حلقات التحكم والديناميكيات

شرح كل مكون من مكونات نظام التحكم، بما في ذلك الصمامات والمُدارات والحساسات والمُتحكِّمات؛ إلى جانب مقدمة في طرق التحكم وديناميكيات النظام، بما في ذلك حلقات التحكم البسيطة وأنظمة التغذية الراجعة.

ما هي حلقات التحكم؟

تقدم هذه الوحدة مناقشة حول أنظمة التحكم الكاملة، المكونة من الصمام والمُدار والحسَّاس والمُتحكِّم وديناميكيات العملية نفسها. حلقات التحكم

نظام تحكم بحلقة مفتوحة

يعني التحكم بحلقة مفتوحة ببساطة عدم وجود تغذية راجعة مباشرة من الحالة المتحكَّم بها؛ بعبارة أخرى، لا تُرسَل معلومات من العملية أو النظام تحت التحكم لإبلاغ المُتحكِّم أن إجراءً تصحيحياً مطلوباً. يُوضِّح نظام التدفئة الموضح في الشكل 5.3.1 ذلك باستخدام حسَّاس خارج الغرفة المُدفأة. النظام الموضح في الشكل 5.3.1 ليس مثالاً لنظام تحكم تدفئة عملي؛ يُستخدم فقط لتصوير مبدأ التحكم بحلقة مفتوحة.

يتكون النظام من مُتحكِّم تناسبي مع حسَّاس خارجي يكشف درجة حرارة الهواء المحيط. قد يُعيَّن المُتحكِّم بنطاق تناسبي كبير نسبياً، بحيث عند درجة حرارة محيط -1 درجة مئوية يكون الصمام مفتوحاً بالكامل، وعند 19 درجة مئوية يكون الصمام مُغلقاً بالكامل. بما أن درجة حرارة المحيط ستؤثر على فقدان الحرارة من المبنى، يُأمل أن يتم التحكم في درجة حرارة الغرفة.

ومع ذلك، لا توجد تغذية راجعة regarding درجة حرارة الغرفة والتدفئة due to عوامل أخرى. في الطقس المعتدل، على الرغم من أن تدفق الماء يُتحكم فيه، إلا أن عوامل أخرى، مثل الأشعة الشمسية العالية، قد تسبب ارتفاع درجة حرارة الغرفة. بعبارة أخرى، يميل التحكم المفتوح فقط إلى توفير تحكم خشن للتطبيق. يصور الشكل 5.3.2 نظام تحكم أكثر تطوراً قليلاً مع حسَّاسين.

يستخدم النظام صمام مزج ثلاثي المنافذ مع مُدار ومُتحكِّم وحسَّاس هواء خارجي، بالإضافة إلى حسَّاس درجة حرارة في خط الماء.

يوفّر حسَّاس درجة الحرارة الخارجية مدخلاً لنقطة ضبط بعيدة إلى المُتحكِّم، يُستخدم لتعديل نقطة ضبط درجة حرارة الماء. بهذه الطريقة، يُطبَّق التحكم بحلقة مغلقة على درجة حرارة الماء المتدفق عبر الدفايات. عندما يكون الطقس بارداً في الخارج، يتدفق الماء عبر الدفاية عند درجة حرارة قصوى. مع ارتفاع درجة الحرارة الخارجية، يُقلل المُتحكِّم تلقائياً من درجة حرارة الماء المتدفق عبر الدفايات. ومع ذلك، هذا لا يزال تحكماً بحلقة مفتوحة بالنسبة لدرجة حرارة الغرفة، حيث لا توجد تغذية راجعة من المبنى أو الفراغ المُدفأ. إذا كانت الدفايات مبالغة في الحجم أو حدثت أخطاء تصميم، فسيستمر الارتفاع المفرط في درجة الحرارة.

التحكم بحلقة مغلقة

بكل بساطة، يتطلب التحكم بحلقة مغلقة تغذية راجعة؛ معلومات مُرسَلة مباشرة من العملية أو النظام. باستخدام نظام التدفئة البسيط الموضح في الشكل 5.3.3، سيكشف إضافة حسَّاس درجة حرارة الفراغ الداخلي عن درجة حرارة الغرفة ويوفّر تحكماً بحلقة مغلقة regarding الغرفة. في الشكل 5.3.3، يُتحكم بالصمام والمُدار عبر حسَّاس درجة حرارة الفراغ في الغرفة، موفراً تغذية راجعة من درجة حرارة الغرفة الفعلية.

