اصول كنترل
- اصول كنترل
اين فصل اختصاص به بحث كنترل دارد كه مي توان آن را فرآيند نيز ناميد چون يكي بدون ديگري نمي تواند وجود داشته باشد. براي فهميدن طبيعت كنترل ابتدا بايد فرآيند را به خوبي درك كنيم. فرايند مجموعه اي از عملياتي است كه براي برآورده شدن يك هدف خاص انجام مي شود. واضح است كه فرآيند مي تواند ساده يا پيچيده، كوچك يا بزرگ، شامل متغيرها و عوامل زياد يا كم، عمليات كوتاه يا طولاني و يا گاهي شامل چند فرآيند ديگر در دل فرآيند اصلي باشد. فرآيند كاملا و هميشه درگير با تبديل و توليد و مصرف انرژي در همه شكلهاي قابل تصور در مقياس هاي بزرگ يا كوچك است. وظيفه اصلي ابزار دقيق اطمينان از درستي انجام وظايف و عمليات فرآيند با نصب دستگاههاي اندازه گيري وكنترل است. با توجه به مطالب گفته شده متوجه مي شويم كه براي هر فرآيندي وجود كنترل ضروري است. يك كليدكه باعث راه افتادن يا از كار افتادن يك فرآيند مي شود چه خودكار باشد چه دستي، به عنوان كنترل در نظر گرفته مي شود. البته كنترل معناي بسيار دقيق تري دارد . كليدكه عامل شروع يا پايان فرآيند است نسبت به اينكه فرآيند كارش را انجام داده است يا نه بي خبر است. پرسش مهم اين است كه چگونه اين اطلاعات را كه گاهي به صدها مورد مي رسد به دستگاههاي ابزاردقيق منتقل كنيم. اصلي ترين نكته اين است كه شرايطي فراهم كنيم تا اندازه و مقدار چيزي كه عملكرد درست فرآيند به آن بستگي دارد، اندازه گيري و يا دست كم حس شود.
پيچيدگي فرآيند هاي امروزي چنان است كه انواع گوناگوني از كنترل يا درجات مختلف كنترل مورد نياز است. بايد جزئياتي كه براي شناخت و عملكرد درست فرآيند و كنترل ضروري است را تعريف كنيم تا راه و هدف بهتر مشخص شود. فرآيند را كه پيش از اين تعريف كرديم، لازم به يادآوري است كه دو نوع فرآيند وجود دارد. يك نوع فرآيند فرآيند دسته اي است كه در آن يك واحد توليدي يا يك مجموعه ازعمليات براي توليدچيزي كه مي خواهيم انجام مي شود و وقتي اين عمليات انجام شد فرآيند دوباره تكرار مي شود. تعداد تكرار فرآيند بستگي به تعداد توليد مورد نظر ما دارد. نوع ديگر فرآيند فرآيند پيوسته است كه درآن فرآيند به طور پيوسته از موادخام تغذيه شده و مواد دلخواه ما را توليد مي كند. تعدادي از فرآيندها تركيبي از اين دو نوع فرآيند هستند. براي مثال در پخت نان خمير به شكل دسته اي آماده مي شود. اما نان به طور پيوسته پخت مي گردد.
