سیستم های حلقه بسته

سیستم های حلقه بسته از بازخورد استفاده می کنند که در آن بخشی از سیگنال خروجی به ورودی بازگردانده می‌شود.

این کار خطاها را کاهش میده و ثبات را بهبود میبخشه.

سیستمی که در اون مقدار خروجی هیچ تاثیری بر ورودی فرآیند کنترل نداره، به سیستم‌های کنترل حلقه باز معروفه.

سیستم‌ های حلقه باز آنهایی هستند که سیستم‌های بدون بازخورد را باز می‌کنند.

اما هدف هر سیستم کنترل الکتریکی یا الکترونیکی اندازه گیری ، نظارت و کنترل فرآیند است و یکی از راه هایی که می توانیم فرآیند را به طور دقیق کنترل کنیم ، نظارت بر خروجی آن و “تغذیه” بخشی از آن برای مقایسه خروجی واقعی با خروجی مورد نظر به منظور کاهش خطا و در صورت اختلال ، خروجی سیستم را به پاسخ اولیه یا مورد نظر بازگردانید.

Closed-loop Systems

مقدار خروجی مورد اندازه گیری “سیگنال فیدبک” و نوع سیستم کنترلی که از سیگنال های بازخورد برای کنترل و تنظیم خود استفاده می کنه،

closed-loop systems مینامند.

یک سیستم کنترل closed-loop، که به عنوان یک سیستم کنترل فیدبک شناخته میشه، یه سیستم کنترل هستش که از مفهوم یک سیستم حلقه باز به عنوان مسیر پیش رو استفاده می‌کنه.

اما دارای یک یا چند حلقه بازخورد یا مسیرهای بین خروجی آن و ورودی آن است.

مرجع برای”فیدبک”به سادگی به این‌معنیه که بخشی از خروجی به ورودی برگردونده میشه تا بخشی از تحریک سیستم شکل‌بگیره.

closed-loop systems به گونه ایطوری طراحی شد k که با مقایسه اون با شرایط واقعی، بطور خودکار به شرایط خروجی مطلوب دست پیدا کنه و اون رو حفظ کنه.

این کار را با تولید سیگنال خطا که تفاوت بین خروجی و ورودی مرجع است انجام می دهد.

به عنوان مثال ، خشک کن لباس های برقی ما را از آموزش قبلی حلقه باز در نظر بگیرید.

فرض کنید ما از یک سنسور یا مبدل (دستگاه ورودی) برای نظارت مداوم دما یا خشکی لباس استفاده کرده و سیگنال مربوط به خشکی را به کنترل کننده به شکل زیر ارسال می کنیم.

closed-loop control

 

این سنسور خشکی واقعی لباس را زیر نظر میگیره و با مرجع ورودی مقایسه می‌کنه (یا از اون کم می‌کنه).

سیگنال خطا (خطا = خشکی مورد نیاز – خشکی واقعی) توسط کنترل کننده تقویت می شود و خروجی کنترل کننده تصحیح لازم را در سیستم گرمایش برای کاهش هرگونه خطا انجام می دهد.

به‌عنوان مثال اگر لباس ها خیلی مرطوب هستند، کنترل کننده ممکن است دما یا زمان خشک شدن را افزایش دهد.

به همین ترتیب:

اگر لباس ها تقریبا خشک شدن، ممکنه دما رو کاهش بده یا روند را متوقف کنه تا بیش از حد گرم نشه یا لباس ها نسوزه و غیره.

بعد از اون پیکربندی closed-loop با سیگنال بازخورد مشخص شده از سنسور در سیستم خشک کردن لباس مشخص میشه.

اندازه و قطبیت سیگنال خطای حاصله، مستقیماً با تفاوت بین خشکی مورد نیاز و خشکی واقعی لباس ها ارتباط دارد.

همچنین ، از آنجا که یک closed-loop system از شرایط خروجی آگاهی داره ، (از طریق سنسور) بهتره مجهز به هرگونه اختلال در سیستم یا تغییر شرایط باشه که ممکنه توانایی اون رو برای انجام کار مورد نظر کاهش بده.

به عنوان مثال:

مانند قبل ، در خشک کن باز می شود و گرما از بین میره.

