سیستم های حلقه باز

پیکربندی سیستم های حلقه باز وضعیت سیگنال خروجی آن را کنترل یا اندازه گیری نمی کند زیرا بازخوردی وجود ندارد.

در آموزش قبلی در مورد سیستم های الکترونیکی ، ما دیدیم که :

یک سیستم را می‌توان مجموعه‌ای از زیر‌سیستم ها تعریف‌کرد که سیگنال‌ورودی را هدایت یا کنترل‌می‌کنند تا شرایط‌خروجی مورد‌نظر را تولید‌کند.

عملکرد هر‌سیستم الکترونیکی این است که خروجی را به‌طور خودکار تنظیم‌کرده و آن‌را در مقدار‌ورودی مطلوب‌سیستم یا “نقطه تنظیم” نگه‌دارد.

اگر اتفاقی‌باعث ایجاد‌اختلال در‌خروجی سیستم‌ها بدون تغییر در‌مقدار ورودی شود، خروجی باید با بازگشت ‌به مقدار تنظیم‌شده قبلی خود پاسخ‌دهد.

چنانچه اتفاقی باعث ایجاد اختلال در خروجی سیستم‌ها بدون تغییر در مقدار ورودی می‌شود، نتیجه باید با بازگشت به مقدار تنظیم‌شده قبلی خود جواب دهد.

در گذشته ، سیستم های کنترل الکتریکی اساساً دستی یا آنچه سیستم باز حلقه معرفی می شد.

با ویژگی‌های کنترل و فیدبک خودکار بسیار اندک که برای تنظیم متغیر فرایند به منظور حفظ سطح یا مقدار خروجی مطلوب ساخته شده.

به عنوان مثال:

خشک کن لباس برقی. بسته به میزان لباس یا میزان خیس بودن آنها ، یک کاربر یا اپراتور یک تایمر یا کنترل کننده را تنظیم می‌کنه که میگه 30 دقیقه و در پایان 30 دقیقه خشک‌کن به طور خودکار متوقف میشه و خاموش. حتی اگر لباس ها هنوز ساکن باشند.

در این حالت ، عمل کنترل این است که اپراتور دستی مرطوب بودن لباس را ارزیابی کرده و فرآیند (خشک کن) را بر این اساس تنظیم کند.

بنابراین در این مثال ، خشک کن لباس یک سیستم حلقه باز خواهد بود زیرا وضعیت سیگنال خروجی ، یعنی خشکی لباس را کنترل یا اندازه گیری نمی کند.

سپس صحت فرآیند خشک شدن یا موفقیت در خشک کردن لباس به تجربه کاربر (اپراتور) بستگی دارد.

با این حال ، کاربر می تواند در هر زمان با افزایش یا کاهش زمان خشک شدن کنترل کننده های زمان ، فرایند خشک شدن سیستم را تنظیم کند ، در صورتی که فکر می کند فرآیند خشک شدن اصلی برآورده نمی شود.

به عنوان مثال ، افزایش کنترل زمان تا 40 دقیقه برای افزایش روند خشک شدن. بلوک دیاگرام حلقه باز زیر را در نظر بگیرید.

سیستم خشک کردن حلقه باز

سپس یک سیستم حلقه باز ، که به آن سیستم فیدبک هم میگن ، یک سیستم کنترل مداوم است که در آن خروجی هیچ تاثیری بر عملکرد کنترلی سیگنال ورودی ندارد.

به عبارت دیگر ، در یک سیستم کنترل حلقه باز ، خروجی برای مقایسه با ورودی نه اندازه گیری می شود و نه “تغذیه” می شود.

بنابراین ، از سیستم حلقه باز انتظار می ره که بدون در نظر‌گرفتن نتیجه نهایی، فرمان ورودی یا نقطه تنظیم خود را صادقانه دنبال کنه.

همچنین:

یک سیستم حلقه باز هیچ اطلاعی از شرایط خروجی ندارد.

بنابراین نمی تواند هرگونه خطایی را که ممکن است هنگام تغییر مقدار از پیش تعیین شده ایجاد کند را تصحیح کند.

حتی اگر این منجر به انحرافات بزرگ از مقدار، از پیش تعیین شده شود.

یکی دیگر از معایب سیستم های حلقه باز این است که از تجهیزات ضعیفی برای مقابله با اختلالات یا تغییرات در شرایط برخوردارند که ممکن است توانایی آن را برای انجام کار مورد نظر کاهش دهد. به عنوان مثال ، درب خشک کن باز می شود و گرما از بین می رود. کنترل کننده زمان بندی بدون در نظر گرفتن 30 دقیقه کامل ادامه می یابد اما لباس ها در پایان فرآیند خشک شدن گرم یا خشک نمی شوند. این به این دلیل است که هیچ اطلاعاتی برای حفظ دمای ثابت وجود ندارد.

