دانلود مقاله معرفی سیستم های کنترل

1-1 مقدمه:

کنترل خودکار پیشرفت علوم مهندسی نقشی حیاتی داشته است. کنترل خودکار علاوه بر نقش بسیار مهمی که در سیستم های فضا پیما، هدایت موشک، روبات ها و سیستم های مشابه داشته است. بخش مهم ناگسستنی از فرآیندهای صنعتی امروزی است. کنترل خودکار در کنترل عددی ماشینهای ابزار، طراحی هواپیماهای بی سر نشین و طراحی اتومبیل وکامیون کاملاً ضروری است.  در فرایند صنعتی متنوعی چون کنترل فشار، دما، رطوبت، چسبندگی و جریان نیز کنترل نقشی اساسی دارد.

چون پیشرفت نظریه کنترل خودکار و کاربردهای آن عامل دستیابی به کارایی بهینه سیستمهای دینامیکی، ازدیاد بازده، و تسهیل کارهای تکراری دستی است، مهندسین و دانشمندان باید درک خوبی در این زمینه کسب کنند.

مرور تاریخی:  اولین کار برجسته در زمینه کنترل خودکار، ناظم گریز از مرکز جیمز وات، برای کنترل سرعت ماشینهای بخار در قرن هیجدهم است. دیگر کارهای برجسته در مراحل اولیه بسط نظریه کنترل توسط مینوسکی، هازن، نایکوییست ودیگران انجام شده است. در 1922 مینورسکی بر روی کنترل خودکار کشتیها کارکرد و نشان داد که چگونه می توان پایداری را با توجه به معادلات دیفرانسیل توصیف کننده   سیستم تعیین کرد. در 1932، نایکوییست روش نسبتاً ساده ای برای  تعیین پایداری سیستمهای حلقه بسته، براساس پاسخ حلقه باز به ورودیهای سینوسی، ارائه کرد. در سال 1934 هازن، که اصطلاح سرو مکانیسم برای سیستم های کنترل وضعیت از ابداعات اوست. طراحی که سیستم سرومکانیسم رله ای را مورد بحث قرار داد، که می توانست ورودی متغیری را به خوبی دنبال کند.

در دهه 1940 روشهای پاسخ فرکانسی (خصوصاً روش نمودار بوده که توسط بوده ابداع شد) امکان طراحی سیستمهای کنترل حلقه بسته ای خطی یی را فراهم کرد که شاخصهای عملکرد را براورده می کردند. طی سالهای آخر دهه 1940 تا سالهای اول دهه 1950، ایوانز روش مکان هندسی ریشه ها را به طور کامل مورد بررسی قرار داد.

روشهای پاسخ فرکانسی و مکان هندسی ریشه ها اساس نظریه کلاسیک کنترل هستند. اینها به سیستمهای منجر می شوند که پایدارند و مجموعه ای از خواسته ای کم و بیش دلخواه عملکرد را برآورده می کنند. این سیستمها در حالت کلی قابل قبول اند، ولی به هیچ مفهومی بهینه نیستند. از اواخر دهه 1950 به بعد، تاکید از طراحی سیستمی که کار قابل قبولی دارد، به طراحی سیستمی بهینه معطوف گشته است.

چون دستگاه های چند ورودی، چند خروجی امروزی روز به روز پیچیده  تر می شوند، توصیف یک سیستم کنترل امروزی باتعداد معادله انجام می شود. نظریه کلاسیک کنترل که تنها به سیستمهای یک ورودی- یک خروجی اختصاص دارد، برای تحلیل این سیستمهای چند ورودی- چند خروجی توانایی کافی ندارد. از اواسط دهه 1960، به خاطر در دسترس بودن کامپیوترهای دیجیتال، تحلیل سیستمهای پیچیده در حوزه زمان امکان پذیر شده است. به همین خاطر نظریه جدید کنترل بر اساس تحلیل و طراحی در حوزه زمان، با استفاده از متغیرهای حالت پاگرفته است تا بتواند از عهده تحلیل دستگاههای پیچیده امروزی برآید و سیستم کنترلی تحویل دهد که خواسته های مربوط به وزن، هزینه، و دقت را، که امروزه با وسواس بیشتر و تولرانس کمتر تعیین می شوند، برآورده کند.