همانطور که می‌بینیم، در سیستم کنترل closed loop، سیگنال خطا، که تفاوت بین سیگنال ورودی و سیگنال بازخورد (که ممکن است سیگنال

خروجی یا عملکرد سیگنال خروجی باشد)، به controler نسبت داده می‌شود تا خطای سیستم را کاهش داده و خروجی سیستم را به مقدار

مورد نظر بازگرداند.

در مورد ما خشکی لباس. واضح است که وقتی این خطا صفر باشد، لباس‌ها خشک می‌شوند.

اصطلاح کنترل closed loop همیشه به معنای استفاده از یک اقدام کنترل بازخورد به منظور کاهش هرگونه خطا در سیستم و “بازخورد” آن است

که تفاوت اصلی بین یک سیستم حلقه باز و یک closed loop را متمایز می کند.

بنابراین خروجی به مسیر بازخورد بستگی دارد ، که به طور کلی می توان آن را بسیار دقیق ساخت و در سیستم ها و مدارهای الکترونیکی کنترل ، بازخورد بیشتر از کنترل حلقه باز یا تغذیه جلو استفاده می شود.

closed-loop systems مزایای زیادی نسبت به سیستم‌های حلقه باز دارند.

مزیت اولیه یک سیستم control بازخورد closed-loop توانایی آن برای کاهش حساسیت سیستم به آشفتگی‌های خارجی، برای مثال باز کردن در

خشک‌کن، دادن control قوی‌تر به system به عنوان هرگونه تغییر در signal بازخورد منجر به جبران خسارت توسط controller میشه.

سپس می توانیم ویژگی های اصلی closed-loop control را به شرح زیر تعریف کنیم:

• برای کاهش خطاها با تنظیم خودکار ورودی سیستم ها.
• برای بهبود ثبات یک سیستم ناپایدار.
• افزایش یا کاهش حساسیت سیستم ها
• برای افزایش استحکام در برابر اختلالات خارجی در فرآیند.
• برای ایجاد عملکرد قابل اعتماد و تکرار شونده.

در حالی که یک closed-loop system خوب میتونه مزایای زیادی در سیستم کنترل حلقه باز داشته باشه، نقطه‌ضعف اصلیش اینه که به منظور فراهم کردن مقدار مورد نیاز کنترل، یک سیستم closed loop باید با داشتن یک یا چند مسیر بازخورد پیچیده‌تر باشد.

همچنین، اگر بهره کنترل‌کننده نسبت به تغییرات در فرمان‌های ورودی و یا سیگنال‌های ورودی آن بسیار حساس باشد، می‌تواند ناپایدار شده و به نوسان درآید، زیرا کنترل‌کننده سعی می‌کند خود را اصلاح کند، و در نهایت چیزی می‌شکند.

بنابراین ما باید به این سیستم بگوییم که چگونه می‌خواهیم در یک محدوده از پیش تعیین‌شده رفتار کند.

نقاط جمع بندی closed loop

سیستم بازخورد closed loop برای‌تنظیم هر سیگنال کنترل، ابتدا باید خطای بین خروجی حقیقی و خروجی مطلوب‌را مشخص‌کنه.

این امر با استفاده از یک نقطه تجمیع بدست می‌آید، که به عنوان یک عنصر مقایسه، بین حلقه بازخورد و ورودی سیستم‌ها نیز منسوب است.

این جمع‌بندی، سیستمی را با ارزش واقعی مقایسه می‌کند و سیگنال خطای مثبت یا منفی را تولید می‌کند که کنترل‌کننده نیز به آن پاسخ می‌دهد. جایی که:

خطا = تنظیم نقطه – واقعی

نمادی که برای نشان دادن نقطه جمع بندی در بلوک دیاگرام closed-loop systems استفاده می شود ، دایره ای با دو خط متقاطع است.

نقطه جمع بندی یا میتونه سیگنال هایی رو به هم اضافه کنه که در اون از علامت Plus ( +) استفاده میشه که نشون میده دستگاه یک “ماشین جمع کننده” هستش (برای feedback مثبت استفاده میشه) ،

یا میتونه سیگنال ها رو از هم کم کنه که در این صورت یک منها ( -) از نماد استفاده میشه که نشون میده دستگاه “مقایسه کننده” است (برای بازخورد منفی استفاده می شود) همانطور که در تصویر نشان داده شده است.

