فصل اول -  مقدمه ای بر سیستم های كنترل


1-1كنترل و اتوماسیون

در هر صنعتی اتوماسیون سبب بهبود تولید می گردد كه این بهبود هم در كمیت ومیزان تولید موثر است و هم در كیفیت محصولات.هدف از اتوماسیون این است كه بخشی از وظایف انسان در صنعت به تجهیزات خودكار واگذار گردد.بسیاری از كارخانه ها كارگران خود را برای كنترل تجهیزات می گمارند و كارهای اصلی را به عهده ماشین می گذارند. كارگران برای اینكه كنترل ماشینها را به نحو مناسب انجام دهند لازم است كه شناخت كافی از فرایند كارخانه و ورودیهای لازم برای عملكرد صحیح ماشینها داشته باشند.یك سیستم كنترل باید قادر باشد فرایند را با دخالت اندك یا حتی بدون دخالت اپراتورها كنترل نماید.در یك سیستم اتوماتیك عملیات شروع،تنظیم و توقف فرایندبا توجه به متغیر های موجود توسط كنترل كننده سیستم انجام می گیرد.

2-1مشخصات سیستمهای كنترل

هر سیستم كنترل دارای سه بخش است:ورودی ،پردازش و خروجی . بخش ورودی وضعیت فرایندو ورودیهای كنترلی اپراتور را تعیین كرده ومی خواند بخش پردازش با توجه به ورودیها، پاسخهاو خروجیهای لازم را می سازدو بخش خروجی فرمانهای تولید شده را به فرایند اعمال می كند.در كارخانه غیر اتوماتیك بخش پردازش رااپراتورها انجام می دهند.

 اپراتور با مشاهده وضعیت فرایند، به طور دستی فرامین لازم را به فرایند اعمال می كند.

 ورودیها

در قسمت ورودیها،مبدلهای موجود در سیستم، كمیتهای فیزیكی را به سیگنالهای الكتریكی تبدیل می كند.در صنعت مبدلهای زیادی نظیر دما ،فشار،مكان،سرعت،

شتاب و غیره وجود دارند.خروجی یك مبدل ممكن است گسسته یا پیوسته باشد.

 خروجیها

در یك كارخانه عملگرهایی وجود دارند كه فرامین داده شده به آنها را به فرایند منتقل می كنند.پمپها، موتورهاو رله ها از جمله این عملگرها هستند.این وسایل فرامینی را كه از بخش پردازش آمده است(این فرامین معمولا الكتریكی هستند)به كمیتهای فیزیكی دیگر تبدیل می كنند.مثلایك موتور،سیگنال الكتریكی را به حركت دوار تبدیل می كند.ادوات خروجی نیز می توانندعملكرد گسسته ویا پیوسته داشته باشند.

 پردازش

در یك فرایند غیر اتوماتیك اپراتورها با استفاده از دانش و تجربه خودوبا توجه به سیگنالهای ورودی،فرامین لازم را به فرایند اعمال می كنند.اما در یك سیستم اتوماتیك،قسمت پردازش كنترل كه طراحان در آن قرار داده اند، فرامین كنترل را تولید می كنند.طرح كنترل به دو صورت ممكن است ایجاد شود.یكی كنترل سخت افزاری و دوم كنترل برنامه پذیر.

در یك سیستم با كنترل سخت افزاری،بعد ازنصب سیستم، طرح كنترل ثابت و غیر قابل تغییر است. اما در سیستمهای كنترل برنامه پذیر.طرح كنترلی در یك حافظه قرار داده می شود و هر گاه لازم باشد،بدون تغییر سخت افزار و فقط برنامه درون حافظه، طرح كنترل را می توان تغییر داد.

3-1 انواع فرایندهای صنعتی

در صنایع امروز طیف متنوعی از فرایندهای تولید وجود دارند.از نظر نوع عملیاتی كه در فرایند انجام می شود،فرایند ها را می توان به سه گروه تقسیم كرد:

• تولید پیوسته

• تولید انبوه

• تولید اجزای جدا

سیستم كنترلی كه برای یك فرایند بكار گرفته می شودباید با توجه به نوع آن باشد.

