מערכות בקרה משמשות לשמירה על נקודת קבע או פלט רצוי על ידי התאמת אות כניסה. מערכות בקרה יכולות להיות לולאה פתוחה או לולאה סגורה. למערכות בקרה בלולאה פתוחה אין לולאת משוב ולמערכות בקרה בלולאה סגורה יש.
במאמר זה, אסביר מהן מערכות בקרה, כיצד הן פועלות וכיצד הן משמשות בחיי היומיום. בנוסף, אחלוק כמה עובדות מהנות על מערכות בקרה שאולי לא ידעתם!
בפוסט זה נסקור:
- מערכות בקרה- אומנות התכנון והיישום
- בקרת לולאה פתוחה וסגורה: ההבדל בין תיקון עצמי לפלט קבוע
- מערכות בקרת משוב: מביאים את השליטה לשלב הבא
- בקרה לוגית: מערכות בקרה פשוטות ויעילות
- בקרת הפעלה-כיבוי: השיטה הפשוטה ביותר לשליטה בטמפרטורה
- שליטה לינארית: אומנות השמירה על התפוקות הרצויות
- The Fuzzy Logic: מערכת בקרה דינמית
- סיכום
מערכות בקרה- אומנות התכנון והיישום
מערכות בקרה כוללות תהליך של הגדרה ותחזוקה של פלט מסוים על ידי התאמת אות הקלט. המטרה היא לייצר פלט נכון ועקבי, למרות כל שינוי ראשוני בקלט. התהליך כולל מספר שלבים, ביניהם:
- שלב קלט: המקום בו מתקבל אות הקלט
- שלב העיבוד: שבו האות מעובד ומנתח
- שלב פלט: המקום בו מופק אות המוצא
תפקידן של מערכות בקרה בייצור
מערכות בקרה ממלאות תפקיד משמעותי בייצור והפצה בתעשיות רבות. טכנולוגיית אוטומציה משמשת לעתים קרובות להטמעת מערכות אלו, אשר עשויות להיות מורכבות ויקר לבנייה. האלמנטים הבאים נדרשים ליצירת מערכת בקרה מעולה:
- הבנה טובה של המערכת הנשלטת
- היכולת לתכנן וליישם את סוג מערכת הבקרה הנכונה
- חבילה של עיצובים וטכניקות סטנדרטיים שניתן ליישם במצבים מסוימים
השלבים הכרוכים ביצירת מערכת בקרה
תהליך יצירת מערכת בקרה כולל את השלבים הבאים:
- תכנון מבנה המערכת: מדובר בקביעת סוג מערכת הבקרה הנדרשת והרכיבים שייכללו
- הטמעת המערכת: זה כרוך בבנייה קפדנית של המערכת והפעלת בדיקות כדי לוודא שהיא פועלת כהלכה
- תחזוקת המערכת: זה כרוך במעקב אחר ביצועי המערכת לאורך זמן וביצוע כל השינויים הדרושים כדי להבטיח שהיא תמשיך לתפקד כהלכה
בקרת לולאה פתוחה וסגורה: ההבדל בין תיקון עצמי לפלט קבוע
מערכות בקרה בלולאה פתוחה ידועות גם כבקרות ללא משוב. למערכות אלו יש פלט קבוע שאינו מותאם על סמך קלט או משוב כלשהו. המבנה של מערכת בקרה בלולאה פתוחה אופייני וכולל קלט, נקודת קבע ופלט. הקלט הוא האות המשמש להפקת הפלט הרצוי. נקודת ההגדרה היא ערך היעד עבור הפלט. הפלט הוא תוצאה של הפעלת התהליך.
דוגמאות למערכות בקרה בלולאה פתוחה כוללות:
- טוסטר: הידית ממוקמת בשלב "הדלקה", והסלילים מחוממים לטמפרטורה קבועה. הטוסטר נשאר מחומם עד לשעה היעודה, והטוסט קופץ.
- בקרת שיוט ברכב: הפקדים מוגדרים לשמור על מהירות קבועה. המערכת אינה מתאימה בהתאם לתנאים משתנים, כגון גבעות או רוח.
בקרת לולאה סגורה: תיקון עצמי לפלט עקבי
למערכות בקרה בלולאה סגורה, הידועות גם כמערכות בקרת משוב, יש את היכולת לבצע תיקון עצמי כדי לשמור על תפוקה עקבית. ההבדל בין מערכת לולאה פתוחה למערכת לולאה סגורה הוא שלמערכת לולאה סגורה יש את היכולת לתקן את עצמי בעוד למערכת הלולאה הפתוחה אין. המבנה של מערכת בקרה בלולאה סגורה דומה לזה של מערכת בלולאה פתוחה, אך הוא כולל לולאת משוב. לולאת המשוב מובילה מהפלט לקלט, ומאפשרת למערכת לנטר ולהתאים באופן מתמיד על סמך תנאים משתנים.