انواع نقاط جمع بندی

توجه داشته باشید که نقاط جمع می توانند بیش از یک سیگنال به عنوان ورودی یا جمع یا تفریق داشته باشند ، اما تنها یک خروجی داشته باشند که مجموع جبری ورودی ها است.

همچنین فلش ها جهت سیگنال ها را نشان می دهند. نقاط جمع بندی را می توان در کنار هم قرار داد تا متغیرهای ورودی بیشتری در یک نقطه معین جمع بندی شوند.

عملکرد انتقال سیستم closed loop

عملکرد انتقال هر سیستم کنترل الکتریکی یا الکترونیکی رابطه ریاضی بین سیستم ورودی و خروجی آن است و از این رو رفتار سیستم را توصیف می کند.

همچنین توجه داشته باشید که نسبت خروجی یک دستگاه خاص به ورودی آن نشان دهنده افزایش آن است.

سپس می‌توان به درستی گفت که خروجی همیشه تابع انتقال سیستم بر ورودی است.

سیستم closed loop زیر را در نظر بگیرید.

نمایش سیستم closed loop معمولی

جایی که: بلوک G نشان دهنده دستاوردهای حلقه باز کنترل کننده یا سیستم است و مسیر رو به جلو است و بلوک H نشان دهنده افزایش سنسور ، مبدل یا سیستم اندازه گیری در مسیر بازخورد است.

برای یافتن تابع انتقال سیستم های حلقه بسته بالا، ابتدا باید سیگنال خروجی θo را از نظر سیگنال ورودی θi محاسبه‌کنیم.

برای انجام این کار به راحتی می تونیم معادلات بلوک دیاگرام داده شده رو به صورت زیر بنویسیم.

خروجی از سیستم برابر است با:

Output = G x Error

توجه داشته باشید که سیگنال خطا ، θe نیز ورودی بلوک پیشخوان است: G

خروجی از نقطه جمع بندی برابر است با:

Error = Input – H x Output

اگر H=1 (بازخورد واحد)باشد:

خروجی از نقطه جمع بندی خواهد بود:

Error (θe) = Input – Output

حذف عبارت خطا ، سپس:

خروجی برابر است با:

Output = G x (Input – H x Output)

از این رو:

G x Input = Output + G x H x Output

تنظیم مجدد موارد فوق به ما تابع انتقال closed loop را می دهد:

معادله‌فوق برای تابع انتقال یک سیستم closed loop علامت (+) را در مخرج نشان می‌دهد که feedback منفی را نشان‌می‌دهد.

با یک سیستم feedback مثبت ، مخرج دارای علامت منفی ( -) می شود و معادله می شود: 1 – GH

ما می‌توانیم ببینیم وقتی H = 1 (بازخورد واحد) و G بسیار‌بزرگ باشد‌، تابع انتقال به واحد به‌صورت زیر می‌رسد:

همچنین، هنگامی که سیستم به دست آوردن حالت پایدار G کاهش می‌یابد، حالت G / (۱ + G)بسیار آهسته‌تر کاهش می‌یابد.

closed-loop control چند حلقه

در حالی که مثال ما در بالا یک سیستم closed loop تک ورودی ، تک خروجی است ،

تابع انتقال اساسی هنوز برای systems چند loop پیچیده تر اعمال میشه.

بیشتر مدارهای بازخورد عملی دارای نوعی control حلقه چندگانه هستند و برای پیکربندی multi loop،

عملکرد انتقال بین یک متغیر کنترل شده و دستکاری شده بستگی به باز یا بسته بودن دیگر loop های کنترل feedback داره.

سیستم چند حلقه ای زیر را در نظر بگیرید.

هر بلوک آبشار مانند G1 و G2 و همچنین عملکرد انتقال حلقه داخلی همانطور که نشان داده‌شده است، می‌تواند کاهش‌یابد.

پس‌از کاهش بیشتر بلوک ها، به یک بلوک دیاگرام نهایی می‌رسیم که شبیه به closed-loop systems تک حلقه قبلی‌است.

و عملکرد انتقال این سیستم چند حلقه به صورت زیر است:

کنترل موتور closed-loop

بنابراین چگونه می‌توانیم از سیستم های حلقه بسته در الکترونیک استفاده کنیم.

