Συστήματα Ελέγχου: Εισαγωγή στον έλεγχο ανοιχτού και κλειστού βρόχου

Τα συστήματα ελέγχου χρησιμοποιούνται για τη διατήρηση ενός σημείου ρύθμισης ή επιθυμητής εξόδου ρυθμίζοντας ένα σήμα εισόδου. Τα συστήματα ελέγχου μπορεί να είναι ανοιχτού ή κλειστού βρόχου. Τα συστήματα ελέγχου ανοιχτού βρόχου δεν έχουν βρόχο ανάδρασης και τα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου έχουν.

Σε αυτό το άρθρο, θα εξηγήσω τι είναι τα συστήματα ελέγχου, πώς λειτουργούν και πώς χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή. Επιπλέον, θα μοιραστώ μερικά διασκεδαστικά στοιχεία για τα συστήματα ελέγχου που ίσως δεν γνωρίζετε!

Συστήματα Ελέγχου- Η Τέχνη του Σχεδιασμού και της Εφαρμογής

Τα συστήματα ελέγχου περιλαμβάνουν τη διαδικασία ρύθμισης και διατήρησης μιας συγκεκριμένης εξόδου με προσαρμογή του σήματος εισόδου. Ο στόχος είναι να παραχθεί ένα σωστό και συνεπές αποτέλεσμα, παρά τις όποιες αρχικές αλλαγές στην είσοδο. Η διαδικασία περιλαμβάνει μια σειρά από στάδια, συμπεριλαμβανομένων των εξής:

• Στάδιο εισόδου: όπου λαμβάνεται το σήμα εισόδου
• Στάδιο επεξεργασίας: όπου γίνεται επεξεργασία και ανάλυση του σήματος
• Στάδιο εξόδου: όπου παράγεται το σήμα εξόδου

Ο Ρόλος των Συστημάτων Ελέγχου στην Παραγωγή

Τα συστήματα ελέγχου διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην παραγωγή και τη διανομή σε πολλές βιομηχανίες. Η τεχνολογία αυτοματισμού χρησιμοποιείται συχνά για την εφαρμογή αυτών των συστημάτων, τα οποία μπορεί να είναι εξαιρετικά περίπλοκα και δαπανηρά στην κατασκευή. Τα ακόλουθα στοιχεία απαιτούνται για να δημιουργηθεί ένα εξαιρετικό σύστημα ελέγχου:

• Καλή κατανόηση του συστήματος που ελέγχεται
• Η ικανότητα σχεδιασμού και εφαρμογής του σωστού τύπου συστήματος ελέγχου
• Ένα πακέτο τυπικών σχεδίων και τεχνικών που μπορούν να εφαρμοστούν σε συγκεκριμένες καταστάσεις

Τα βήματα που σχετίζονται με τη δημιουργία ενός συστήματος ελέγχου

Η διαδικασία δημιουργίας ενός συστήματος ελέγχου περιλαμβάνει τα ακόλουθα βήματα:

• Σχεδιασμός της δομής του συστήματος: Αυτό περιλαμβάνει τον προσδιορισμό του τύπου του συστήματος ελέγχου που απαιτείται και των στοιχείων που θα συμπεριληφθούν
• Εφαρμογή του συστήματος: Αυτό περιλαμβάνει την προσεκτική κατασκευή του συστήματος και την εκτέλεση δοκιμών για να διασφαλιστεί ότι λειτουργεί σωστά
• Συντήρηση του συστήματος: Αυτό περιλαμβάνει την παρακολούθηση της απόδοσης του συστήματος με την πάροδο του χρόνου και την πραγματοποίηση τυχόν απαραίτητων αλλαγών για να διασφαλιστεί ότι θα συνεχίσει να λειτουργεί σωστά

Έλεγχος ανοιχτού και κλειστού βρόχου: Η διαφορά μεταξύ αυτοδιόρθωσης και σταθερής εξόδου

Τα συστήματα ελέγχου ανοιχτού βρόχου είναι επίσης γνωστά ως έλεγχοι χωρίς ανάδραση. Αυτά τα συστήματα έχουν μια σταθερή έξοδο που δεν προσαρμόζεται βάσει οποιασδήποτε εισόδου ή ανατροφοδότησης. Η δομή ενός συστήματος ελέγχου ανοιχτού βρόχου είναι τυπική και περιλαμβάνει μια είσοδο, ένα σημείο ρύθμισης και μια έξοδο. Η είσοδος είναι το σήμα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της επιθυμητής εξόδου. Το σημείο ρύθμισης είναι η τιμή στόχος για την έξοδο. Η έξοδος είναι το αποτέλεσμα της διαδικασίας που εκτελείται.

