کنترل‌کننده‌ها یکی از قسمتهای مهم و حساس در حلقه کنترل صنعتی می‌باشند. زیرا عملکرد حلقه کنترل، نهایتاً از طریق کنترل‌کننده تعیین و تنظیم می‌شود.
در نمایش جعبه‌ای شکل (1ـ8) مقایسه کننده و کنترل‌کننده را به صورت دو بلوک مجزا نشان داده‌ایم اما در عمل، مقایسه کننده و کنترل‌کننده به طور یکجا و به صورت یک واحد ساخته می‌شوند و عمل مقایسه رفتار خروجی با رفتار مطلوب نیز در کنترل‌کننده انجام می‌گردد. ما نیز در اینجا کار مقایسه‌کنندگی و کنترل‌کنندگی را به طور یکجا تحت نام کنترل‌کنندگی مورد بررسی قرار می‌دهیم، بدین ترتیب وظیفه کنترل‌کننده در یک حلقه کنترل صنعتی را به صورت زیر بیان می‌نمائیم:
‹‹کنترل‌کننده با توجه به خطای موجود (اختلاف رفتار پروسه با رفتار مطلوب) با در نظر گرفتن قوانین کنترل (استراتژی کنترل) که طراح به آن یاد داده است، دستوری را جهت اصلاح خطا به قسمتهای بعدی (محرک، عنصر نهائی) ارسال می‌دارد.››
کنترل‌کننده‌ها را از دو نظر می‌توان دسته‌بندی نمود:
الف) از نظر نیرو یا انرژی محرکه
ب) از نظر قانون کنترل یا عملیاتی که بر روی سیگنال خطا انجام می‌دهند.
کنترل‌کننده‌ها از نظر نیرو و انرژی محرکه
کنترل‌کننده‌ها را از نظر نیرو و انرژی محرکه به سه دسته اصلی تقسیم‌بندی می‌کنند:
1. کنترل‌کننده‌های الکتریکی و الکترونیکی
2. کنترل‌کننده‌های پنوماتیکی (بادی)
3. کنترل‌کننده‌های هیدرولیکی (روغنی)
تقسیم‌بندی فوق از آنجا ناشی می‌گردد که، اساساً سیستم‌های صنعتی نیز از نظر نوع نیروی محرکه به سه دسته الکتریکی، پنوماتیکی و هیدرولیکی تقسیم می‌شوند، معمولاً هر سیستم کنترل‌کننده نظیر خود را مورد استفاده قرار می‌دهد. بدیهی است حالتهای ترکیبی نیز می‌توانند وجود داشته باشند، مثلاً یک کنترل‌کننده می‌تواند الکتروپنوماتیک یا الکتروهیدرولیک و ... باشد.
سیستم‌های الکتریکی، پنوماتیکی و هیدرولیکی هر یک مزایا و کاربرد مخصوص به خود را دارند. در مواردی که به نیروهای عظیم با نسبت نیرو به وزن بزرگ احتیاج باشد، از سیستم‌های هیدرولیک استفاده می‌کنیم. مانند پرس‌های سنگین و کشتی‌های بزرگ. در محل‌هائی که خطر آتش‌سوزی وجود دارد و یا در محیط‌های تمیز و بهداشتی، معمولاً از سیستم‌هاس پنوماتیکی استفاده می‌کنیم، مانند صنایع نفت و گاز و صنایع غذایی. در کاربردهای عادی و مواردی که برای انتقال نیرو نیاز به مکانیزم‌های پیچیده و زیاد نباشد، از سیستم‌هاس الکتریکی و معمولاً موتورهای الکتریکی استفاده می‌کنیم.
کنترل‌کننده‌های الکتریکی (الکترونیکی)
طراحی کنترل‌کننده‌های الکتریکی آسانتر از انواع دیگر میباشد. به علاوه با توجه به پیشرفت‌های تکنولوژی حالت جامد و ارزانی قطعات نیمه‌هادی کنترل‌کننده‌های الکترونیکی بسیار ارزانتر از انواع دیگر می‌باشند.
با توجه به شکل (4ـ12) در کنترل‌کنده‌های الکترونیکی معمولاً از تقویت‌کننده‌های عملیاتی (op-Amp) که دارای گین بسیار زیاد می‌باشند در مسیر رفت و از عناصر مقاومت (R) و خازن (C) در مسیر برگشت استفاده می‌شود.