سپس می بینیم که خطاهای سیستم حلقه باز می تواند روند خشک شدن را مختل کند و بنابراین نیاز به توجه اضافی کاربر (اپراتور) دارد.

مشکل این رویکرد کنترل پیش بینی کننده این است که کاربر باید دمای فرآیند را مکرراً بررسی کند و هر زمان که فرآیند خشک شدن از مقدار مورد نظر خود برای خشک کردن لباس خارج شد ، هرگونه اقدام کنترل اصلاحی را انجام دهد.

این نوع کنترل حلقه باز دستی که قبل از بروز خطا واکنش نشان می دهد ، Feed forward Control شناخته می شود.

هدف از کنترل پیشرو :

که به عنوان کنترل پیش بینی کننده نیز شناخته می شود ، اندازه گیری یا پیش بینی هرگونه اختلال احتمالی حلقه باز و جبران آنها به صورت دستی قبل از انحراف متغیر کنترل شده از نقطه تنظیم اولیه است.

بنابراین برای مثال ساده ما در بالا :

اگر درب خشک‌کن ها باز باشه تشخیص داده میشه و بسته میشود تا روند خشک شدن ادامه یابد.

اگر کاربر به درستی از آن استفاده کند ، انحراف از لباس های خیس به لباس های خشک در پایان 30 دقیقه اگر کاربر به سرعت به وضعیت خطا (درب باز شده) خیلی سریع پاسخ دهد ، حداقل خواهد بود.

با این حال ، اگر سیستم تغییر کند ، این رویکرد تغذیه به جلو ممکن است کاملاً دقیق نباشد ، به عنوان مثال کاهش دمای خشک شدن در طی 30 دقیقه مشاهده نشد.

سپس می توانیم ویژگی های اصلی یک “سیستم حلقه باز” را به شرح زیر تعریف کنیم:

بین مقادیر واقعی و مورد نظر مقایسه ای وجود ندارد.

یک سیستم حلقه باز هیچگونه تنظیم خودکار یا کنترلی بر مقدار خروجی ندارد.

هر تنظیم ورودی یک موقعیت عملکرد ثابت برای کنترل کننده تعیین می کند.

تغییرات یا اختلالات در شرایط خارجی منجر به تغییر خروجی مستقیم نمی شود (مگر اینکه تنظیمات کنترل به صورت دستی تغییر یابد).

هر سیستم حلقه باز را می توان به صورت بلوک های متعدد بصورت سری یا یک نمودار بلوکی واحد با ورودی و خروجی نشان داد. بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه باز نشون میده که مسیر سیگنال از ورودی به خروجی نشون دهنده یک مسیر خطی بدون حلقه فیدبک هست و برای هر نوع سیستم کنترلی، نام θi و خروجی θo به ورودی داده میشه.

به طور کلی ، ما مجبور نیستیم نمودار بلوک حلقه باز را برای محاسبه عملکرد انتقال واقعی آن دستکاری کنیم.

ما فقط می توانیم روابط یا معادلات مناسب را از هر بلوک نمودار بنویسیم و سپس تابع انتقال نهایی را از این معادلات مطابق شکل محاسبه کنیم.

سیستم حلقه باز

بنابراین تابع انتقال هر بلوک به شرح زیر است:

عملکرد کلی انتقال به شرح زیر است:

سپس Open-loop Gain به صورت زیر ارائه می شود:

وقتی G عملکرد انتقال سیستم یا زیر سیستم را نشان می‌دهد، می توان آن را به صورت زیر بازنویسی کرد:

G (s) = θo (s)/θi (s)

سیستم های کنترل حلقه باز اغلب با فرایندهایی استفاده می‌شوند‌که نیاز به توالی وقایع با استفاده از سیگنال‌های “ON-OFF” دارند.

به عنوان مثال ، ماشین های لباسشویی که نیاز به آب دارند و “روشن” می شوند و بعد از پر شدن “خاموش” و سپس گرم کن برای روشن کردن آب “روشن” و سپس در دمای مناسب “خاموش” ، و غیره

این نوع کنترل حلقه باز “ON-OFF” برای سیستم هایی مناسب است که تغییرات بار به آرامی رخ می دهد و این فرآیند بسیار کند عمل می کند و تغییرات مکرر در عمل کنترل توسط یک اپراتور را ضروری می سازد.

خلاصه سیستم های کنترل حلقه باز

ما مشاهده کرده‌ایم که یک کنترل‌کننده می‌تواند ورودی‌های خود را برای دستیابی به اثر‌مطلوب بر خروجی یک سیستم دستکاری کند.

