فناوری

سیستم های کنترل خطی چه هستند و چگونه کار میکنند؟

سیستم های کنترل خطی چه می باشند؟ سیستم های کنترل غیرخطی چیست؟ به طور کلی سیستم های کنترلی چه هستند؟

سیستم کنترل سیستمی از وسایلی است که رفتار سایر دستگاه ها را برای دستیابی به نتیجه مطلوب مدیریت، هدایت یا تنظیم می کند. به عبارت دیگر، سیستم کنترل را می توان به عنوان سیستمی ساده در نظر گرفت که سیستم های دیگر را برای رسیدن به حالت مطلوب کنترل می کند.

انواع مختلفی از سیستم های کنترل وجود دارد که می توان آنها را به طور کلی به عنوان سیستم های کنترل خطی یا سیستم های کنترل غیر خطی طبقه بندی کرد. این نوع سیستم های کنترلی در زیر به تفصیل مورد بحث قرار می گیرند. در این مقاله قصد داریم سیستم های کنترل خطی را بررسی کنیم و جزییاتش را نیز مورد بررسی قرار دهیم پس تا آخر همراه ما باشید.

قبل از اینکه به سرغ معرفی سیستم های کنترل خطی برویم مایلم مجموعه آموزش مهندسی کنترل فرادرس را به شما معرفی کنم. در این مجموعه آموزشی میتوانید تمام دروس مرتبط با سیستم های کنترل خطی را مشاهده و در صورت تمایل اقدام به دریافت آموزش مورد نظرتان کنید.

سیستم های کنترل خطی چه می باشند؟

برای درک سیستم کنترل خطی، ابتدا باید اصل برهم نهی را درک کنیم. این اصل شامل دو ویژگی مهم است که در زیر در مورد آن توضیح خواهیم داد:

  • سیستم همگن: به سیستمی همگن گفته می شود، که ورودی را با مقدار ثابت A ضرب کنیم، خروجی نیز در همان مقدار ثابت (یعنی A) ضرب می شود.
  • سیستم دارای افزونه: فرض کنید یک سیستم S داریم و برای اولین بار ورودی این سیستم را به صورت a1 می دهیم و خروجی را به صورت b1 مربوط به ورودی a1 می گیریم. در بار دوم ورودی a2 را می دهیم و مطابق با آن، خروجی را به صورت b2 دریافت می کنیم. حال فرض کنید این بار ورودی را به عنوان مجموع ورودی های قبلی (یعنی a1 + a2) می دهیم و مطابق با این ورودی فرض کنید خروجی را به صورت (b1 + b2) دریافت می کنیم، می توانیم بگوییم که سیستم S از درجه خاصی پیروی می کند که به آن افزایشی نیز می گویند. سیستم‌های کنترل خطی را به عنوان آن دسته از سیستم‌های کنترلی تعریف می‌شود که از اصل همگنی و افزایشی پیروی می‌کنند.
سیستم های کنترل خطی

مثال هایی درباره سیستم های کنترل خطی

یک شبکه کاملاً مقاومتی با منبع DC ثابت را در نظر بگیرید. این مدار از اصل همگنی و افزایشی پیروی می کند. تمام اثرات نامطلوب نادیده گرفته شده و با فرض رفتار ایده آل هر عنصر در شبکه، می گوییم که مشخصه ولتاژ و جریان خطی را دریافت خواهیم کرد. این نمونه ای از یک سیستم کنترل خطی است. حال در این خصصو می خواهیم تفاوتی را در نظر بگیریم و آن تفاوت سیستم های کنترل خطی و غیر خطی می باشد. در زیر تعریف سیستم های کنترل غیر خطی را باهم بررسی می کنیم

سیستم های کنترل غیرخطی چیست؟

ما به سادگی می توانیم یک سیستم کنترل غیرخطی را به عنوان یک سیستم کنترلی تعریف کنیم که از اصل همگنی پیروی نمی کند. در زندگی واقعی، تمام سیستم های کنترلی سیستم های غیر خطی هستند (سیستم های کنترل خطی فقط در تئوری وجود دارند). تابع توصیف یک روش تقریبی برای تجزیه و تحلیل برخی مسائل کنترل غیرخطی است.

