمجموعة من الوسائل، يعمل نظام التحكم ذلك من خلال حلقات التحكم، وهي عملية مصممة للحفاظ على متغير العملية عند نقطة التحديد المطلوبة، بمعنى آخر، يمكن تبسيط تعريف نظام التحكم كنظام يتحكم في الأنظمة الأخرى.
ومن الأمثلة على أنظمة التحكم الموجودة في أجهزة التكييف، إذ يقوم مستشعر الحرارة بقياس درجة الحرارة بشكل مستمر، فإذا كانت الحرارة التي تم قياسها لا تتطابق مع درجة الحرارة التي حددها المستخدم فإن المستشعر يستمر بإرسال إشارات كهربائية للمتحكم والذي بدوره يقوم بإرسال إشارة كهربائية للمحرك (وهو بهذه الحالة مضخة الهواء) لتستمر برفع أو خفض درجة الحرارة، ويستمر المستشعر بقياس دراجات الحرارة حتى يصل الهواء لدرجة الحرارة المطلوبة وفور الوصول لذلك، تتوقف العملية، ثم تعاد الكرة عند تغيرها من جديد .
تطور أنظمة التحكم
لعبت أنظمة التحكم دورًا رئيسيًا في تطوير التكنولوجيا الحديثة والحضارة وتقدمها، فمثلًا، المكيفات في المنازل وأماكن العمل ونظام التحكم في الحياة اليومية ك الثلاجة وخزان مرحاض للحمام ومكواة أوتوماتيكية والعديد من العمليات داخل السيارات.
كما تظهر أنظمة التحكم في البيئات الصناعية في مراقبة جودة المنتجات، وأنظمة الأسلحة، وأنظمة النقل، وأنظمة الطاقة، والفضاء، وتنطبق مبادئ نظرية التحكم على كل من المجال الهندسي وغير الهندسي.
طور نظام التحكم ليصبح هناك نظام الأتمتة، وهنالك نوعان أساسيان من أنظمة التحكم وهما: نظام التغذية إلى الأمام ونظام ردود الفعل ولكل منها أصوله التاريخية، كما يعد النظام المستخدم للتحكم في الموضع و السرعة و التسارع ودرجة الحرارة والضغط والجهد والتيار وما إلى ذلك أمثلة على أنظمة التحكم.
أنواع أنظمة التحكم
طُوّرت أنظمة التحكم على أساس مبدأ التشغيل الآلي أو التلقَنة، وعلى هذا الأساس يوجد نوعان رئيسيان لأنظمة التحكم، وفيما يأتي توضيحها :
أنظمة التحكم ذات العقدة المفتوحة
في التحكم الارتجاعي (بالإنجليزية: Feedback control ) تُقاس المتغيرات التي يُتحكّم بها وتُقارن أيضًا مع قيمة مرجعية أو مستهدفة، وبعد المقارنة، فإن الاختلاف بين القيمة الفعلية التي ظهرت والقيمة المستهدفة تُسمى بالخطأ أو (Error)، ولذلك باستخدام هذا النظام يُتوقّع أن تقل نسبة الخطأ من خلال التلاعب بالمدخلات في نظام التحكم.
ويعرف هذا النوع من أنظمة التحكم بالسهولة والبساطة، حيث أنها تتكون من عمليتين رئيستين هما الإدخال والإخراج ولا يحتاج هذا النظام لحساب إذا ما كان المخرج هو النتيجة المطلوبة أم لا. ومثال على هذا النظام هي الغسالات.
أنظمة التحكم ذات العقدة المغلقة
تستخدم أنظمة التحكم ذات العقد المغلقة (Feedforward control) بهدف التخلّص من الاضطرابات الدائمة التي لا يمكن التخلّص منها بطريقة دقيقة عبر نظام التحكم الارتجاعي فقط، لذا فإن هذا النظام عادةً ما يُستخدم بالتزامن مع نظام التحكم الارتجاعي وليس لوحده، فهذا يزيد من كفاءة نظام التحكم.
خصائص أنظمة التحكم
تشترك جميع أنظمة التحكم الحديثة الحلقة المغلقة أو آلية المؤازرة في خاصيتين أساسيتين، يمكن وصفها على النحو الآتي:
قدرة نظام التحكم في التحكم بكمية المنتجات
عندما تكون المنتجات الناتجة عن نظام التحكم الخاضع للرقابة، فإن المحدد المرتبط بالنظام يقوم على تغيير قيمة الكمية الخاضعة لهذه الرقابة، وبالتالي يستمد هذا النظام الحاجة للتغيير من النظام نفسه وذاتيّاً دون تدخل خارجي، وهذا يعني أن هذا النظام يملك القدرة الكافية للتحكم بالكمية الناتجة الخاضعة للرقابة.
تحديد كمية الطاقة اللازمة للمنتجات
تتم عملية تغذية المحرك داخل النظام بالطاقة ضمن معدل تغذية محدد لإحداث تلك التغييرات بالقيمة الكلية للكمية الناتجة والخاضعة للرقابة، وذلك بشكل مباشر من خلال بعض الاختلافات بين القيمة المنتجة المطلوبة مقارنة بالقيمة المنتجة الفعلية للكمية الخاضعة للرقابة في النظام، وهذا ما ينطبق على نظام التسخين الحراري، بحيث أن النظام يحدد حاجة الفرن للإمداد بالوقود بمقارنة درجة حرارة ا لفرن الفعلية ب درجة الحرارة المط لوبة.