مورد ديگري كه بايد تعريف شود عامل تحت كنترل (Controlled Medium ) است. عامل تحت كنترل چيزي است كه ما كميت يا كيفيت آن را اندازه گيري و كنترل مي كنيم. متغير تحت كنترل (Controlled Variable) شرايطي است كه يك عامل تحت كنترل دارد.پس بين آنچه كه ما كنترل مي كنيم و آنچه كه كنترل انجام مي دهد يك تفاوت وجود دارد. براي مثال در گرم كردن يك مخزن آب به وسيله بخار، آب ، عامل تحت كنترل و دماي آب متغير تحت كنترل است. عامل موثر بر متغير (Manipulated Variable ) مقدار يا شرايطي است كه بايد تغيير كند تا متغير تحت كنترل در شرايط مورد نظر قرار گيرد. اگر براي نگه داشتن دماي آب در يك سطح مشخص، از بخار استفاده شود، بخار يك عامل موثر بر متغير است. حال مي توانيم يك كنترل كننده خودكار را تعريف كنيم. يك كنترل كننده خودكار وسيله اي است كه ميزان يك متغير يا شرايط يك متغير را اندازه گيري كرده و براساس آن براي اصلاح يا محدود كردن خطاي احتمالي موجود در آن كميت يا شرايط در مقايسه با يك كميت مرجع اقدام كند. خطا يا انحراف (Deviation ) در علم كنترل به تفاوت بين اندازه واقعي متغير تحت كنترل با اندازه اي است كه ما با تعيين نقطه تنظيم (set point) انتظار برآورده شدن آن را داريم. نقطه تنظيم محل يا اندازه اي است كه مكانيزم كنترل كننده بايد متغير تحت كنترل را به آن برساند. درحقيقت خطا تفاوت بين آن چيزي است كه ما مي خواهيم و آنچه كه داريم. چيزي که مورد نظر ماست با نقطه تنظيم در يك حد تثبيت مي شود كه مي تواند يك اندازه ثابت باشد يا براساس اندازه يك كميت ديگر تعين شود . نقطه كنترل (Control point )مقداري است كه متغير تحت كنترل تحت يك شرايط ثابت و در اثر عملكرد يك كنترل كننده خودكار به آن مي رسد. به عبارت ديگر نقطه كنترل نقطه اي است كه يك كنترل كننده در نزديكي آن كار مي كند كه متاسفانه گاهي با نقطه تنظيم متفاوت است. چنانچه بين نقطه تنظيم و نقطه كنتر ل تفاوتي وجود داشته باشد اين تفاوت به عنوان خطاي دائمي (Offset) خوانده مي شود . تصور كنيد بخواهيم دماي يك مخزن سر باز آب را با بخار آب كنترل كنيم. ساده ترين راه اين است كه يك بهره بردار با يك دماسنج دماي مخزن را بخواند و بر اساس آن تصميم گيري كند كه شير ورود بخار را باز كند يا ببندد. اين يك روش كاملا دستي و بسيار سخت و غير دقيق است. هما نطور كه در شكل 1 ديده مي شود بهره بردار بايد پس از خواندن دما به طبقه پايين بدود و شير بخار را باز كند يا ببندد. براي ساده كردن كار بهره بردار مي توان با نصب يك شير كنترل هوايي بر روي مسيرلوله ورودي بخار به كويلهاي مخزن از بالا و پايين رفتن وي جلوگيري كرد. حال تنها كاري كه بهره بردار بايد انجام دهد اين است كه شيركوچك مسير هوا بر روي شيركنترل هوايي را كه در كنار وي نصب شده است بچرخاند. چنانچه اين عمليات را با يك فرآيند کنترل خودكار جايگزين كنيم، علاوه براينكه كار نيروي انساني به شدت كاهش پيدا مي كند، دماي مخزن نوسان بسيار كمي پيدا خواهد كرد. سيستم هاي كنترل معمولا به شكل حلقه بسته (بافيديك) هستند. در اينگونه سيستمها يك يا چند مسير برگشت از خروجي به ورودي سيستم وجود دارد و بنابراين ورودي به فرآيند در هر لحظه تحت تاثير اختلاف خروجي با مقدار مطلوب مي باشد. درسيستمهاي حلقه بسته حاصل مقايسه خروجي واقعي فرآيند با مقدار مطلوب فرآيند را سيگنال خطا مي ناميم و تدابير لازم براي كنترل فرآيند بر اساس ميزان خطا انجام مي گردد.
