سیستم حلقه بسته چیست

مقدمه:

در یک سیستم حلقه‌ بسته، از کنترل‌کننده برای مقایسه خروجی واقعی سیستم و مقدار مطلوب آن و تبدیل خطا به یک عمل کنترل مناسب، استفاده می‌شود. خروجی کنترل‌کننده به‌گونه‌ای است که خطا را کاهش دهد و خروجی سیستم را به مقدار مطلوب برساند. در سیستم کنترل حلقه‌بسته می‌توان از چند حلقه فیدبک استفاده کرد. در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی سیستم حلقه بسته می پردازیم.

توانایی یک سیستم فیدبک برای اصلاح دینامیک طبیعی یک سیستم و به ویژه تثبیت آن، معماری اساسی هر سیستم حلقه بسته است؛ اما مزایا (و معایب) کنترل فیدبک حلقه بسته نسبت به هر نوع معماری کنترل دیگری چیست.

سیستم‌هایی که در آن‌ها مقدار خروجی هیچ تاثیری بر ورودی فرآیند کنترل ندارد، سیستم‌های کنترل حلقه باز نامیده می‌شوند و سیستم‌های حلقه باز دقیقاً همان سیستم‌های غیرفیدبک هستند.

اما هدف هر سیستم کنترل الکتریکی یا الکترونیکی اندازه‌گیری، نظارت و کنترل یک فرآیند است و یکی از راه‌های کنترل دقیق فرآیند، نظارت بر خروجی آن و “تغذیه” بخشی از آن برای مقایسه خروجی واقعی با خروجی مورد نظر را به منظور کاهش خطا و در صورت اختلال، خروجی سیستم را به حالت اولیه یا پاسخ دلخواه برگردانید.

مقدار خروجی اندازه گیری شده را “سیگنال فیدبک ” می‌نامند و به نوع سیستم کنترلی که از سیگنال های بازخورد برای کنترل و تنظیم خود استفاده می‌کند، سیستم حلقه بسته می‌گویند.

یک سیستم کنترل حلقه بسته که به عنوان سیستم کنترل بازخورد نیز شناخته می‌شود، سیستم کنترلی است که از مفهوم یک سیستم حلقه باز به عنوان مسیر رو به جلو استفاده می‌کند، اما دارای یک یا چند حلقه بازخورد (از این رو نام آن) یا مسیرهایی بین خروجی و آن است. ورودی ارجاع به “فیدبک” به سادگی به این معنی است که بخشی از خروجی “فیدبک” به ورودی بازگردانده می‌شود تا بخشی از تحریک سیستم را تشکیل دهد.

سیستم حلقه بسته به گونه ای طراحی شده اند که به طور خودکار شرایط خروجی مورد نظر را با مقایسه آن با شرایط واقعی حفظ کنند. این کار را با تولید یک سیگنال خطا انجام می‌دهد که تفاوت بین خروجی و ورودی مرجع است؛ به عبارت دیگر، “سیستم حلقه بسته” یک سیستم کنترل کاملا اتوماتیک است که در آن عملکرد کنترل آن به نوعی به خروجی وابسته است.

کنترل حلقه بسته:

به عنوان مثال اگر لباس ها خیلی خیس هستند، کنترل کننده ممکن است دما یا زمان خشک شدن را افزایش دهد. به همین ترتیب، اگر لباس تقریباً خشک باشد، ممکن است دما را کاهش دهد یا روند را متوقف کند تا بیش از حد گرم نشود یا لباس و غیره نسوزد.

سپس پیکربندی حلقه بسته با سیگنال بازخوردی که از سنسور در سیستم خشک کردن لباس ما به دست می‌آید مشخص می‌شود. بزرگی و قطبیت سیگنال خطای حاصل، مستقیماً با تفاوت بین خشکی مورد نیاز و خشکی واقعی لباس مرتبط است.

همچنین، از آنجایی که یک سیستم حلقه بسته اطلاعاتی از شرایط خروجی دارد، (از طریق سنسور) برای کنترل هرگونه اختلال یا تغییر در شرایط سیستم که ممکن است توانایی آن را برای تکمیل کار مورد نظر کاهش دهد، مجهزتر است.

به عنوان مثال، مانند قبل، درب خشک کن باز می‌شود و گرما از بین می‌رود. این بار انحراف دما توسط سنسور بازخورد تشخیص داده می‌شود و کنترل کننده خطا را تصحیح می‌کند تا دمای ثابت را در محدوده مقدار از پیش تعیین شده حفظ کند. یا احتمالاً فرآیند را متوقف می‌کند و زنگ هشدار را برای اطلاع اپراتور فعال می‌کند.