خوب، کنترل‌کننده موتور DC ما را از برنامه آموزشی حلقه باز قبلی در نظر بگیرید.

اگر ما یک مبدل اندازه‌گیری سرعت مانند سرعت‌سنج را به شفت موتور DC متصل بکنیم، می‌توانیم سرعت آن را تشخیص بدیم و یک سیگنال متناسب با سرعت موتور به تقویت‌کننده ارسال کنیم.

سرعت‌سنج که به عنوان ژنراتور tacho شناخته می‌شود، یک ژنراتور DC مغناطیسی ثابت است که ولتاژ خروجی DC متناسب با سرعت موتور را تولید می‌کند.

سپس موقعیت لغزنده پتانسیومترها نشان دهنده ورودی است ، θi که توسط تقویت کننده (کنترل کننده) تقویت می شود تا موتور DC را با سرعت تنظیم شده N نشان دهد خروجی ، θo سیستم ، و سرعت سنج T حلقه بسته باشد.

برگشت به کنترلر تفاوت بین‌تنظیم ولتاژ ورودی و سطح ولتاژ بازخورد سیگنال خطا را همانطور که در‌تصویر نشان‌داده‌شده است می‌دهد.

closed-loop control

هرگونه اختلال خارجی در سیستم closed-loop control مانند افزایش بار موتورها ، باعث ایجاد تفاوت در سرعت واقعی موتور و نقطه تنظیم ورودی پتانسیومتر می شود.

این تفاوت یک سیگنال خطا ایجاد می‌کند که کنترل‌کننده به طور خودکار با تنظیم سرعت موتور به آن پاسخ می‌دهد.

سپس کنترل کننده برای به‌حداقل‌رساندن سیگنال خطا کار‌می‌کند‌، با خطای صفر که سرعت واقعی‌را برابر با نقطه تنظیم نشان می‌دهد.

از نظر الکترونیکی ، ما می توانیم چنین مدار ساده ای را با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) برای کنترلر ، مانند مدار ، با استفاده از یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) برای کنترل کننده ، پیاده سازی کنیم.

مدار closed-loop control

کنترل کننده ساده موتور closed-loop را میشه به صورت نمودار بلوک نشون داد.

بلوک دیاگرام کنترل کننده فیدبک

کنترل‌کننده موتور closed loop وسیله متداولی برای حفظ سرعت مطلوب موتور در شرایط مختلف بار با تغییر ولتاژ متوسط اعمال شده به ورودی از کنترلر است.

سرعت سنج را می توان با یک رمزگذار نوری یا سنسور موقعیتی یا دوار از نوع Hall-effect جایگزین کرد.

خلاصه closed-loop systems

دیدیم که یک system کنترل الکترونیکی با یک یا چند مسیر feedback، سیستم closed loop نامیده می‌شود.

به closed-loop control نیز “سیستم های کنترل فیدبک” هم میگن.

که در سیستم های کنترل فرایند و سیستم های کنترل الکترونیکی بسیار رایج هستند.

سیستم های بازخورد بخشی از سیگنال خروجی خود را برای مقایسه با شرایط نقطه تنظیم مورد نظر به ورودی”تغذیه” می‌کنند.

نوع سیگنال بازخورد می تواند منجر به بازخورد مثبت یا بازخورد منفی شود.

سپس سیستم های closed-loop control از بازخورد برای تعیین ورودی واقعی به سیستم استفاده می کنند و می توانند بیش از یک حلقه بازخورد داشته باشند.

(سیستم های حلقه بسته) مزایای زیادی نسبت به سیستم های حلقه باز دارند.

یک مزیت این واقعیت است که :

استفاده از بازخورد باعث می‌شود واکنش سیستم نسبتاً نسبت به اختلالات خارجی و تغییرات داخلی در پارامترهای سیستم مانند دما حساس نباشد.

با این حال ، پایداری سیستم می تونه یک مشکل عمده باشه.علی الخصوص در سیستم های حلقه بسته با طراحی بد.

در آموزش بعدی در مورد سیستم های الکترونیکی ، ما روش های مختلفی را که می توانیم از طریق آنها یک نقطه جمع بندی را در ورودی یک سیستم وارد کنیم و روش های مختلفی که می توانیم سیگنال ها را به آن باز گردانیم ، بررسی خواهیم کرد.

 

 

 

منبع : سایت