Παραδείγματα συστημάτων ελέγχου ανοιχτού βρόχου περιλαμβάνουν:

• Τοστιέρα: Ο μοχλός τοποθετείται στη φάση «on» και τα πηνία θερμαίνονται σε μια σταθερή θερμοκρασία. Η τοστιέρα παραμένει ζεστή μέχρι την καθορισμένη ώρα και το τοστ αναδύεται.
• Ένα cruise control σε ένα όχημα: Τα χειριστήρια έχουν ρυθμιστεί να διατηρούν μια σταθερή ταχύτητα. Το σύστημα δεν προσαρμόζεται με βάση τις μεταβαλλόμενες συνθήκες, όπως λόφους ή άνεμος.

Έλεγχος κλειστού βρόχου: Αυτοδιόρθωση για σταθερή απόδοση

Τα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου, γνωστά και ως συστήματα ελέγχου ανάδρασης, έχουν τη δυνατότητα να αυτοδιορθώνονται για να διατηρήσουν μια συνεπή απόδοση. Η διαφορά μεταξύ ενός συστήματος ανοιχτού και κλειστού βρόχου είναι ότι το σύστημα κλειστού βρόχου έχει τη δυνατότητα να αυτοδιορθώνεται ενώ το σύστημα ανοιχτού βρόχου όχι. Η δομή ενός συστήματος ελέγχου κλειστού βρόχου είναι παρόμοια με εκείνη ενός συστήματος ανοιχτού βρόχου, αλλά περιλαμβάνει έναν βρόχο ανάδρασης. Ο βρόχος ανάδρασης οδηγεί από την έξοδο στην είσοδο, επιτρέποντας στο σύστημα να παρακολουθεί και να προσαρμόζεται συνεχώς με βάση τις μεταβαλλόμενες συνθήκες.

Παραδείγματα συστημάτων ελέγχου κλειστού βρόχου περιλαμβάνουν:

• Έλεγχος θερμοκρασίας σε ένα δωμάτιο: Το σύστημα προσαρμόζει τη θέρμανση ή την ψύξη με βάση τη θερμοκρασία στο δωμάτιο για να διατηρεί μια σταθερή θερμοκρασία.
• Έλεγχος ενίσχυσης σε ηχητικό σύστημα: Το σύστημα προσαρμόζει την ενίσχυση με βάση την έξοδο για να διατηρήσει ένα σταθερό επίπεδο ήχου.

Συστήματα ελέγχου ανάδρασης: Φέρνοντας τον έλεγχο στο επόμενο επίπεδο

Τα συστήματα ελέγχου ανάδρασης είναι ένας τύπος συστήματος ελέγχου που χρησιμοποιεί την έξοδο μιας διαδικασίας για τον έλεγχο της εισόδου. Με άλλα λόγια, το σύστημα λαμβάνει ένα σήμα από τη διαδικασία που ελέγχεται και χρησιμοποιεί αυτό το σήμα για να προσαρμόσει την είσοδο για να επιτύχει την επιθυμητή έξοδο.

Διαγράμματα και ονόματα που σχετίζονται με συστήματα ελέγχου ανάδρασης

Υπάρχουν πολλά διαγράμματα και ονόματα που σχετίζονται με συστήματα ελέγχου ανάδρασης, όπως:

• Μπλοκ διαγράμματα: Αυτά δείχνουν τα στοιχεία του συστήματος ελέγχου ανάδρασης και τον τρόπο σύνδεσης τους.
• Λειτουργίες μεταφοράς: Αυτές περιγράφουν τη σχέση μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του συστήματος.
• Συστήματα κλειστού βρόχου: Πρόκειται για συστήματα ελέγχου ανάδρασης όπου η έξοδος τροφοδοτείται πίσω στην είσοδο για να διατηρηθεί η επιθυμητή έξοδος.
• Συστήματα ανοιχτού βρόχου: Πρόκειται για συστήματα ελέγχου ανάδρασης όπου η έξοδος δεν τροφοδοτείται πίσω στην είσοδο.

Λογικός Έλεγχος: Απλοποιημένα και Αποτελεσματικά Συστήματα Ελέγχου

Ο λογικός έλεγχος είναι ένας τύπος συστήματος ελέγχου που χρησιμοποιεί λογική Boole ή άλλες λογικές λειτουργίες για τη λήψη αποφάσεων και τις διαδικασίες ελέγχου. Είναι ένα απλοποιημένο και αποτελεσματικό σύστημα ελέγχου που χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες βιομηχανίες, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής, της κατασκευής και της ηλεκτρικής μηχανικής.