 فرایند تولید پیوسته

در یك تولید پیوسته مواد در یك ردیف و بطور پیوسته وارد فرایند شده و در سمت دیگر،محصول تولیدی خارج می گردد. فرایند تولید، ممكن است در یك مدت طولانی به طور پیوسته در حال انجام باشد.تولید ورق فولاد نمونه ای از فرایند است. در خط تولید ورقه فولاد.بلوكهای گداخته فولاد ازبین چندین غلتك عبور می كند و تحت فشار قرار می گیرد.

در اثر فشار ضخامت قطعه فولاد رفته رفته كم شده و در انتهای خط تولید ورقه فولاد تولید می گردد. بسته به طول فولاد چندین دقیقه طول می كشد تا تولید یك ورقه،كامل گردد.

 فرایند تولید انبوه

در چنین فرایندی میزان مشخصی از مواد اولیه وارد خط شده و پس ازطی مراحل تولید مقدار مشخصی محصول به وجود می آید.

 فرایند تولید اقلام مجزا

در این نوع فرایند،هر محصول در طول خط تولید از قسمتهای مختلفی می گذردو در هر بخش، عملیات مختلفی روی آن انجام می گیرد. در هر قسمت ممكن است اجزایی به محصول اضافه شود تا در انتهای خط تولید، محصول كامل ساخته شود.

4-1 استراتژی كنترل

 كنترل حلقه باز

ایده اصلی در این كنترل این است كه سیستم تا حد ممكن دقیق طراحی شود. به طوری كه خروجیهای دلخواه را تولید كند و هیچ اطلاعاتی را از خروجی فرایند بهكنترل كننده برگردانده نشود تا كنترل كننده تشخیص دهد آیا خروجی در حد مطلوب است یا خیر.بدین خاطر ممكن است خطای خروجی در بعضی مواقع خیلی زیاد باشد. در یك سیستم با كنترل حلقه باز تا وقتی كه اختلال و جود نداشته باشد فرایند به خوبی عمل می كند، اما اگر اختلال نا خواسته ای باعث شود،خروجیها از حد مطلوب خارج شونددر این صورت ممكن است سیستم كلی از كنترل خارج شود.

 كنترل پیشرو

درموقعی كه اختلالات خارجی كه بر عملكرد سیستم تاثیر می گذارد شناخته شده باشند می توان با مشاهده و اندازه گیری میزان اختلال تا حد امكان اثر اختلال را جبران نمود. این نوع كنترل را كنترل پیشرو می گویند. این نحوه كنترل هنگامی كه میزان اختلال كم باشد و بتوان به طور دقیق آن را اندازه گرفت مناسب است. اما اگر اختلال خیلی زیاد باشد شیوه مناسبی نیست. همچنین در مواقعی كه اندازه گیری خروجی به طور مستقیم امكان پذیر نباشد،این نوع كنترل مناسب نیست.

 كنترل حلقه بسته (Field back) :

در این كنترل برای جبران اثر اختلال ، خروجی سیستم اندازه گیری می شودو در صورتی كه خروجی از مقدار مطلوب فاصله داشته باشد،تدابیر كنترلی مناسب برای جبران آن اعمال می شود.به این صورت كه خروجی سیستم اندازه گیری شده و تفاوت آن با مقدار مطلوب محاسبه می گردد. تفاوت بین این دو كمیت به كنترل كننده داده شده و كنترل كننده با توجه به میزان این خطا فرایندرا كنترل می نماید.

سیگنال خطا=نقطه تنظیم - میزان اندازه گیری شده       E=SP-MV 

باید توجه كرد كه صفر نمودن خطا در عمل امكان پذیر نیست ودر هر سیستم كنترلی همیشه تفاوت ناچیزی بین خروجی مطلوب و خروجی واقعی وجود خواهد داشت، اما تا وقتی كه این خطا تا حد قابل قبول باشد از آن چشم پوشی می گردد.