همان‌طور که می‌بینیم، در یک سیستم کنترل حلقه بسته، سیگنال خطا که تفاوت بین سیگنال ورودی و سیگنال بازخورد (که ممکن است خود سیگنال خروجی یا تابعی از سیگنال خروجی باشد)، به کنترل کننده داده می‌شود. تا خطای سیستم کاهش یابد و خروجی سیستم به مقدار دلخواه برگردد. در مورد ما خشکی لباس. واضح است که وقتی خطا صفر است لباس ها خشک می‌شوند.

اصطلاح کنترل حلقه بسته همیشه به استفاده از یک عمل کنترل بازخورد به منظور کاهش هر گونه خطا در سیستم و “فیدبک” آن اشاره دارد که تفاوت های اصلی بین یک سیستم حلقه باز و یک سیستم حلقه بسته را متمایز می‌کند.

بنابراین خروجی به مسیر بازخورد بستگی دارد که به طور کلی می‌توان آن را بسیار دقیق ساخت و در سیستم‌ها و مدارهای کنترل الکترونیکی، کنترل بازخورد بیشتر از کنترل حلقه باز یا پیش‌خور استفاده می‌شود.

سیستم های حلقه بسته مزایای زیادی نسبت به سیستم های حلقه باز دارند. مزیت اصلی یک سیستم کنترل بازخورد حلقه بسته توانایی آن در کاهش حساسیت سیستم به اغتشاشات خارجی است، به عنوان مثال باز کردن درب خشک کن، به سیستم کنترل قوی تری را با هر تغییری می‌دهد. سیگنال بازخورد منجر به جبران توسط کنترلر می‌شود.

ویژگی سیستم حلقه بسته:

سپس می‌توانیم ویژگی های اصلی کنترل حلقه بسته را به صورت زیر تعریف کنیم:

برای کاهش خطاها با تنظیم خودکار ورودی سیستم.

برای بهبود پایداری یک سیستم ناپایدار.

برای افزایش یا کاهش حساسیت سیستم.

برای افزایش استحکام در برابر اختلالات خارجی فرآیند.

برای تولید عملکرد قابل اعتماد و تکرارپذیر.

در حالی که یک سیستم حلقه بسته خوب می‌تواند مزایای زیادی نسبت به یک سیستم کنترل حلقه باز داشته باشد، عیب اصلی آن این است که برای ارائه مقدار لازم کنترل، یک سیستم حلقه بسته باید با داشتن یک یا چند مسیر بازخورد پیچیده تر باشد.

همچنین، اگر بهره کنترل‌کننده نسبت به تغییرات در دستورات یا سیگنال‌های ورودی آن بیش از حد حساس باشد، می‌تواند ناپایدار شده و با تلاش کنترل‌کننده برای تصحیح بیش از حد خود شروع به نوسان کند و در نهایت چیزی شکسته شود؛ بنابراین باید به سیستم بگوییم که چگونه می‌خواهیم در محدوده‌های از پیش تعریف شده رفتار کند.

نقاط سیستم حلقه بسته:

برای اینکه یک سیستم فیدبک حلقه بسته بتواند هر سیگنال کنترلی را تنظیم کند، ابتدا باید خطای بین خروجی واقعی و خروجی مورد نظر را تعیین کند. این با استفاده از یک نقطه جمع که به عنوان عنصر مقایسه نیز نامیده می‌شود، بین حلقه بازخورد و ورودی سیستم به دست می‌آید.

 این نقاط جمع یک نقطه تنظیم سیستم را با مقدار واقعی مقایسه می‌کنند و یک سیگنال خطای مثبت یا منفی تولید می‌کنند که کنترل کننده نیز به آن پاسخ می‌دهد. جایی که: خطا = نقطه تنظیم – واقعی

نمادی که برای نشان دادن نقطه جمع در بلوک دیاگرام سیستم حلقه بسته استفاده می‌شود، نماد دایره ای با دو خط متقاطع است. نقطه جمع می‌تواند سیگنال‌هایی را با هم اضافه کند که در آن از نماد پلاس (+) استفاده می‌شود که دستگاه را «تابستان» نشان می‌دهد (برای بازخورد مثبت استفاده می‌شود)، یا می‌تواند سیگنال‌ها را از یکدیگر کم کند در این صورت یک منهای (-) نماد استفاده می‌شود که نشان می‌دهد دستگاه یک “مقایسه کننده” است (برای بازخورد منفی استفاده می‌شود) همان‌طور که نشان داده شده است.

توجه داشته باشید که نقاط جمع می‌توانند بیش از یک سیگنال به عنوان ورودی داشته باشند، چه با جمع یا تفریق، اما فقط یک خروجی که مجموع جبری ورودی ها است. همچنین فلش ها جهت سیگنال ها را نشان می‌دهند. نقاط جمع را می توان با هم آبشاری کرد تا امکان جمع شدن متغیرهای ورودی بیشتری در یک نقطه مشخص فراهم شود.

