فهم أنظمة التحكم وآلية عملها
تعريف أنظمة التحكم
يُعتبر نظام التحكم مجموعة من الأنظمة الكهربائية والميكانيكية التي تهدف إلى تنظيم عمل الأجهزة الأخرى، حيث تسعى لتحديد قيمة معينة للمخرجات الفعلية للنظام (بالإنجليزية: Actual output) من خلال التحكم بهذه المخرجات ومقارنتها بالمدخلات أو المخرجات المتوقعة (بالإنجليزية: Desired output). وتعتمد أنظمة التحكم على خمسة مكونات أساسية: المدخلات، المخرجات، المستشعرات، المحركات، والمتحكمات.
آلية عمل أنظمة التحكم
يعمل نظام التحكم على تنظيم أداء الأجهزة عبر إصدار الأوامر أو توجيه سلوكها من خلال إرسال إشارات كهربائية إلى المحركات الموجودة ضمن النظام (بالإنجليزية: Actuators)، مثل المواتير والصمامات. كما يُراقب مدى وصول النظام إلى القيم المحددة مسبقاً باستخدام المستشعرات الموجودة في النظام (بالإنجليزية: Transducer).
يمكن تنفيذ تشغيل نظام التحكم بواسطة الطاقة الكهربائية، أو بأساليب ميكانيكية، أو بواسطة ضغط المائع (سواء كان سائلًا أو غازًا)، أو دمج هذه الوسائل معًا. يعمل نظام التحكم من خلال حلقات التحكم، وهي عملية مُصممة للحفاظ على متغير العملية عند النقطة المحددة المطلوبة. بعبارة أخرى، يمكن وصف نظام التحكم بأنه نظام يسيطر على الأنظمة الأخرى.
كمثال عن أنظمة التحكم، نجد أنظمة التكييف، حيث يقوم مستشعر الحرارة بقياس درجة الحرارة بشكل دوري. إذا كانت القيمة المقاسة لا تتماشى مع درجة الحرارة التي حددها المستخدم، يستمر المستشعر في إرسال إشارات كهربائية إلى المتحكم، الذي يرسل بدوره إشارة كهربائية إلى المحرك (مثل مضخة الهواء) لرفع أو خفض درجة الحرارة. يستمر المستشعر في قياس درجات الحرارة حتى يصل الهواء إلى القيمة المطلوبة، وعند الوصول، تتوقف العملية وتعاود الحدوث عند تغيُّرها مرة أخرى.
تطور أنظمة التحكم
كان لأنظمة التحكم تأثير مُباشر في تقدم التكنولوجيا الحديثة والمجتمع ككل. فعلى سبيل المثال، تظهر أنظمة التحكم في أجهزة التكييف داخل المنازل، وفي التحكم في الأدوات اليومية مثل الثلاجات، ومراحيض الحمام، والمكاوي الأوتوماتيكية، بالإضافة إلى العديد من العمليات داخل السيارات.
وتتواجد أنظمة التحكم في السياقات الصناعية لمراقبة جودة المنتجات، وأنظمة الأسلحة، وأنظمة النقل، والطاقة، والفضاء، حيث تنطبق مبادئ نظرية التحكم على كلا المجالين الهندسي وغير الهندسي.
تم تطوير نظام التحكم ليأخذ شكل الأتمتة، حيث يوجد نوعان رئيسيان من أنظمة التحكم: نظام التغذية الأمامية ونظام ردود الفعل، ولكل منهما أصوله التاريخية. تعد الأنظمة المستخدمة للتحكم في الموضع، السرعة، التسارع، درجة الحرارة، الضغط، الجهد، والتيار من بين الأمثلة على أنظمة التحكم.
أنواع أنظمة التحكم
صُممت أنظمة التحكم بناءً على مبدأ التشغيل الآلي، وهي تنقسم إلى نوعين رئيسيين، كما يلي:
أنظمة التحكم ذات العقدة المفتوحة
في التحكم الارتجاعي (بالإنجليزية: Feedback control)، تقاس المتغيرات التي يتم التحكم بها ويتم مقارنتها أيضاً مع قيمة مرجعية أو مستهدفة. بعد النظر في المقارنة، يُعرف الفرق بين القيمة الفعلية والقيمة المستهدفة بالخطأ (Error). لذلك، يُفترض أنه يمكن تقليل نسبة الخطأ عن طريق تعديل المدخلات في نظام التحكم.
يتميز هذا النوع من أنظمة التحكم بالبساطة، إذ يتكون من عمليتين رئيسيتين هما الإدخال والإخراج، ولا يحتاج إلى حساب ما إذا كانت النتيجة النهائية هي المرغوبة أم لا. مثال على ذلك هو الغسالات.
أنظمة التحكم ذات العقدة المغلقة
تُستخدم أنظمة التحكم ذات العقدة المغلقة (Feedforward control) للتغلب على الاضطرابات المستمرة التي لا يمكن التعامل معها بدقة باستخدام نظام التحكم الارتجاعي فقط. لذلك، غالباً ما يُستخدم هذا النظام جنبا إلى جنب مع نظام التحكم الارتجاعي لتحسين كفاءة النظام.
خصائص أنظمة التحكم
تشترك جميع أنظمة التحكم الحديثة بالحلقات المغلقة أو آلية المؤازرة في خاصيتين رئيسيتين نستعرضهما كما يلي:
قدرة نظام التحكم على التحكم في كمية المنتجات
عندما تكون المنتجات الناتجة عن نظام التحكم تحت الرقابة، يُحدد المعامل المرتبط بالنظام قيمة الكمية التي تتطلب تغييرات. أي أن هذا النظام يستمد الحاجة للتغيير من نفسه بشكل ذاتي دون تدخل خارجي، مما يعني أن لديه القدرة الكافية للتحكم في الكمية الناتجة.
تحديد كمية الطاقة اللازمة للمنتجات
يتم توفير الطاقة للمحرك داخل النظام بنمط تغذية مُحدد لتحفيز تغييرات بالقيمة الإجمالية للكمية الناتجة. يتم ذلك من خلال مقارنة الفروق بين القيمة المطلوبة والقيمة الفعلية الناتجة، كما هو الحال في نظام التسخين الحراري الذي يحدد حاجة الفرن للإمداد بالوقود من خلال مقارنة درجة حرارة الفرن الفعلية بالدرجة المطلوبة.