مثال هایی در مورد سیستم های کنترل غیر خطی

یک مثال شناخته شده از یک سیستم غیر خطی، منحنی مغناطیسی یا منحنی بدون بار یک ماشین DC است.

به طور کلی سیستم های کنترلی چه هستند؟

همانطور که گفته شد سیستم کنترل به عنوان سیستمی از دستگاه هایی تعریف می شود که رفتار سایر دستگاه ها یا سیستم ها را برای دستیابی به نتیجه دلخواه مدیریت، هدایت یا تنظیم می کند. یک سیستم کنترلی این امر را از طریق حلقه‌های کنترلی به دست می‌آورد، که فرآیندی طراحی شده برای حفظ متغیر فرآیند در یک نقطه تنظیم دلخواه است.

به عبارت دیگر، تعریف سیستم کنترل را می توان به عنوان سیستمی که سایر سیستم ها را کنترل می کند، ساده کرد. همانطور که تمدن بشری روز به روز در حال مدرن شدن است، تقاضا برای اتوماسیون نیز در کنار آن افزایش یافته است. اتوماسیون نیاز به کنترل سیستم های دستگاه های تعاملی دارد.

در سال های اخیر، سیستم های کنترل نقش محوری در توسعه و پیشرفت تکنولوژی و تمدن مدرن داشته اند. عملاً هر جنبه ای از زندگی روزمره ما کم و بیش تحت تأثیر نوعی سیستم کنترل قرار می گیرد. نمونه هایی از سیستم های کنترلی در زندگی روزمره ما عبارتند از تهویه مطبوع، یخچال، کولر، مخزن توالت حمام، اتو اتوماتیک و بسیاری از فرآیندهای خودرو که ما هر روز از آنها استفاده می کنیم. در محیط‌های صنعتی، ما سیستم‌های کنترلی را در کنترل کیفیت محصولات، سیستم تسلیحاتی، سیستم‌های حمل و نقل، سیستم‌های قدرت، فناوری فضایی، روباتیک و موارد دیگر می‌یابیم. اصول تئوری کنترل در هر دو زمینه مهندسی و غیر مهندسی قابل استفاده است.

ویژگی های مربوط به سیستم های کنترلی

ویژگی های مربوط به سیستم های کنترلی

ویژگی اصلی یک سیستم کنترل این است که باید یک رابطه ریاضی واضح بین ورودی و خروجی سیستم وجود داشته باشد. هنگامی که رابطه بین ورودی و خروجی سیستم را بتوان با یک تناسب خطی نشان داد، سیستم را یک سیستم کنترل خطی می نامند. مجدداً هنگامی که رابطه بین ورودی و خروجی را نمی توان با تناسب خطی منفرد نشان داد، بلکه ورودی و خروجی با برخی از رابطه های غیر خطی مرتبط هستند، سیستم به عنوان یک سیستم کنترل غیر خطی نامیده می شود.

الزامات مربوط به یک سیستم کنترلی

دقت: دقت تلرانس اندازه گیری ابزار است و حدود خطاهای ایجاد شده در هنگام استفاده از ابزار در شرایط عملیاتی عادی را مشخص می کند. دقت را می توان با استفاده از عناصر بازخورد بهبود بخشید. برای افزایش دقت هر سیستم کنترلی باید آشکارساز خطا در سیستم کنترل وجود داشته باشد.

حساسیت: پارامترهای یک سیستم کنترل همیشه با تغییر شرایط محیطی، اختلال داخلی یا هر پارامتر دیگری در حال تغییر هستند.

این تغییر را می توان در قالب حساسیت های سیستمی بیان کرد. هر سیستم کنترلی باید نسبت به این پارامترها حساس نباشد اما فقط به سیگنال های ورودی حساس باشد.

نویز: یک سیگنال ورودی نامطلوب به عنوان نویز شناخته می شود. یک سیستم کنترل خوب باید بتواند اثر نویز را برای عملکرد بهتر کاهش دهد.

پایداری: یکی از ویژگی های مهم سیستم کنترل است. برای سیگنال ورودی محدود، خروجی باید محدود باشد و اگر ورودی صفر باشد، خروجی باید صفر باشد، به چنین سیستم کنترلی گفته می شود که یک سیستم پایدار است.