طی سالهای 1940 تا 1980 تحقیقات گسترده ای در مورد کنترل بهینه سیستمهای قطعی و اتفاقی، کنترل وفقی و یادگیرنده سیستمهای پیچیده صورت گرفت. از 1980 تاکنون تحقیقات نظری کنترل حول مباحثی چون کنترل مقاوم، کنترل , و موضوعات مرتبط با آنها دورمی زده است.

اکنون کامپیوترهای دیجیتال به خاطر ارزانی و کوچکی در سیستمهای کنترل بسیار به کار برده می شوند. نظریه جدید کنترل اخیراً در کاربردهای غیر مهندسی، چون سیستم های زیستی، دارویی، اقتصادی و جامعه شناسی به کار برده شده است.

تعاریف. قبل از شروع بحث راجع به سیستم های کنترل باید برخی اصطلاحات را تعریف کنیم.

متغیر کنترل شده و متغیر تاثیرگذار. متغیر کنترل شده، کمیت یا شرطی است که اندازه گیری و کنترل می شود متغیر تاثیرگذار کمیت یا شرطی است که تغییر داده می شود تا بر متغیر تحت کنترل تاثیر بگذارد. معمولاً متغیر تحت کنترل خروجی سیستم است. منظور از کنترل   اندازه گیری متغیر تحت کنترل و اعمال کاربرد متغیر تأثیرگذار برای رساندن متغیر تحت کنترل به مقدار مطلوب است.

در مطالعه مهندسی کنترل برای توصیف  سیست مهای نیازمند تعریف اصطلاحات دیگری نیز هستیم.

دستگاه.  دستگاه می تواند بخشی از یک وسیله، مثلاً مجموعه ای از اجزاء ماشین که یک کار انجام می دهند، باشد. در این کتاب هر جسم فیزیکی تحت کنترل (مثلاً یک وسیله مکانیکی، کوره گرمایش، راکتور شیمیایی، یا سفینه) دستگاه نامیده می شود.

فرایند.   فرایند عملی طبیعی و تدریجی یا یک رشته تغیر تدریجی است که به صورتی تقریباً   معین یکی پس از دیگری انجام شده به هدفی مشخص می انجامد، همچنین عملی مصنوعی که از یک رشته جنبشها و کارهای کنترل شده برای سوق به هدفی مشخص صورت می گیرد. در این کتاب هر کاری را که باید کنترل شود فرآیند می نامیم.

فرایندهای شیمیایی، اقتصادی، و زیستی مثالهایی از این فرایندها هستند.

سیستم.  سیستم ترکیبی  از اجزاست که باهم و برای انجام عملی مشخص کار می کنند. سیستم تنها سیستم فیزیکی نیست. مفهوم سیستم را میتوان به پدیده های پویای انتزاعی، مثلاً پدیده های اقتصادی، نیز تعمیم داد. بنابراین کلمه سیستم می تواند تمام سیستمهای فیزیکی، زیستی، اقتصادی، و غیره را شامل شود.

اغتشاش. اغتشاش سیگنالی است که در جهت تغییر شدید یک سیستم عمل می کند. اگر اغتشاش در داخل سیستم تولید شود آن را داخلی می نامیم، اغتشاش خارجی  در خارج سیستم تولید می شود و یک ورودی سیستم است.

کنترل با فیدبک. منظور از کنترل با فیدبک عملی است که می کوشد اختلاف بین خروجی سیستم ورودی مرجع را به رغم وجود اغتشاش می نیم کند، و این کوشش بر اساس این اختلاف صورت می گیرد. در اینجا تنها اغتشاشای پیش بینی نشده مورد نظر است، زیرا اغتشاشهای معلوم را همیشه می توان در داخل سیستم جبران کرد.