شکل 1) نحوه کنترل دما در گذشته
وروديهاي مزاحم و ناخواسته اي كه باعث انحراف خروجي از مقدار مطلوب مي گردند و در امركنترل اخلال مي كنند را اغتشاش يا نويز مي گوييم. اغتشاش ممكن است از طريق ورودي و يا از طريق ديگر وارد فرآيند گردد. فرض كنيد بخواهيم دماي آب در يك مخزن را به 15 درجه سانتيگراد رسانده و درآن حد كنترل كنيم. براي گرم كردن آب به جاي استفاده از شعله مستقيم از بخار استفاده مي كنيم. بخار دركويلهاي نصب شده در كف مخزن آب عبور داده مي شود و آب را گرم مي كند. ميزان بخار ورودي به مخزن به وسيله يك شير كنترل هوايي تنظيم مي شود. اما به طور خلاصه مي توان گفت كه شير كنترل هوايي از يك ديافراگم تشكيل شده كه باعث و عامل حركت ساقه شير(Stem) است. مطابق با شكل2 هواي ورودي به بالاي ديافرگم، باعث حركت ديافراگم و در نتيجه ساقه شير به سمت پايين مي شود كه در نهايت به باز شدن مسير جريان مي انجامد. ميزان هواي ورودي به بالاي ديافرگم توسط كنترل كننده تعيين مي شود .كنترل كننده دستگاهي است كه بر اساس مقدار ورودي و مقداري كه به عنوان نقطه تنظيم تعريف شده است، تصميم گيري مي كند هواي ورودي به بالاي ديافراگم شير كنترل كه همان خروجي كنترل كننده است، چقدر باشد . با توجه به مطالب گفته شده در فصل دوم مقدار كميت مورد نظركه در اينجا دماي آب است توسط يك حسگر حس مي شود. سپس توسط يك مبدل و يك انتقال دهنده تبديل به يك سيگنال استاندارد هوايي (Psi 15-3 ) يا الكتريكي(mA20-4) مي گردد. ورودي يك كنترل كننده همين سيگنال مي باشد. و كنترل كننده با توجه به اندازه اين سيگنال متوجه مي شود كه فرآيند در چه وضعيتي (بالاتر از نقطه تنظيم يا پايين تر از آن) قرار دارد. سپس به كمك يك مكانيزم، متناسب با اختلاف وضعيت واقعي فرآيند با وضعيت مطلوب فرآيند (سيگنال خطا )، يك سيگنال خروجي مي سازد كه به سمت شير كنترل ارسال مي گردد. اين مكانيزم مي تواند نيوماتيكي (هواي فشرده)، الكتريكي و يا هيدروليكي باشد كه در اينجا فرض مي كنيم كنترل كننده ما از نوع نيوماتيكي باشد.
شکل2) شیر کنترل هوایی
معمولا هر كنترل كننده دو عقربه نشان دهنده دارد كه بر روي يك صفحه مدرج حركت مي كنند. يك عقربه نشان دهنده نقطه تنظيم و عقربه ديگر معرف وضعيت فرآيند مي باشد. خروجي يك كنترل كننده نيوماتيكي نيز بين 3 psi تا 15 psi تغيير مي كند. دليل اينكه در يك حلقة كنترل حد پايين را با سيگنال صفر نشان نمي دهند اين است كه چنانچه در مسير لوله هاي ارتباطي نشتي رخ دهد و يا اينكه به هر دليلي ارتباط قطع شود بهره بردار با ديدن سيگنال صفر متوجه اين امر شود و تا زماني كه سيگنال Psi 3هواي فشرده و يا4mA الكتريكي دارد، بداند كه در مسيرهاي ارتباطي مشكلي وجود ندارد.
سيستمهاي كنترلي
به هر مداري كه جهت كنترل يك پارامتر كنترلي به كار ميرود، يك حلقهي كنترلي گفته ميشود. اين مدارها از حداقل يك المان حسكننده، يك نمونهگير، يك مقايسهگر و يك كنترلكننده تشكيل شده است. بهطور كلي حلقههاي كنترلي به دو دسته تقسيم ميشوند:
1- حلقه بسته[1]
2- حلقه باز[2]
در سيستمهاي كنترل حلقه بسته -برعكس حلقه باز- عمل كنترل به طريقي به خروجي هم بستگي دارد. اين سيستمها را به طور مصطلح كنترل فيدبك نيز مينامند. فيدبك امكان ميدهد كه تابعي از مقدار خروجي با ورودي سيستم مقايسه شود و اين اختلاف مبناي توليد خروجي در لحظهي بعد را فراهم سازد. سيستمهاي كنترلي با توجه به عمليات صورت گرفته در آنها به انواع زير تقسيم ميشوند:
1- سيستمهاي كنترل دو مرحلهاي[3]
2- سيستمهاي كنترل نسبي[4]
3- سيستمهاي كنترل انتگرالگير[5]
4- سيستمهاي كنترل مشتقگير[6]
كنترلها انواع مختلفي دارند كه عبارتند از:
الف- دستي[7]: در اين حالت اپراتور متناسب با S.P[8] و P.V[9] خروجي را تنظيم ميكند.
ب- اتوماتيك[10]: در اين حالت اپراتور فقط S.P را تنظيم ميكند و كنترلر بصورت اتوماتيك متناسب با S.P و P.V و پارامترهاي P,I,D خروجي M.V را توليد ميكند. بااين مقدمات آماده هستيم تا روش كنترل و انواع مختلف آن را توضيح دهيم.