الاضطرابات

الاضطرابات هي عوامل تدخل العملية أو النظام لإرباك قيمة الوسط المتحكَّم به. يمكن أن تسبب هذه الاضطرابات تغيرات في الحمل أو تأثيرات خارجية. على سبيل المثال؛ إذا امتلأت غرفة فجأة بالناس في نظام تدفئة بسيط، فإن ذلك يشكل اضطراباً، لأنه سيؤثر على درجة حرارة الغرفة وكمية الحرارة المطلوبة للحفاظ على درجة حرارة الفراغ المطلوبة.

التحكم بالتغذية الراجعة

هذا نوع آخر من التحكم بحلقة مغلقة. يأخذ التحكم بالتغذية الراجعة بعين الاعتبار الاضطرابات ويُعيد هذه المعلومات إلى المُتحكِّم، للسماح باتخاذ إجراء تصحيحي. على سبيل المثال، إذا دخل عدد كبير من الأشخاص إلى غرفة، ستزداد درجة حرارة الفراغ، مما سيجعل نظام التحكم يُقلل من إدخال الحرارة إلى الغرفة.

التحكم بالتغذية الأمامية

مع التحكم بالتغذية الأمامية، يتم التنبؤ بآثار أي اضطرابات والتعامل معها قبل وقوع الحدث فعلياً. مثال على ذلك هو رفع الغلاية إلى نار عالية قبل تشغيل منشأة صناعية كبيرة تستخدم البخار على الإنترنت. قد تكون سلسلة الأحداث كالتالي: يتم تشغيل المنشأة العملية. هذا الإجراء، بدلاً من فتح صمام البخار إلى العملية، يأمر حارق الغلاية بالنار العالية. فقط عند الوصول إلى وضع النار العالية يُسمح بصمام بخار العملية بالفتح، وببطء وبشكل مُتحكم فيه.

التحكم بحلقة واحدة

هذه أبسط حلقة تحكم تتضمن متغيراً متحكَّماً به واحداً فقط، مثل درجة الحرارة. لشرح ذلك، يُعتبر مبادل حراري من البخار إلى الماء كما هو موضح في الشكل 5.3.4.

المتغير الوحيد المتحكَّم به في الشكل 5.3.4 هو درجة حرارة الماء الخارج من المبادل الحراري. يتحقق ذلك بالتحكم في صمام البخار ذي المنفذين الذي يُغذّي البخار إلى المبادل الحراري. قد يكون الحسَّاس الأولي زوجاً حرارياً أو مقياس حرارة مقاومة بلاتينية PT100 يكشف درجة حرارة الماء.

يقارن المُتحكِّم إشارة الحسَّاس مع نقطة الضبط على المُتحكِّم. إذا كان هناك فرق، يُرسل المُتحكِّم إشارة إلى مُدار الصمام، الذي يحرك الصمام بدوره إلى وضع جديد. قد يتضمن المُتحكِّم أيضاً مؤشر خرج يُظهر نسبة فتح الصمام. توفّر حلقات التحكم المنفردة الغالبية العظمى من التحكم لأنظمة التدفئة والعمليات الصناعية. تشمل المصطلحات الأخرى المستخدمة لحلقات التحكم المنفردة:

• التحكم بالقيمة المُعيَّنة.
• التحكم بحلقة مغلقة منفردة.
• التحكم بالتغذية الراجعة.

التحكم بحلقات متعددة

يأخذ المثال التالي تطبيقاً لمنتج خشبي بطيء الحركة، يجب التحكم فيه عند مستوى رطوبة محدد (انظر الأشكال 5.3.5 و 5.3.6).

في الشكل 5.3.5، يتحكم حسَّاس الرطوبة المنفرد عند نهاية الناقل في كمية الحرارة المُضافة بواسطة الفرن. ولكن إذا تغير معدل رش المياه بسبب تقلبات في ضغط إمداد المياه مثلاً، فقد يستغرق الأمر ربما 10 دقائق قبل أن يصل المنتج إلى نهاية الناقل ويتفاعل حسَّاس الرطوبة. سيسبب ذلك تغيرات في جودة المنتج.