پهنای باند: یک محدوده فرکانس کاری تعیین کننده پهنای باند سیستم کنترل است. پهنای باند باید تا حد امکان برای پاسخ فرکانسی یک سیستم کنترل خوب بزرگ باشد.

سرعت: مدت زمانی است که سیستم کنترل برای دستیابی به خروجی پایدار خود صرف می کند. یک سیستم کنترل خوب سرعت بالایی دارد. دوره گذرا برای چنین سیستمی بسیار از نظر سیستمی کم خواهد بود.

نوسان: تعداد کمی از نوسانات یا نوسانات ثابت خروجی نشان دهنده پایداری سیستم است.

الزامات مربوط به یک سیستم کنترلی

بررسی انواع سیستم های کنترلی

ما سیستم های کنترلی را در انواع خطی و غیر خطی بررسی کردیم ولی در این قسمت به شیوه های بهتری انواع آن ها را مورد بررسی قرار می دهیم. انواع مختلفی از سیستم های کنترل وجود دارد، اما همه آنها برای کنترل خروجی ها ایجاد شده اند. سیستم های مورد استفاده برای کنترل موقعیت، سرعت، شتاب، دما، فشار، ولتاژ و جریان و غیره نمونه هایی از سیستم های کنترل هستند.

اجازه دهید یک مثال از کنترل کننده دمای ساده اتاق را برای روشن کردن این مفهوم بیاوریم. فرض کنید یک عنصر گرمایشی ساده وجود دارد که تا زمانی که منبع تغذیه روشن است گرم می شود. تا زمانی که کلید برق بخاری روشن است دمای اتاق افزایش می یابد و پس از رسیدن به دمای مطلوب اتاق، منبع تغذیه قطع می شود.

مجدداً به دلیل دمای محیط، دمای اتاق کاهش می یابد و سپس به صورت دستی المنت بخاری روشن می شود تا دوباره به دمای اتاق مورد نظر برسد. به این ترتیب می توان به صورت دستی دمای اتاق را در سطح مورد نظر کنترل کرد. این یک نمونه از یک سیستم کنترل دستی است.

این سیستم را می‌توان با استفاده از آرایش سوئیچینگ تایمر منبع تغذیه که در آن منبع گرمایش در یک بازه زمانی از پیش تعیین‌شده روشن و خاموش می‌شود، بهبود بخشید تا به سطح دمای مطلوب اتاق برسد. روش بهبود یافته دیگری برای کنترل دمای اتاق وجود دارد.

در اینجا یک سنسور تفاوت بین دمای واقعی و دمای مطلوب را اندازه گیری می کند.اگر تفاوتی بین آنها وجود داشته باشد، المنت حرارتی برای کاهش تفاوت عمل می کند و زمانی که اختلاف کمتر از یک سطح از پیش تعیین شده شود، المنت های گرمایشی کار نمی کنند.

هر دو شکل سیستم، سیستم کنترل خودکار هستند. در مورد اول، ورودی سیستم کاملاً مستقل از خروجی سیستم است. دمای اتاق (خروجی) تا زمانی که کلید منبع تغذیه روشن باشد افزایش می یابد. این بدان معناست که المنت حرارتی تا زمانی که منبع تغذیه روشن باشد و دمای نهایی اتاق هیچ کنترلی بر منبع تغذیه ورودی سیستم نداشته باشد، گرما تولید می کند.

از این سیستم به عنوان یک سیستم کنترل حلقه باز یاد می شود. اما در مورد دوم، عناصر گرمایش سیستم بسته به تفاوت بین، دمای واقعی و دمای مطلوب عمل می کنند. این تفاوت را خطای سیستم می نامند. این سیگنال خطا برای کنترل ورودی به سیستم بازگردانده می شود. از آنجایی که ورودی به مسیر خروجی و مسیر بازخورد خطا یک حلقه بسته ایجاد می کند، از این نوع سیستم کنترل به عنوان یک سیستم کنترل حلقه بسته یاد می شود.