كنترل خاموش-روشن (ON-OFF Control) :
مشخصه و عملكرد اين كنترل كننده در شكل3 نشان داده شده است. خروجي اين كنترل كننده همانطوركه از نام آن پيداست تنها دو حالت خاموش يا روشن (كاملا بسته يا كاملا باز) مي تواند داشته باشد. مطابق شكل 8-3 در صورتيكه خطا مثبت باشد، يعني مقداركميت اندازه گيري شده از نقطه تنظيم كمتر باشد،كنترل كننده حداكثر خروجي را براي باز شدن كامل شير كنترل مي فرستد و چنانچه مقدار متغير تحت كنترل از نقطه تنظيم بيشتر شود كنترل كننده حداقل خروجي را مي سازد كه در نتيجه شير كنترل كاملا بسته خواهد شد. البته دو نوع عملكرد داريم يك نوع را واكنش مستقيم مي ناميم كه در آن فشار هواي خروجي از كنترل كننده با افزايش متغير تحت كنترل نسبت به نقطه تنظيم افزايش مي يابد و ديگري واكنش معكوس كه با افزايش متغير تحت كنترل نسبت به نقطه تنظيم فشار هواي خروجي از كنترل كننده كاهش مي يابد.
شکل 3) کنترل کننده روشن-خاموش
وجود اين دو نوع فرآيند به خاطر مسائل ايمني ضروري است. با در نظر گرفتن فرآيند گرم كردن آب در مخزن مطلب بهتر فهميده مي شود. ممكن است در راههاي ارتباطي هواي فشرده اختلالي پيش بيايد و هوا قطع شود، ايمن ترين حالت اين است كه در چنين مواقعي خود به خود مسير ورود بخار بسته شود، چون سرد شدن آب بدون خطر است. اما چنانچه در اثر قطع هواي تغذيه، مسير بخار كاملا باز شود آب خيلي داغ خواهد شد و به تاسيسات آسيب وارد مي شود. چنين تمهيداتي را براي جلوگيري از خطر، از كار افتادگي ايمن (Failsafe)مي نامند. در فرآيندي كه به سرد شدن و سيستم خنك كاري نياز داردبايد از شيري استفاده كرد كه در حالت معمولي باز باشد تا چنانچه هواي تغذيه قطع شد عمل خنك كاري با حداكثر شدت ممكن ادامه پيدا كند ولي در مورد گرم كردن آب بايد از شيري كه درحالت معمولي بسته باشد استفاده كرد. فرآيند گرم كردن آب به يك شير در حالت معمولي بستهNormally Close ياAir to Open و فرآيند خنك كاري به يك شير درحالت معمولي بازNormally Open ياAir to Close نيازدارد. كنترل كننده خاموش-روشن داراي يك اشكال عملي مهم مي باشد و آن اينكه به دليل اثر اغتشاشات مختلف (تبادل دمايي با محيط، كم و زيادشدن حجم آب و… ) كه به هرحال هميشه وجود دارند.خطاي سيستم هيچگاه صفر نمي شود و كنترل كننده همواره درحالت قطع و وصل است و اين امر موجب استهلاك كنترل كننده و عناصر محرك و نهايي مي گردد.
البته شدت نوسان فرآيند در اطراف نقطه تنظيم بستگي مستقيم به ظرفيت عملياتي فرآيند دارد. ظرفيت عملياتي فرآيند عبارتست از مقدار انرژي و يا مواد موجود در عمليات به ازاء واحد مرجع. به عنوان مثال فرض كنيد كه دو مخزن كاملا يكسان داشته باشيم. در مخزن الف مايعي قرار دارد كه براي افزايش يك درجه سانتيگراد نيازبه kj500 انرژي حرارتي دارد و در مخزن ب مايعي قرار دارد كه براي افزايش يك درجه سانتيگراد نياز به kj100دارد. در اينصورت ظرفيت حرارتي مخزن الف نصف ظرفيت حرارتي مخزن ب است. به عنوان مثال ديگر فرض كنيد كه دو مخزن با ابعاد مختلف داشته باشيم .سطح مقطع مخزن الف 200 مترمربع و سطح مقطع مخزن ب 50 مترمربع است. پس چنانچه بخواهيم ارتفاع سطح مايع را در هر مخزن به اندازه 2 متر بالا ببريم در مخزن الف نياز به40 مترمكعب و در مخزن ب نياز به 100 مترمكعب مايع داريم. پس ظرفيت ارتفاعي مخزن ب 5/2 برابرمخزن الف است. در واقع ظرفيت عملياتي بيانگر ميزان حساسيت متغير تحت كنترل نسبت به ورودي فرايند است و هرچه ظرفيت عملياتي زيادتر شود مقدار انحراف كميت متغير از نقطه مطلوب كه در اثر تغيير شرايط رخ مي دهد كمتر خواهد شد. پس مي توان از كنترل خاموش-روشن در فرآيندهايي كه ظرفيت عملياتي بالا دارند استفاده كرد.