لتحسين التحكم، يمكن تركيب حسَّاس رطوبة ثانٍ على حلقة تحكم أخرى مباشرة بعد رش المياه، كما هو موضح في الشكل 5.3.6. يوفّر حسَّاس الرطوبة هذا مدخلاً لنقطة ضبط بعيدة إلى المُتحكِّم يُستخدم لتعديل نقطة الضبط المحلية. تُعيَّن نقطة الضبط المحلية عند الرطوبة المطلوبة بعد الفرن. هذا، بشكل بسيط، يوضح التحكم بحلقات متعددة. يتكون نظام التحكم في الرطوبة هذا من حلقتَي تحكم:

• تحكم الحلقة 1 في إضافة الماء.
• تحكم الحلقة 2 في إزالة الماء. ضمن هذه العملية، ستؤثر عوامل على كلا الحلقَتين. بعض العوامل مثل ضغط الماء ستؤثر على كلا الحلقَتين. ستحاول الحلقة 1 تصحيح هذا، لكن أي خطأ ناتج سيكون له تأثير على الحلقة 2.

التحكم المتسلسل

حيث تحتاج متغيران مستقلان للتحكم بصمام واحد، يمكن استخدام نظام تحكم متسلسل. يبين الشكل 5.3.7 وعاء مُبطَّن بالبخار مليء بمنتج سائل. الجوانب الأساسية للعملية صارمة جداً:

• يجب تسخين المنتج في الوعاء إلى درجة حرارة معينة.
• يجب ألا يتجاوز البخار درجة حرارة معينة وإلا قد يفسد المنتج.
• يجب ألا تزداد درجة حرارة المنتج بمعدل أسرع من المحدد وإلا قد يفسد المنتج. إذا استُخدم تحكم عادي بحلقة واحدة مع الحسَّاس في السائل، فعند بدء العملية سيرصد الحسَّاس درجة حرارة منخفضة، وسيرسل المُتحكِّم إشارة إلى الصمام للانتقال إلى الوضع المفتوح بالكامل. سيؤدي ذلك إلى مشكلة caused by درجة حرارة بخار مفرطة في السترة.

الحل هو استخدام تحكم متسلسل بمُتحكِّمَين وحسَّاسَين:

• مُتحكِّم تابع (المُتحكِّم 2) وحسَّاس يراقبان درجة حرارة البخار في السترة، ويُصدران إشارة إلى صمام التحكم.
• مُتحكِّم رئيسي (المُتحكِّم 1) وحسَّاس يراقبان درجة حرارة المنتج مع توجيه خرج المُتحكِّم إلى المُتحكِّم التابع.
• تُستخدم إشارة الخرج من المُتحكِّم الرئيسي لتغيير نقطة الضبط في المُتحكِّم التابع، مما يضمن عدم تجاوز درجة حرارة البخار. المثال 5.3.1 مثال على التحكم المتسلسل المُطبَّق على وعاء عمليات يُسخَّن درجة حرارة السائل من 15 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية ويُحفظ عند 80 درجة مئوية لمدة ساعتين. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة البخار 120 درجة مئوية تحت أي ظرف. يجب ألا تزداد درجة حرارة المنتج بأكثر من 1 درجة مئوية/دقيقة. يمكن زيادة المُتحكِّم الرئيسي بشكل تدريجي بحيث لا يتجاوز معدل ارتفاع درجة حرارة الماء المعدل المحدد. يُعيَّن المُتحكِّم الرئيسي في وضع العكس، بحيث تكون إشارة خروجه إلى المُتحكِّم التابع 20 مللي أمبير عند درجة حرارة منخفضة و4 مللي أمبير عند درجة حرارة عالية. تُعيَّن نقطة الضبط البعيدة على المُتحكِّم التابع بحيث تكون إشارة خروجه إلى الصمام 4 مللي أمبير عندما تكون درجة حرارة البخار 80 درجة مئوية، و20 مللي أمبير عندما تكون درجة حرارة البخار 120 درجة مئوية. بهذه الطريقة، لا يمكن أن تكون درجة حرارة البخار أعلى مما يتحمله النظام، ولا يمكن أن يكون ضغط البخار في السترة أعلى من ضغط التشبع عند 120 درجة مئوية، 1 بار قياسي.