Πώς λειτουργεί ο Λογικός Έλεγχος;

Τα συστήματα λογικού ελέγχου έχουν σχεδιαστεί για να χειρίζονται μια ποικιλία εισόδων και να παράγουν την επιθυμητή έξοδο. Ο βασικός τρόπος λειτουργίας είναι ο εξής:

• Το σύστημα λαμβάνει ένα σήμα εισόδου, το οποίο συνήθως έχει τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος.
• Στη συνέχεια, το σήμα εισόδου συγκρίνεται με μια καθορισμένη τιμή ή σημείο, το οποίο αποθηκεύεται στο σύστημα.
• Εάν το σήμα εισόδου είναι σωστό, το σύστημα θα εκτελέσει μια συγκεκριμένη ενέργεια ή θα μεταβεί σε μια συγκεκριμένη ρύθμιση.
• Εάν το σήμα εισόδου είναι λανθασμένο, το σύστημα θα συνεχίσει να λαμβάνει είσοδο μέχρι να επιτευχθεί η σωστή τιμή.

Παραδείγματα Συστημάτων Λογικού Ελέγχου

Τα συστήματα λογικού ελέγχου χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως:

• Φανάρια τροχαίας: Τα φανάρια χρησιμοποιούν λογικό έλεγχο για εναλλαγή μεταξύ κόκκινου, κίτρινου και πράσινου φώτα με βάση τη ροή της κυκλοφορίας.
• Βιομηχανικά ρομπότ: Τα βιομηχανικά ρομπότ χρησιμοποιούν λογικό έλεγχο για να εκτελούν πολύπλοκες εργασίες, όπως συγκόλληση, βαφή και συναρμολόγηση.
• Αυτόματα πλυντήρια ρούχων: Τα αυτόματα πλυντήρια ρούχων χρησιμοποιούν λογικό έλεγχο για εναλλαγή μεταξύ διαφορετικών κύκλων πλύσης και θερμοκρασιών με βάση την είσοδο του χρήστη.

Έλεγχος On-Off: Η απλούστερη μέθοδος για τον έλεγχο της θερμοκρασίας

Ο έλεγχος On-Off υλοποιείται ιστορικά χρησιμοποιώντας διασυνδεδεμένα ρελέ, χρονοδιακόπτες έκκεντρου και διακόπτες που κατασκευάζονται σε μια ακολουθία σκάλας. Ωστόσο, με την πρόοδο της τεχνολογίας, ο έλεγχος on-off μπορεί πλέον να εκτελείται χρησιμοποιώντας μικροελεγκτές, εξειδικευμένους προγραμματιζόμενους λογικούς ελεγκτές και άλλες ηλεκτρονικές συσκευές.

Παραδείγματα ελέγχου On-Off

Μερικά παραδείγματα προϊόντων που χρησιμοποιούν έλεγχο on-off περιλαμβάνουν:

• Οικιακούς θερμοστάτες που ενεργοποιούν τη θερμάστρα όταν η θερμοκρασία του δωματίου πέσει κάτω από την επιθυμητή ρύθμιση και την απενεργοποιούν όταν πάει πάνω της.
• Ψυγεία που ενεργοποιούν τον συμπιεστή όταν η θερμοκρασία στο εσωτερικό του ψυγείου ανέβει πάνω από την επιθυμητή θερμοκρασία και τον απενεργοποιούν όταν πέσει κάτω από αυτό.
• Πλυντήρια ρούχων που χρησιμοποιούν έλεγχο on-off για να ενεργοποιήσουν διαφορετικές αλληλένδετες διαδοχικές λειτουργίες.
• Πνευματικοί ενεργοποιητές που χρησιμοποιούν έλεγχο on-off για να διατηρήσουν ένα συγκεκριμένο επίπεδο πίεσης.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα του On-Off Control

Τα πλεονεκτήματα του ελέγχου on-off περιλαμβάνουν:

• Είναι απλό και φθηνό στην εφαρμογή του.
• Είναι εύκολο να κατανοηθεί και να εκτελεστεί.
• Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικούς τύπους μηχανημάτων και λειτουργιών.

Τα μειονεκτήματα του ελέγχου on-off περιλαμβάνουν:

• Παράγει απότομες αλλαγές στο σύστημα, οι οποίες μπορεί να προκαλέσουν αρνητικές επιπτώσεις στο προϊόν ή τη διαδικασία που ελέγχεται.
• Μπορεί να μην είναι σε θέση να διατηρήσει το επιθυμητό σημείο ρύθμισης με ακρίβεια, ειδικά σε συστήματα με μεγάλες θερμικές μάζες.
• Μπορεί να προκαλέσει φθορά στους ηλεκτρικούς διακόπτες και τα ρελέ, οδηγώντας σε συχνές αντικαταστάσεις.