1-2 نمونه های از سیستم های کنترل

 در این بخش نمونه هایی از سیستم های کنترل رامعرفی می کنیم.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

سیستم کنترل سرعت.  اصول اساسی ناظم سرعت وات برای یک ماشین در شکل 1-1 نشان داده شده است. مقدار سوختنی که به ماشین می رسد براساس تفاضل سرعت مطلوب و سرعت واقعی ماشین تنظیم می شود. رشته عملیات کنترلی را می توان به صورت زیر بیان کرد:

ناظم سرعت طوری تنظیم شده است که در سرعت مطلوب روغن تحت فشار به هیچ طرف سیلندر قدرت وارد نمی شود. اگر سرعت موتور را در اثر اغتشاش از این حد مطوب کمتر شود، کاهش نیروی گریز از مرکز ناظم سرعت باعث کاهش شیر کنترل به سمت پایین می شود. این حرکت باعث افزایش ورودی سوخت شده، سرعت افزایش می یابد تا به حد مطلوب برسد. اگر سرعت موتور بیش از حد مطلوب شود، افزایش نیروی گریز از مرکز باعث بالارفتن شیر کنترل شده، سوخت کمتری به ماشین می رسد.

کاهش سوخت باعث کاهش سرعت ماشین و رسیدن آن به حد مطلوب می شود.

در این سیستم کنترل سرعت، دستگاه (سیستم تحت کنترل) ماشین و متغیر تحت کنترل سرعت آن است. تفاضل بین سرعت مطلوب و سرعت واقعی سینگنال خطاست. سیگنال کنترل (مقدار سوخت) که به دستگاه (ماشین) اعمال می شود، سیگنال کاراندازا است، ورودی خارجی که باعث تغییر تحت کنترل می شود، اغتشاش است.بعنوان مثال تغییر غیر منتظره بار ماشین یک اغتشاش است.

سیستم کنترل دما.  شکل 1-2 نمودار کنترل درجه حرارت یک کوره الکتریکی را نشان می دهد درجه حرارت داخل کوره الکتریکی توسط دماسنج، که وسیله ای آنالوگ است سنجیده می شود. مبدل A/D سیگنال آنالوگ دما رابه یک سیگنال دیجیتال دما تبدیل می کند. این سیگنال از طریق یک مدار واسطه به کنترل کننده داده می شود. دمای دیجیتالی با دمای برنامه ریزی شده در ورودی مقایسه می شود، ودر صورت وجود اختلاف (خطا) سیگنالی از طریق کنترل کننده به کوره، باز هم از طریق یک مدار واسطه تقویت کننده وارد می شود و رله دما را به حد مطلوب
می رساند.

سیستمهای اداری.  سیستم اداری ممکن است از گروههای بسیاری تشکیل شده باشد. هر وظیه محول شده به یک گروه عنصری پویا از این سیستم است. در چنین سیستمی باید فیدبک به صورت گزارشگری از کارهای محول شده به کار می رود تا سیستم به طور مناسبی عمل کند. تداخل بی گروههای اری باید می نیمم شود تا تاخیرهای زمانی نامطوب در سیستم کم شود. هر چه تداخلها کمتر شود کار روانتر صورت می گیرد.

سیستم اداری یک سیستم حلقه بسته است. طراحی خوب، مدیریت کنترلی لازم را کاهش می دهد. اغتشاشهای این سیستم کمبود کارمند یا وسایل،وقفه در ارتباطات، اشتباههای انسانی و غیره است.

ایجاد یک سیستم برآورد خوب براساس آماری کاری لازمه مدیریت خ وب است. (این حقیقتی شناخته شده است که پیش افتادن کار عملکرد چنین سیستمی را بهبود می بخشد.)

برای استفاده از نظریه کنترل برای بهبود عملکرد چنین سیستمی باید مشخصات دینامیکی گروه های کاری را با معادلات نسبتاً ساده ای توصیف کنیم.

گرچه تعیین نمایش ریاضی گروه های کاری مسئله مشکلی است، ولی کاربرد روشهای بهینه سازی در مورد سیستمهای اداری بهبود قابل ملاحظه ای در عملکرد آنها ایجاد می کند.

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)