5-1 انواع كنترلر ها

كنترلر مغز متفكر یك پردازش صنعتی است و تمامی فرامینی راكه یك متخصص در نظر دارد اعمال كند تا پروسه، جریان استاندارد خود را در پیش گیرد و نهایتا پاسخ مطلوب حاصل شود از طریق كنترلر به سیستم فهمانده می شود. در واقع هرگاه پروسه های صنعتی به تنهایی و بدون استفاده از كنترل كننده در حلقه كنترل قرار گیرند معمولا پاسخهای مطلوبی را به لحاظ ویژگیهای گذرا یا ماندگار نخواهند داشت.بنابراین انتخاب و برنامه ریزی یك كنترلر مناسب از مهمترین مراحل یك پروسه صنعتی است.انتخاب كنترلر با توجه به درجه اهمیت پاسخ گذرا یا ماندگار و یا هردو و همچنین ملاحظات اقتصادی ویژه صورت می پذیرد.

یك كنترلر چگونه عمل می كند؟ در ابتدا سیگنال خروجی از سنسور وارد كنترلر می شود و با مقدار مبنا مقایسه می گردد و نتیجه مقایسه كه همان سیگنال خطا می باشد، معمولا در داخل كنترلر هم تقویت شده و هم بسته به نوع كنترلر و پارامترهای مورد نظر، عملیاتی خاص روی ان انجام می گیرد سپس حاصل این عملیات به عنوان سیگنال خروجی كنترل كننده به بلوك بعدی وارد می شود.

مقایسه سیگنالها و تقویت اولیه در همه كنترلر ها صرف نظر از نوع انها انجام می گیرد ،در واقع این عملیات بعدی است كه نوع كنترلر را مشخص می كند.

كنترلر ها از نظر نوع عملكرد به انواع زیر تقسیم بندی می شوند:

1-5- 1كنترلر های ناپیوسته (گسسته)

• كنترلر های دو وضعیتی:این نوع كنترلر ها ساختمانی ساده و كم حجم دارند و به نسبت ارزنتر از دیگر كنترلرهای پیچیده هستند به همین خاطر كاربردهای فروانی در صنعت ودر مكانهایی كه كنترل تركیبی ،پیوسته و پیچیده مورد نظر نیست دارند.

• كنترلر های سه وضعیتی

• كنترلرهای چند وضعیتی


شكل1-5 :انواع كنترلر ها


2-5-1 كنترلر های پیوسته:

 كنترلر تناسبی: (Proportional)

دراین نوع كنترلربین خروجی و ورودی یك نسبت مستقیم وجود دارد با یك ضریب مشخص كه آنراگین یا بهره كنترل كننده می نامند.

سیگنال خطا *Kp = خروجی

البته كنترلر تناسبی به تنهایی كافی نیست . زیرا وقتی خروجی سیستم بسمت مقدار مطلوب پیش می رود، خطا كاهش یافته و در نتیجه خروجی كنترلی نیز كم می گردد.

بنابراین همواره یك خطای ماندگار بین مقدار مطلوب و خروجی واقعی وجود دارد.

این خطا را می توان با افزایش بهره كنترل كننده كاهش داد اما باعث ناپایداری سیستم و نوسان خروجی می شود. برای حل این مشكلات معمولا كنترلرتناسبی را همراه كنترلرهای مشتق و انتگرال بكار می برند.

 كنترلر انتگرالی(Integral):

همانطور كه از نامش پیداست بین ورودی و خروجی یك رابطه انتگرالی برقراراست

این كنترلر برای جبران خطای ماندگار به كار می رود،زیرا تا وقتی كه خطایی در خروجی وجود داشته باشد،جمله انتگرال تغییر پیدا می كند و در نتیجه خطای خروجی رفته رفته كاهش می یابد.

 كنترلر تناسبی – انتگرالی (PI) :

كنترلر PIتركیبی از كنترلر انتگرالی و تناسبی است كه به صورت موازی بهم وصل شده اند.(شكل2-5) این كنترلر اگر بطور صحیح طراحی شود مزایای هردونوع كنترل انتگرالی و تناسبی را خواهد داشت .پایداری ، سرعت و نداشتن خطای حالت ماندگار از ویژگیهای این كنترلر است.

شكل 2-5 : كنترلر PI


 كنترلر تناسبی – مشتق گیر(PD):

كنترلر PDاز تركیب موازی دونوع كنترلر مشتق گیر و انتگرالی ایجاد می شود.