Γραμμικός έλεγχος: Η τέχνη της διατήρησης των επιθυμητών αποτελεσμάτων

Η θεωρία γραμμικού ελέγχου βασίζεται σε πολλές αρχές που διέπουν τον τρόπο συμπεριφοράς των συστημάτων γραμμικού ελέγχου. Αυτές οι αρχές περιλαμβάνουν:

• Η αρχή της παράβλεψης ανεπιθύμητων επιπτώσεων: Αυτή η αρχή προϋποθέτει ότι τυχόν ανεπιθύμητες ενέργειες του συστήματος μπορούν να αγνοηθούν.
• Η αρχή της προσθετικότητας: Αυτή η αρχή ακολουθεί την ιδέα ότι η έξοδος ενός γραμμικού συστήματος είναι το άθροισμα των εξόδων που παράγονται από κάθε είσοδο που ενεργεί μόνη της.
• Η αρχή της υπέρθεσης: Αυτή η αρχή υποθέτει ότι η έξοδος ενός γραμμικού συστήματος είναι το άθροισμα των εξόδων που παράγονται από κάθε είσοδο που ενεργεί μόνη της.

Η μη γραμμική περίπτωση

Εάν ένα σύστημα δεν τηρεί τις αρχές της προσθετικότητας και της ομοιογένειας, θεωρείται μη γραμμικό. Σε αυτή την περίπτωση, η καθοριστική εξίσωση είναι συνήθως ένα τετράγωνο όρων. Τα μη γραμμικά συστήματα δεν συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο όπως τα γραμμικά συστήματα και απαιτούν διαφορετικές μεθόδους ελέγχου.

The Fuzzy Logic: Ένα δυναμικό σύστημα ελέγχου

Η ασαφής λογική είναι ένας τύπος συστήματος ελέγχου που χρησιμοποιεί ασαφή σύνολα για να μετατρέψει ένα σήμα εισόδου σε σήμα εξόδου. Είναι μια μαθηματική δομή που αναλύει τις αναλογικές τιμές εισόδου ως προς τις λογικές μεταβλητές που λαμβάνουν συνεχείς τιμές μεταξύ 0 και 1. Το Fuzzy Logic είναι ένα δυναμικό σύστημα ελέγχου που μπορεί να χειριστεί αλλαγές στο σήμα εισόδου και να προσαρμόσει ανάλογα το σήμα εξόδου.

Παραδείγματα Fuzzy Logic in Action

Η ασαφής λογική χρησιμοποιείται σε πολλά πεδία για να εκτελέσει ένα ευρύ φάσμα εργασιών ελέγχου. Να μερικά παραδείγματα:

• Επεξεργασία νερού: Η ασαφής λογική χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ροής του νερού μέσω μιας μονάδας επεξεργασίας. Το σύστημα προσαρμόζει τον ρυθμό ροής με βάση την τρέχουσα κατάσταση του νερού και την επιθυμητή ποιότητα εξόδου.
• Συστήματα HVAC: Η ασαφής λογική χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της θερμοκρασίας και της υγρασίας σε ένα κτίριο. Το σύστημα προσαρμόζει τη θερμοκρασία και την υγρασία με βάση την τρέχουσα κατάσταση του κτιρίου και το επιθυμητό επίπεδο άνεσης.
• Έλεγχος κυκλοφορίας: Η ασαφής λογική χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της ροής της κυκλοφορίας μέσω μιας διασταύρωσης. Το σύστημα προσαρμόζει το χρονοδιάγραμμα των φωτεινών σηματοδοτών με βάση τις τρέχουσες συνθήκες κυκλοφορίας.

Συμπέρασμα

Έτσι, τα συστήματα ελέγχου χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των διαδικασιών σε πολλές βιομηχανίες και περιλαμβάνουν το σχεδιασμό, την εφαρμογή και τη διατήρηση ενός συστήματος που διατηρεί ένα συνεπές αποτέλεσμα παρά τις αλλαγές στην εισροή. 

Δεν μπορείτε να κάνετε λάθος με ένα σύστημα ελέγχου, οπότε μην φοβάστε να χρησιμοποιήσετε ένα στο επόμενο έργο σας! Λοιπόν, προχωρήστε και ελέγξτε τον κόσμο σας!

Είμαι ο Joost Nusselder, ο ιδρυτής του Tools Doctor, έμπορος περιεχομένου και ο μπαμπάς. Μου αρέσει να δοκιμάζω νέο εξοπλισμό και μαζί με την ομάδα μου δημιουργώ σε βάθος άρθρα ιστολογίου από το 2016 για να βοηθήσω τους πιστούς αναγνώστες με εργαλεία και συμβουλές χειροτεχνίας.