דוגמאות למערכות בקרה במעגל סגור כוללות:
- בקרת טמפרטורה בחדר: המערכת מתאימה את החימום או הקירור על סמך הטמפרטורה בחדר כדי לשמור על טמפרטורה עקבית.
- בקרת הגברה במערכת סאונד: המערכת מתאימה את ההגברה על סמך הפלט כדי לשמור על רמת סאונד עקבית.
מערכות בקרת משוב: מביאים את השליטה לשלב הבא
מערכות בקרת משוב הן סוג של מערכת בקרה המשתמשת בפלט של תהליך כדי לשלוט בקלט. במילים אחרות, המערכת מקבלת אות מהתהליך הנשלט ומשתמשת באות זה כדי להתאים את הקלט כדי להשיג את הפלט הרצוי.
דיאגרמות ושמות הקשורים למערכות בקרת משוב
ישנם מספר דיאגרמות ושמות הקשורים למערכות בקרת משוב, כולל:
- דיאגרמות בלוקים: אלו מציגות את הרכיבים של מערכת בקרת המשוב וכיצד הם מחוברים.
- פונקציות העברה: אלו מתארות את הקשר בין הקלט והפלט של המערכת.
- מערכות בלולאה סגורה: אלו הן מערכות בקרת משוב שבהן הפלט מוחזר לקלט כדי לשמור על הפלט הרצוי.
- מערכות לולאה פתוחה: אלו הן מערכות בקרת משוב שבהן הפלט אינו מוחזר לקלט.
בקרה לוגית: מערכות בקרה פשוטות ויעילות
בקרה לוגית היא סוג של מערכת בקרה המשתמשת בלוגיקה בוליאנית או פעולות לוגיות אחרות כדי לקבל החלטות ובקרה בתהליכים. זוהי מערכת בקרה פשוטה ויעילה הנמצאת בשימוש נרחב בתעשיות שונות, לרבות ייצור, ייצור והנדסת חשמל.
כיצד פועלת בקרת לוגיקה?
מערכות בקרה לוגית נועדו לטפל במגוון תשומות ולייצר פלט רצוי. שיטת הפעולה הבסיסית היא כדלקמן:
- המערכת מקבלת אות כניסה, שהוא בדרך כלל בצורה של זרם חשמלי.
- לאחר מכן, אות הקלט מושווה לערך או נקודה מוגדרים, המאוחסנים במערכת.
- אם אות הקלט נכון, המערכת תבצע פעולה מסוימת או תעבור להגדרה מסוימת.
- אם אות הכניסה שגוי, המערכת תמשיך לקבל קלט עד הגעה לערך הנכון.
דוגמאות למערכות בקרה לוגית
מערכות בקרה לוגיות משמשות במגוון רחב של יישומים, כולל:
- רמזורים: הרמזורים משתמשים בבקרה לוגית כדי לעבור בין רמזורים אדומים, צהובים וירוקים על סמך זרימת התנועה.
- רובוטים תעשייתיים: רובוטים תעשייתיים משתמשים בבקרה לוגית לביצוע משימות מורכבות, כגון ריתוך, צביעה והרכבה.
- מכונות כביסה אוטומטיות: מכונות כביסה אוטומטיות משתמשות בבקרה לוגית כדי לעבור בין מחזורי כביסה וטמפרטורות שונות בהתבסס על קלט המשתמש.
בקרת הפעלה-כיבוי: השיטה הפשוטה ביותר לשליטה בטמפרטורה
בקרת On-Off מיושמת היסטורית באמצעות ממסרים מחוברים, טיימרים מצלמות ומתגים הבנויים ברצף סולם. עם זאת, עם התקדמות הטכנולוגיה, ניתן לבצע כעת בקרה על-כיבוי באמצעות מיקרו-בקרים, בקרי לוגיקה מיוחדים הניתנים לתכנות והתקנים אלקטרוניים אחרים.
דוגמאות לשליטה ב-On-Off
כמה דוגמאות למוצרים המשתמשים בבקרת הפעלה-כיבוי כוללות:
- תרמוסטטים ביתיים שמדליקים את תנור החימום כאשר טמפרטורת החדר יורדת מתחת להגדרה הרצויה ומכבים אותו כאשר הוא עולה מעליו.