یک نوع دیگر سیستم های کنترلی که در آن خروجی هیچ‌تاثیری‌بر‌عملکرد کنترلی سیگنال ورودی نداره، سیستم حلقه باز میباشد.

“سیستم حلقه باز” با این واقعیت تعریف می شود که:

سیگنال یا شرایط خروجی برای مقایسه با سیگنال ورودی یا نقطه تنظیم سیستم نه اندازه‌گیری می‌شود و نه “تغذیه” می‌شود.

بنابراین به سیستم های حلقه باز معمولاً “سیستم های بدون بازخورد” هم میگن.

همچنین ، از آنجا که یک سیستم حلقه باز از بازخورد برای تعیین خروجی مورد نیاز خود استفاده نمی کند ، “فرض” می کند که هدف مورد نظر ورودی موفق بوده است زیرا نمی تواند خطاهایی را که ممکن است مرتکب شود تصحیح کند و بنابراین نمی تواند اختلالات خارجی در سیستم  را جبران کند.

کنترل موتور حلقه باز

بنابراین به عنوان مثال ، کنترل کننده موتور DC را مطابق شکل فرض کنید.

سرعت چرخش موتور بستگی به ولتاژ ارائه‌شده توسط پتانسیومتر به تقویت‌کننده‌(کنترل کننده) دارد.مقدار ولتاژ‌ ورودی می‌تواند متناسب با موقعیت پتانسیومتر‌باشد.

 

اگر پتانسیومتر به بالای مقاومت منتقل شود، حداکثر ولتاژ مثبت به تقویت‌کننده ارائه می‌شود که نشان دهنده سرعت کامل است.

به همین ترتیب:

اگر برف پاک‌کن پتانسیومتر به پایین مقاومت منتقل‌شود، ولتاژ صفر ارائه می‌شود که نشان‌دهنده سرعت یا توقف بسیار کند است.

موقعیت لغزنده پتانسیومترها نمابانگر ورودیه ، θi که توسط تقویت‌کننده (کنترل کننده) تقویت میشه تا موتور DC (فرآیند) را با سرعت تنظیم‌شده N گویای خروجی ، θo سیستم ، هدایت کنه.

چرخش موتور با سرعت ثابتی که توسط موقعیت پتانسیومتر تعیین می شود ، ادامه می یابد.

از آنجا که مسیر سیگنال از ورودی به خروجی یک مسیر مستقیم است که بخشی از هیچ حلقه ای را تشکیل نمی دهد ، افزایش کلی سیستم ، مقادیر آبشاری از دستاوردهای فردی از پتانسیومتر ، تقویت کننده ، موتور و بار را افزایش می دهد.

بوضوح مطلوب است که سرعت خروجی موتور با موقعیت پتانسیومتر یکسان باشد، و بطور‌کلی افزایش سیستم را بعنوان یکپارچه نشان‌دهد.

با این حال ، دستاوردهای فردی پتانسیومتر ، تقویت کننده و موتور ممکن است در طول زمان با تغییر در ولتاژ یا دمای تغذیه متفاوت باشد

یا بار موتورها افزایش یابد که نشان دهنده اختلالات خارجی در سیستم کنترل موتور حلقه باز است.

اما کاربر در نهایت از تغییر عملکرد سیستم ها (تغییر در سرعت موتور) آگاه می شود و ممکن است آن را با افزایش یا کاهش سیگنال ورودی پتانسیومترها برای حفظ سرعت اصلی یا مطلوب تصحیح کند.

مزایای این نوع “کنترل موتور حلقه باز” این است که :

1 – پیاده سازی آن به طور بالقوه ارزان و ساده است

2 – برای استفاده در سیستم های با وضوح مناسب ایده آل است

زیرا رابطه بین ورودی و خروجی مستقیم است و تحت تأثیر هیچ گونه اختلال بیرونی قرار نمی گیرد.

متأسفانه این نوع سیستم حلقه باز ناکافی است!!!

زیرا تغییرات یا اختلالات در سیستم بر سرعت موتور تأثیر می گذارد. سپس شکل دیگری از کنترل مورد نیاز است.

در آموزش بعدی در مورد سیستم های الکترونیکی، ما تأثیر بازخورد بخشی از سیگنال خروجی به ورودی را بررسی می‌کنیم.

تا کنترل سیستم بر اساس تفاوت بین مقادیر واقعی و مورد نظر باشد.

به این نوع سیستم های کنترل الکترونیکی Clos-loop Control اطلاق می شود.

 

 

منبع : کلیک کنید