ديناميكيات العملية

هذا موضوع معقد للغاية لكن هذا الجزء من النص سيعالج الاعتبارات الأساسية. تم توضيح مصطلح ‘ثابت الزمن’، الذي يعالج تعريف الوقت المستغرق لحركة المُدار، بالفعل في الوحدة 5.1؛ ولكي نُكرر، هو الوقت الذي يستغرقه نظام التحكم للوصول إلى ما يقرب من ثلثي حركته الإجمالية نتيجة لتغير فوري في درجة الحرارة أو متغير آخر. ستكون لأجزاء أخرى من نظام التحكم استجابات مماثلة قائمة على الوقت - المُتحكِّم ومكوناته والحسَّاس نفسه. جميع الأدوات لديها تأخور زمني بين مدخل الأداة ومخرجها اللاحق. حتى نظام النقل سيكون لديه تأخور - ليس مشكلة مع الأنظمة الكهربائية/الإلكترونية لكنه عامل قد يحتاج إلى أخذه في الاعتبار مع أنظمة النقل الهوائية. يُوضِّح الشكلان 5.3.8 و 5.3.9 بعض التأخيرات النموذجية في استجابة زوج حراري تم تركيبه في جيب لكشف درجة حرارة الماء.

بصرف النظر عن التأخيرات في استجابة الحسَّاس، تؤثر أجزاء أخرى من نظام التحكم أيضاً على وقت الاستجابة. مع الأنظمة الهوائية والذاتية، تميل حركة الصمام/المُدار إلى السلسة، وفي مُتحكِّم تناسبي، تكون متناسبة مباشرة مع انحراف درجة الحرارة عند الحسَّاس.

مع مُدار كهربائي هناك تأخير بسبب الوقت الذي يستغرقه المحرك لحركة رابطة التحكم. بما أن إشارة التحكم هي سلسلة من النبضات، يُقدم المحرك bursts of movement متبوعة بفترات يكون فيها المُدار ثابتاً. يصوّر مخطط الاستجابة (الشكل 5.3.10) ذلك. ومع ذلك، بسبب التأخيرات في استجابة العملية، يمكن أن تكون درجة الحرارة المتحكَّم بها النهائية لا تزال سلسة.

أنظمة التحكم التي تمت تغطيتها في هذه الوحدة اعتبرت فقط الظروف المستقرة. ومع ذلك، قد تتعرض العملية أو المنشأة تحت التحكم لتغيرات بعد نمط سلوكي معين. يتطلب نظام التحكم جعل العملية تتصرف بطريقة متوقعة. إذا كانت العملية من النوع الذي يتغير بسرعة، فيجب أن يكون نظام التحكم قادراً على التفاعل بسرعة.

إذا كانت العملية تخضع لتغيير بطيء، فإن متطلبات سرعة التشغيل لنظام التحكم ليست صارمة بهذا القدر. documented الكثير عن السلوك الساكن والديناميكي للمُتحكِّمات وأنظمة التحكم - الحساسية، وقت الاستجابة وما إلى ذلك. possibly العامل الأهم للconsideration هو التأخور الزمني لحلقة التحكم الكاملة. تحتاج ديناميكيات العملية إلى consideration لاختيار النوع الصحيح من المُتحكِّم والحسَّاس والمُدار.

استجابات العملية

تُحدد هذه الخصائص الديناميكية بواسطة استجابة العملية لتغير مفاجئ في إعدادات التحكم، المعروف بالمدخل الفوري. قد يشمل ذلك تغيراً فورياً في درجة الحرارة المُعيَّنة، كما هو موضح في الشكل 5.3.11. تُصوَّر استجابة النظام في الشكل 5.3.12، الذي يُظهر قدراً من الوقت الميت before تبدأ درجة حرارة العملية في الارتفاع. يرجع هذا الوقت الميت إلى تأخير التحكم caused by أشياء مثل مُدار كهربائي ينتقل إلى وضعه الجديد. سينتج ثابت الزمن استجابةً different حسب الاستجابة الديناميكية للシステム، المتأثرة بأشياء مثل whether كان الحسَّاس في جيب أم لا.

يمكن أن تكون لاستجابة أي عمليتين خصائص مختلفة بسبب النظام.

تُوضِّح تأثيرات الوقت الميت وثابت الزمن على استجابة النظام لتغير مدخل مفاجئ بيانياً في الشكل 5.3.12. الأنظمة التي يكون لديها معدل استجابة أولي سريع لتغيرات المدخلات تُعرف عموماً بأنها تمتلك استجابة من الدرجة الأولى. الأنظمة التي يكون لديها معدل استجابة أولي بطيء لتغيرات المدخلات تُعرف عموماً بأنها تمتلك استجابة من الدرجة الثانية. يُوضِّح الشكل 5.3.13 نظرة عامة على الأنواع الأساسية من استجابة العملية (تأثيرات الوقت الميت، استجابة الدرجة الأولى، واستجابة الدرجة الثانية).