کنترل‌کننده‌های تناسبی الکتریکی
شکل (4ـ13) بکارگیری اصل کلی برای ساخت یک کنترل‌کننده تناسبی را نشان می‌دهد. در این شکل داریم:
ص 178
شکل (4ـ13). طرح کلی کنترل‌کننده تناسبی الکتریکی
و می‌توان نوشت:
(4ـ13)
با توجه به رابطه (4ـ13) با تنظیم نسبت می‌توان به سادگی مقدار Kp را تنظیم نمود.
کنترل‌کننده‌های بادی (پنوماتیکی)
سیستم‌های بادی مزایا و کاربردهای خاص خود را دارند که از جمله می‌توان به ایمنی و در پاره‌ای موارد ارزانی آنها اشاره نمود. با توجه به اصل کلی، طرح‌های کنترل‌کننده‌های بادی شبیه به طرح‌های انواع الکتریکی میباشد یعنی برای ساخت یک کنترل‌کننده بادی نیاز به یک تقویت‌کننده با گین زیاد و عناصر مقاومت و ظرفیت (خازن) داریم.
تقویت‌کننده‌های بادی
مطابق شکل (4ـ17) ورودی یک تقویت‌کننده بادی معمولاً جابجایی (طول) و خروجی آن فشار میباشد. برای ساخت تقویت‌کننده‌های بادی معمولاً از طرح دهانه ـ تیغه (nozzle-flapper) استفاده می‌شود.
ص 182
شکل (4ـ17). نمایش جعبه‌ای تقویت‌کننده بادی در حالت کلی
تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه (nozzle-flapper)
شکل (4ـ18) یک تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه را نشان می‌دهد. اگر فاصله تیغه (flapper) از دهانه (nozzle) زیاد باشد فشار تغذیه از طریق دهانه به خارج جریان پیدا می‌کند. جریان هوا از میان مانع (orifice) موجب افت فشار در دو طرف آن می‌شود به گونه‌ای که فشار بعد از مانع یعنی فشار پشتی (back-pressure) بسیار کمتر از فشار تغذیه (Ps) می‌گردد. از طرف دیگر اگر تیغه به دهانه نزدیک شود جریان هوا از دهانه کاهش می‌یابد و این امر به کاهش جریان از میان مانع می‌انجامد و بنابراین افت فشار روی مانع نیز کاهش یافته، فشار پشتی افزایش می‌یابد.
ص 183
شکل (4ـ18). تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه بادی
مشخصه فشار خروجی (پشتی) بر حسب فاصله تیغه از دهانه (x) در شکل (4ـ19) رسم گردیده است. حداکثر فشار خروجی هنگامی به دست می‌آید که تیغه به دهانه چسبیده و آن را کاملاً مسدود کرده باشد، در این حالت هوا صفر است و بنابراین افت فشار بر روی مانع نخواهیم داشت و فشار دو طرف مانع برابر می‌گردند یعنی فشار خروجی برابر فشار تغذیه می‌شود.
ص 183
شکل (4ـ19). مشخصه تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه در حالت کلی
اگر فاصله تیغه از دهانه زیاد شود فشار خروجی کاهش می‌یابد که حداقل آن فشار اتمسفر (Pa) خواهد شد. برای آنکه مشخصه تقویت‌کننده حتی‌الامکان خطی باشد می‌بایستی مواردی را در ساخت آن رعایت نمود از جمله قطر دهانه حتی‌الامکان کوچک (حدود 3/0 میلی‌متر) انتخاب می‌گردد و قطر مانع اندکی کمتر از قطر دهانه در نظر گرفته می‌شود (حدود 25/0 میلی‌متر). دامنه تغییرات سیگنال ورودی باید به گونه‌ای باشد که حداقل فاصله تیغه از دهانه، صفر و حداکثر آن در حدود قطر دهانه باشد.