تابع انتقال سیستم حلقه بسته:

تابع انتقال هر سیستم کنترل الکتریکی یا الکترونیکی رابطه ریاضی بین ورودی سیستم و خروجی آن است و از این رو رفتار سیستم را توصیف می‌کند. همچنین توجه داشته باشید که نسبت خروجی یک دستگاه خاص به ورودی آن نشان دهنده بهره آن است. سپس به درستی می‌توان گفت که خروجی همیشه تابع انتقال سیستم ضربدر ورودی است. سیستم حلقه بسته زیر را در نظر بگیرید.

کنترل موتور حلقه بسته:

بنابراین چگونه می‌توانیم از سیستم‌ حلقه بسته در الکترونیک استفاده کنیم. اگر یک مبدل اندازه گیری سرعت مانند یک سرعت‌سنج را به شفت موتور DC متصل کنیم، می‌توانیم سرعت آن را تشخیص داده و سیگنالی متناسب با سرعت موتور به تقویت‌کننده ارسال کنیم. یک سرعت سنج که به نام تاکو ژنراتور نیز شناخته می‌شود، به سادگی یک ژنراتور DC با آهنربای دائمی است که ولتاژ خروجی DC متناسب با سرعت موتور می‌دهد.

سپس موقعیت لغزنده پتانسیومتر ورودی را نشان می‌دهد، θi که توسط تقویت کننده (کنترل کننده) تقویت می‌شود تا موتور DC را با سرعت تنظیم شده N به حرکت درآورد که نشان دهنده خروجی، θo سیستم است و سرعت سنج T حلقه بسته خواهد بود. برگشت به کنترلر تفاوت بین تنظیم ولتاژ ورودی و سطح ولتاژ بازخورد سیگنال خطا را مطابق شکل می‌دهد.

بلوک دیاگرام برای کنترل کننده فیدبک:

کنترل کننده موتور حلقه بسته یک وسیله رایج برای حفظ سرعت موتور مورد نظر در شرایط بار متفاوت با تغییر میانگین ولتاژ اعمال شده به ورودی کنترلر است. سرعت سنج را می توان با یک رمزگذار نوری یا سنسور موقعیتی یا چرخشی نوع اثر هال جایگزین کرد.

نتیجه‌گیری از سیستم حلقه بسته:

 یک سیستم کنترل الکترونیکی با یک یا چند مسیر بازخورد، سیستم حلقه بسته نامیده می‌شود. سیستم‌های کنترل حلقه بسته که «سیستم‌های کنترل فیدبک» نیز نامیده می‌شوند در کنترل فرآیند و سیستم‌های کنترل الکترونیکی بسیار رایج هستند. سیستم های بازخورد بخشی از سیگنال خروجی خود را برای مقایسه با وضعیت نقطه تنظیم مورد نظر به ورودی “بازخورد” می‌دهند. نوع سیگنال بازخورد می‌تواند منجر به بازخورد مثبت یا بازخورد منفی شود.

در یک سیستم حلقه بسته، از یک کنترل کننده برای مقایسه خروجی یک سیستم با شرایط مورد نیاز و تبدیل خطا به یک عمل کنترلی طراحی شده برای کاهش خطا و بازگرداندن خروجی سیستم به پاسخ مورد نظر استفاده می‌شود. سپس سیستم های کنترل حلقه بسته از بازخورد برای تعیین ورودی واقعی به سیستم استفاده می‌کنند و می‌توانند بیش از یک حلقه فیدبک داشته باشند.

سیستم حلقه بسته مزایای زیادی نسبت به سیستم های حلقه باز دارند. یک مزیت این واقعیت است که استفاده از بازخورد باعث می‌شود که پاسخ سیستم نسبت به اختلالات خارجی و تغییرات داخلی در پارامترهای سیستم مانند دما نسبتاً غیر حساس باشد؛ بنابراین می‌توان از اجزای نسبتاً نادرست و ارزان برای به دست آوردن کنترل دقیق یک فرآیند یا کارخانه معین استفاده کرد.

سیستم کنترل حلقه بسته مزایای زیادی نسبت به سیستم های حلقه باز دارند. یک مزیت این واقعیت است که استفاده از بازخورد باعث می‌شود که پاسخ سیستم نسبت به اختلالات خارجی و تغییرات داخلی در پارامترهای سیستم مانند دما نسبتاً غیر حساس باشد؛ بنابراین می‌توان از اجزای نسبتاً نادرست و ارزان برای به دست آوردن کنترل دقیق یک فرآیند یا کارخانه معین استفاده کرد.

با این حال، پایداری سیستم می‌تواند یک مشکل بزرگ به‌ویژه در سیستم‌ حلقه بسته با طراحی بد باشد، زیرا ممکن است سعی کنند هر گونه خطا را که می‌تواند باعث از دست دادن کنترل و نوسان سیستم شود، تصحیح کنند.