سیستم های دیجیتالی و یا گسسته در سیستم های خطی و حتی غیر خطی

در این نوع از سیستم های کنترلی، یک سیگنال گسسته (یا سیگنال ممکن است به شکل پالس باشد) به عنوان ورودی به سیستم داریم. این سیگنال ها یک بازه زمانی گسسته دارند. ما می توانیم منابع مختلف سیگنال ورودی پیوسته مانند منبع ورودی سیگنال نوع سینوسی، منبع ورودی سیگنال نوع مربعی و غیره را با استفاده از سوئیچ به شکل مجزا تبدیل کنیم.

اکنون مزایای مختلفی از سیستم گسسته یا دیجیتال نسبت به سیستم آنالوگ وجود دارد که در زیر این مزایا نوشته شده است:

سیستم های دیجیتال می توانند سیستم های کنترل غیرخطی را به طور موثرتری نسبت به نوع سیستم های آنالوگ اداره کنند. برق مورد نیاز در سیستم های گسسته یا دیجیتال در مقایسه با سیستم های آنالوگ کمتر است. سیستم دیجیتال از دقت بالاتری برخوردار است و می تواند محاسبات پیچیده مختلف را در مقایسه با سیستم های آنالوگ به راحتی انجام دهد. قابلیت اطمینان سیستم دیجیتال در مقایسه با سیستم آنالوگ بیشتر است. آنها همچنین دارای اندازه کوچک و جمع و جور هستند.

سیستم دیجیتال بر روی عملیات منطقی کار می کند که دقت آنها را چندین برابر افزایش می دهد. تلفات در مورد سیستم های گسسته در مقایسه با سیستم های آنالوگ به طور کلی کمتر است.

سیستم های تک ورودی تک خروجی

سیستم های تک ورودی تک خروجی

اینها به عنوان نوع سیستم SISO نیز شناخته می شوند. در این حالت، سیستم دارای یک ورودی برای یک خروجی واحد است. نمونه های مختلفی از این نوع سیستم ممکن است شامل کنترل دما، سیستم کنترل موقعیت و غیره باشد.

سیستم های چند خروجی چند ورودی

اینها به عنوان نوع سیستم MIMO نیز شناخته می شوند. در این، سیستم دارای خروجی های متعدد برای ورودی های متعدد است. نمونه های مختلفی از این نوع سیستم ممکن است شامل سیستم نوع PLC و غیره باشد.

سیستم پارامتر یکپارچه

در این نوع سیستم‌های کنترل، اجزای مختلف فعال و غیرفعال در نقطه‌ای متمرکز فرض می‌شوند و به همین دلیل به آن‌ها نوع سیستم پارامتری توده‌ای می‌گویند. تجزیه و تحلیل چنین سیستمی بسیار آسان است که شامل معادلات دیفرانسیل می شود.

سیستم پارامتر توزیع شده

در این نوع سیستم‌های کنترل، پارامترهای مختلف فعال (مانند سلف و خازن) و غیرفعال (مقاومت) به طور یکنواخت در طول توزیع می‌شوند و به همین دلیل به آنها نوع پارامتر توزیع شده سیستم می‌گویند. تجزیه و تحلیل چنین نوع سیستمی کمی دشوار است که شامل معادلات دیفرانسیل جزئی است.

سیستم پارامتر توزیع شده

نتیجه گیری

در این مقاله ما سیستم های کنترل خطی را بررسی کردیم و آنها را با سیستم های کنترل غیر خطی نیز مقایسه کردیم، این مقاله تمامی اطلاعات مربوطه به سیستم های کنترل خطی را به شما ارائه می دهد پس اگر شما می خواهید تمامی اطلاعات مربوط به سیستم های کنترل خطی را به کار گیرید می توانید از تمامی مطالب این مقاله نیز بهره بگیرید، و از آن استفاده کنید.

طهرانی

بنیانگذار مجله اینترنتی ماگرتا و متخصص سئو ، کارشناس تولید محتوا ، هم‌چنین ۱۰ سال تجربه سئو ، تحلیل و آنالیز سایت ها را دارم و رشته من فناوری اطلاعات (IT) است . حدود ۵ سال است که بازاریابی دیجیتال را شروع کردم. هدف من بالا بردن سرانه مطالعه کشور است و اون هدف الان ماگرتا ست.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.