از فشار خروجی یک تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه نمی‌توان مستقیماً برای راه‌اندازی قسمتهای بعدی (مثلاً محرک‌ها) استفاده نمود چرا که در صورت جریان هوا در خروجی، این جریان می‌بایستی از میان مانع عبور کند که در این صورت موجب افت فشار خواهد شد. برای حل این مشکل از یک مدار بافر (شبیه به تقویت‌کننده‌های الکترونیکی) در خروجی استفاده می‌کنیم. در شکل (4ـ20) یک تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه همراه با مدار بافر در خروجی آن نمایش داده شده است.
ص 184
شکل (4ـ20)
تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه با مدار بافر
مدار بافر را گاهی رله معکوس نیز می‌گویند. مطابق شکل، افزایش فشار پشتی موجب حرکت دیافراگم به سمت پائین و بسته‌تر شدن شیر می‌گردد و این امر فشار خروجی (مصرف‌کننده) را کاهش می‌دهد. به همین ترتیب کاهش فشار پشتی موجب حرکت دیافراگم به سمت بالا و بازتر شدن شیر و افزایش فشار مصرف‌کننده می‌گردد. توجه نمائید که در هر حالت جریان هوای مورد نیاز مصرف‌کننده توسط فشار تغذیه تأمین می‌گردد و تأثیری بر فشار پشتی ندارد. مدار بافر علاوه بر بافر کردن فشار پشتی نسبت به فشار مصرف‌کننده، تغییرات فشار خروجی نسبت به فشار پشتی را معکوس می‌کند یعنی با افزایش فشار پشتی خروجی کاهش و با کاهش آن افزایش می‌یابد. به همین دلیل مدار بافر را رله معکوس‌کننده نیز می‌نامیم. بنابراین مشخصه ورودی ـ خروجی تقویت‌کننده شکل (4ـ20) در حالت کلی مطابق شکل (4ـ21) میباشد.
ص 184
شکل (4ـ21). مشخصه تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه با بافر
تقویت‌کننده شکل (4ـ20) دارای گین بسیار زیادی است به طوری که در اثر تغییرات در دامنه‌ای حدود چند دهم میلی‌متر اندازه تغییرات فشار بسیار عظیم خواهد بود به گونه‌ای که تقویت‌کننده عملاً در محدوه اشباع بالا یا اشباع پائین قرار خواهد گرفت. همچنین تنظیم گین تقویت‌کننده بر روی یک مقدار دلخواه مقدور نمی‌باشد. این تقویت‌کننده را می‌توان به یک تقویت‌کننده آپ امپ (op-Amp) تشبیه نمود. در اینجا نیز مشابه op-Ampها می‌توانیم با برقراری فیدبک، گین تقویت‌کننده را کاهش و حوزه عملکرد خطی آن را افزایش دهیم.
علامتی که معمولاً در اینگونه موارد استفاده می‌شود مطابق شکل (4ـ22) میباشد و در این مدار با استفاده از یک دم، فیدبکی منفی بر تیغه (ورودی) اعمال می‌کنیم.
ص 185
شکل (4ـ22). تقویت‌کننده دهانه ـ تیغه فیدبک شده
برای روشن‌تر شدن مطلب فرض کنید در اثر اعمال ورودی تیغه از دهانه دور شود. در این حال فشار پشتی کاهش و فشار خروجی (p0) افزایش می‌یابد. افزایش فشار خروجی موجب باز شدن دم فیدبک و حرکت انتهای دیگر تیغه به سمت دهانه می‌گردد که این امر موجب نزدیک‌تر شدن تیغه به دهانه و کاهش اثر ورودی (یعنی دور شدن تیغه از دهانه) می‌شود. بیان فوق به معنی برقراری فیدبک منفی در تقویت‌کننده است.
در شکل (4ـ23) نمایش جعبه‌ای تقویت‌کننده فیدبک شده فوق برای حالتی که فاصله دهانه از دو انتهای تیغه یکسان میباشد آمده است.
ص 186
شکل (4ـ23). نمایش جعبه‌ای تقویت‌کننده شکل (4ـ22)
در این شکل k، گین تقویت‌کننده بدون فیدبک است و A و KS به ترتیب سطح و ضریب فنریت دم می‌باشند. گین تقویت‌کننده در این حالت به دست می‌آید:
(4ـ17)
رابطه (4ـ17) را با فرض زیاد بودن بهره حلقه (Loop-Goin) می‌توان به صورت زیر ساده نمود:
(4ـ18)
ضریب فنریت دم را می‌توان با استفاده از فنرهای کمکی که موازی با دم به تیغه متصل می‌شوند تنظیم نمود.