كنترلرمشتق گیردارای این مشخصه است كه خود را سریعا با تغییرات ورودی هماهنگ می كنند

لذا در مواردی كه پاسخ سریع خروجی مد نظر است می توان از این نوع كنترلر ها استفاده كردامااز انجایی كه عمل مشتق گیری باعث تقویت نویزهای موجود در محیط پروسهمی شوندو به علاوه مشتق گیرها تنها نسبت به تغییرات ورودی حساسیت نشان می دهندبنابراین مشتق گیرها به تنهایی مورد استفاده قرار نمی گیرند بلكه هرگاه نیاز به خاصیت مشتق گیری در یك پروسه باشد ،كنترلرآان را به صورت مشتق گیر-تناسبی یا مشتق گیر-انتگرالی یا مشتق گیر-تناسبی – انتگرالی می سازند.

 كنترلرPID:

این نوع كنترلر از تركیب موازی سه كنترلر تناسبی ،انتگرالی و مشتق گیر ایجاد می شود و متداولترین نوع كنترلر در صنایع می باشد.

شكل3-5 : كنترلرPID

انواع دیگری از كنترلرها كه از نظر منبع تغذیه مورد استفاده ،ساختمان داخلی و انواع كاربردها با كنترلر های ذكرشده در بالا اندكی متفاوت هستند.

كنترلر های نیوماتیكی(Pneumatic):این نوع كنترلر از باد و هوای فشرده بعنوان منبع تغذیه استفاده می كند.بدلیل ساختمان ساده،راحتی تعمیر و نگهداری ، ایمنی در برابر انفجار و اتش سوزی و ارزانی انها كاربردهای فراوانی در صنعت داشته اند و امروزه بدلیل جایگزین شدن سیستمهای پیچیده الكترونیكی و نرم افزارهای كنترلی قابل تغییر و پیاده سازی بر روی سیستمهای الكترونیكی ،كمتراز كنترلر هاینیو ماتیكی استفاده می شود.

كنترلر های هیدرولیكی(Hydraulic):این نوع كنترل كننده ها از نیروی روغن هیدرولیك تحت فشار به عنوان منبع تغذیه استفاده می كنند، مزایای زیادی كه اینگونه سیستمها دارند، باعث شده تا جای خوبی برای خودشان در صنعت باز كنندو در جاهایی كه حركات تحت فشار و وزن بالا انجام می پذیرد سیستمهای هیدرولیك بهترین و دقیق ترین عملكرد را از خود نشان می دهند كنترلر های هیدرولیك علاوه برقابلیت انجام حركت سنگین بطور پیوسته دارای دقت و سرعت عمل بسیار خوبی نیز می باشند.امروزه باوجود جایگزینی مدلهای الكترونیكی پیچیده تر و كارامدتر هنوز هم نمی توان كارایی های بالا و منحصر بفرد سیستمهای هیدرولیكی را نادیده گرفت.

كنترلرهای الكترونیكی (Electronic):كنترلرهای الكترونیكی ، كنترلرهایی هستند كه از نیروی الكتریسیته جهت كنترل، هدایت و فرمان دادن استفاده می كنند .

6-1 سیر تكاملی كنترل كننده ها

در سال 1940 برای نماسازی دستگاههای كنترلی از سیگنال فشار 3psi تا 15psi استفاده می شده است . در سال 1960سیگنالهای استاندارد انالوگ 4mA-20mA برای كنترل ابزار دقیق مورد استفاده قرار گرفته است در همان زمان برخی از استانداردهای دیگر نیز بوجود آمد.توسعه پردازنده دیجیتال در دهه 70میلادی ، استفاده از كامپیوترهای رابرای نماسازی و كنترل یك سیستم ابزار دقیق از یك نقطه مركزی توسعه داد. در دهه 90 برای بهینه سازی اجرای سیستم های كنترل و فشردگی بیشتر سیستها فیلدباس ایجاد گردید كه به تدریج استاندارد شد.انچه تصویرزیربیان می كند این است كه سیر پیشرفت علم كنترل از اتوماسیون مكانیكی اغاز گردیده و سپس با اتوماسیون پنوماتیك ادامه یافته و پس ازآن بسمت الكتریكی شدن پیش رفته است .پس از ایجاد كنترل كننده های قابل برنامه ریزی ، انفور ماتیك و الكترونیك رشد كرده و به شیوه الكترونیكی در حجم گسترده تری بوجود آمده است.