- מקררים שמפעילים את המדחס כשהטמפרטורה בתוך המקרר עולה מעל הטמפרטורה הרצויה ומכבים אותו כשהיא יורדת ממנה.
- מכונות כביסה שמשתמשות בבקרת הפעלה-כיבוי כדי להפעיל פעולות רציפות שונות הקשורות זו לזו.
- מפעילים פנאומטיים המשתמשים בבקרת on-off כדי לשמור על רמת לחץ מסוימת.
יתרונות וחסרונות של בקרת On-Off
היתרונות של בקרת הפעלה וכיבוי כוללים:
- זה פשוט וזול ליישום.
- זה קל להבנה ולביצוע.
- זה יכול לשמש בסוגים שונים של מכונות ופעולות.
החסרונות של בקרת הפעלה וכיבוי כוללים:
- זה מייצר שינויים פתאומיים במערכת, שעלולים לגרום להשפעות שליליות על המוצר או התהליך הנשלט.
- ייתכן שהוא לא יוכל לשמור על נקודת ההגדרה הרצויה במדויק, במיוחד במערכות עם מסות תרמיות גדולות.
- זה עלול לגרום לבלאי במתגים ובממסרים החשמליים, ולהוביל להחלפות תכופות.
שליטה לינארית: אומנות השמירה על התפוקות הרצויות
תורת הבקרה ליניארית מבוססת על מספר עקרונות השולטים כיצד מערכות בקרה ליניאריות מתנהגות. עקרונות אלה כוללים:
- עקרון ההתעלמות מהשפעות לא רצויות: עקרון זה מניח שניתן להתעלם מכל השפעות לא רצויות של המערכת.
- עקרון התוספתיות: עקרון זה דבק בתפיסה לפיה התפוקה של מערכת ליניארית היא סכום התפוקות המופקות על ידי כל קלט הפועל לבד.
- עקרון הסופרפוזיציה: עיקרון זה מניח שהתפוקה של מערכת לינארית היא סכום התפוקות המופקות על ידי כל קלט הפועל לבד.
המקרה הלא ליניארי
אם מערכת אינה עומדת בעקרונות התוספת וההומוגניות, היא נחשבת לא ליניארית. במקרה זה, המשוואה המגדירה היא בדרך כלל ריבוע של מונחים. מערכות לא ליניאריות אינן מתנהגות באותו אופן כמו מערכות ליניאריות ודורשות שיטות בקרה שונות.
The Fuzzy Logic: מערכת בקרה דינמית
לוגיקה מטושטשת היא סוג של מערכת בקרה המשתמשת בסטים מטושטשים כדי להמיר אות כניסה לאות פלט. זהו מבנה מתמטי המנתח ערכי כניסה אנלוגיים במונחים של משתנים לוגיים המקבלים ערכים רציפים בין 0 ל-1. Fuzzy logic היא מערכת בקרה דינמית שיכולה להתמודד עם שינויים באות הכניסה ולהתאים את אות המוצא בהתאם.
דוגמאות של לוגיקה מטושטשת בפעולה
לוגיקה מטושטשת משמשת בתחומים רבים לביצוע מגוון רחב של משימות בקרה. הנה כמה דוגמאות:
- טיפול במים: לוגיקה מטושטשת משמשת לשליטה בזרימת המים דרך מתקן טיהור. המערכת מתאימה את קצב הזרימה בהתאם למצב הנוכחי של המים ואיכות הפלט הרצויה.
- מערכות HVAC: לוגיקה מטושטשת משמשת לשליטה על הטמפרטורה והלחות בבניין. המערכת מתאימה את הטמפרטורה והלחות בהתאם למצב הנוכחי של המבנה ורמת הנוחות הרצויה.
- בקרת תנועה: לוגיקה מטושטשת משמשת לשליטה בזרימת התנועה דרך צומת. המערכת מתאימה את תזמון הרמזורים בהתאם לתנאי התנועה הנוכחיים.
סיכום
אז, מערכות בקרה משמשות לבקרת תהליכים בתעשיות רבות, והן כוללות תכנון, הטמעה ותחזוקה של מערכת השומרת על תפוקה עקבית למרות שינויים בתשומה.
אתה לא יכול להשתבש עם מערכת בקרה, אז אל תפחד להשתמש באחת בפרויקט הבא שלך! אז קדימה לשלוט בעולם שלך!
אני יוסט נוסלדר, המייסד של Tools Doctor, משווק תוכן ואבא. אני אוהב לנסות ציוד חדש, ויחד עם הצוות שלי אני יוצר מאמרי בלוג מעמיקים מאז 2016 כדי לעזור לקוראים הנאמנים עם כלים וטיפים ליצירה.