عناصر مسیر برگشت در کنترل‌کننده‌های بادی
اصل کلی در ساخت کنترل‌کننده‌ها لازم می‌دارد که عناصری با تابع تبدیل عکس عملیات مورد نیاز، در مسیر فیدبک تقویت‌کننده قرار گیرد تا عملیات دلخواه به دست آید. در کنترل‌کننده‌های الکتریکی از عناصر مقاومت (R) و خازن (C) در مسیر برگشت استفاده نمودیم. همانطور که می‌دانید مقاومت یک عنصر الکتریکی تلف‌کننده انرژی و خازن یک عنصر الکتریکی ذخیره کننده انرژی است. در سیستم‌های بادی نیز عناصر تلف‌کننده و ذخیره انرژی داریم. به عنوان یادآوری شکل (4ـ24ـ الف) را در نظر بگیرید.
ص 186
شکل (4ـ24). مدار RC الکتریکی و بادی
در این شکل رابطه بین فشار شارژ (PS) و فشار مخزن (P) به صورت زیر به دست می‌آید:
(4ـ19)
که مشابه رابطه بین ولتاژهای ES و E0 در مدار الکتریکی معادل آن (شکل 4ـ24ـ ب) میباشد:
بنابراین هر ظرف مسدود که قابلیت ذخیره‌سازی فشار را داشته باشد مانند یک خازن عمل می‌نماید و هر مانع در برابر عبور جریان هوا که افت فشار ایجاد کند مانند یک مقاومت عمل می‌نماید.
مقاومت بادی
در کنترل‌کننده‌های بادی از شیرهای ظریف قابل تنظیم به عنوان مانع در برابر جریان هوا یا به عبارت دیگر به عنوان مقاومت بادی استفاده می‌کنیم. باز و بسته کردن شیر قطر روزنه عبور هوا را افزایش یا کاهش می‌دهد که این به معنی کاهش یا افزایش مقاومت بادی میباشد.
ص 187
تنظیم مقاومت بادی به آسانی تنظیم یک پتانسیومتر است و بنابراین تنظیم کنترل‌کننده‌های بادی معمولاً مانند کنترل‌کننده‌های الکتریکی از طریق تنظیم مقاومت (شیرها) انجام می‌گردد.
ظرفیت (خازن) بادی
در کنترل‌کننده‌های بادی سیگنال خطا با جابجائی است و خروجی کنترل‌کننده فشار است. دیدیم که هر ظرف مسدود مانند یک ظرفیت (خازن) بادی عمل می‌کند، بنابراین عناصر مسیر برگشت می‌بایستی ضمن فیدبک (خروجی به ورودی) به گونه‌ای فشار را تبدیل به جابجایی نمایند. بدین‌منظور از یک دم به عنوان ظرف مسدود (خازن) استفاده می‌گردد. دم علاوه بر ذخیره فشار به دلیل خاصیت ارتجاعی، تغییر طولی متناسب با فشار ذخیره شده تولید می‌کند. برای روشن‌تر شدن مطلب شکل (4ـ25) را در نظر بگیرید:
ص 188
شکل (4ـ25). بیان عملکرد دم در برابر فشار
در حالت عادی (بدون فشار) طول دم X میباشد. هرگاه فشار P به داخل آن اعمال گردد و سطح مؤثر دم A باشد نیروی وارده بر آن برابر خواهد بود با:
(4ـ20)
در رابطه (4ـ21) KS ضریب فنریت دم میباشد. جابجایی X را بر حسب فشار اعمالی می‌توان با ساتفاده از روابط (4ـ20) و (4ـ21) به دست آورد:
(4ـ22)
A و KS برای یک دم، مقادیری معین اما ثابت و غیرقابل تغییر می‌باشند. در عمل برای ایجاد تغییر و تنظیم KS یک فنر با دم موازی و یا به اهرمی که توسط دم جابجا می‌شود متصل می‌کنند. شکل (4ـ26).
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 32 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله کنترل کننده‌ها