كنترل خاموش-روشن با باند تفاضلي:
اين نوع كنترل كننده مشخصه اي مطابق شكل8-4 مي سازد. به غير از زيادكردن ظرفيت عملياتي فرآيند، راه ديگر براي كاهش نوسان دركنترل خاموش-روشن در نظرگرفتن باند تفاضلي است. باند تفاضلي عبارت است از دامنه تغييرات قابل قبول در متغير تحت كنترل بدين گونه كه اگرحد مطلوب150 درجه سانتيگراد باشد شير كنترل در 145درجه سانتيگراد باز و در 155درجه سانتيگراد بسته شود. باند تفاضلي معمولا قابل تنظيم ميباشد و استفاده كننده برحسب نياز مقدار آنرا تنظيم مي نمايد. شکل -4) مشخصه کنترل کنده خاموش روشن باند تفاضلی
از مزاياي مهم كنترل كننده هاي خاموش-روشن چه با باند تفاضلي و چه بدون آن مي توان به سادگي و ارزاني آنها اشاره نمود و عيب اصلي آنها عدم دقت و وجود خطاي دائمي در حلقه كنترل مي باشد. با اين وجود در كنترل فرآيند هايي كه نياز به دقت بالايي نداريم بهترين انتخاب ميباشند.
كنترل تناسبي(Proportional Control):
براي اينكه نوسان دما دراطراف دماي دلخواه كم شود و درحدود نقطه تنظيم ثابت بماند يك راه اين است که سيستم كنترلي كنار گذاشته شود و يك شخص به عنوان بهره بردار، مسئول تنظيم شير ورودي بخار شود. بهره بردار بايد به دماسنج نگاه كند و همزمان با افزايش دما جريان بخار را كم كند. پس از مدتي بهره بردار خواهد فهميد به ازاي هر يك درجه افت دما، شير بايد يك دور باز شود و براي هر يك درجه افزايش دما شير را بايد يك دور بست. با اين روش دماي مخزن آب گرم به طور يكنواختي درحدود دماي ºC 150 نگه داشته مي شود و نوسان آن بسيار كمتر مي شود. فرض کنيد حركت شيركنترل از حالت كامل باز تا حالت كاملا بسته به 20 قسمت مساوي تقسيم شده باشد. بنابراين در 150 درجه سانتيگراد شيركنترل نيمه باز و در 140درجه كاملا باز و در 160 درجه كاملا بسته است. پس در دماي 156درجه شير كنترل به اندازه 20/16 از كل حركتش بسته مي باشد. سيستم كنترلي جديد كه بدين شكل عمل كند كنترل كننده تناسبي ناميده مي شود. به اين دليل كه هواي خروجي از كنترل كننده به تناسب انحراف فرآيند از نقطه تنظيمي كم يا زياد خواهد شد. دامنه عملياتي كنترل كننده(Proportional Band) يا به اختصار P.B عبارت است از درصد تغييرات سيگنال ورودي نسبت به درصد تغييرات سيگنال خروجي و يا اينكه مي توان آن را به صورت درصدي از صفحه مدرج(scale ) دستگاه بيان كرد. مثلا اگرصفحه مدرج كنترل كننده مورد استفاده ما Cº100 باشد (ºC200-ºC100) و مطابق آنچه كه گفتيم به ازاي20 درجه شير از حالت كاملا باز به حالت كاملا بسته در آيد خواهيم داشت : PB=20% توضيح اينكه PB در دوطرف نقطه تنظيم يكسان عمل مي كند. يعني اگرنقطه تنظيم ºC 150 و PB=20% باشد شير كنترل در Cº 140 كاملا باز و در Cº 160كاملا بسته است و چنانچه PB=100% باشد شير كنترل در Cº 100 كاملا باز و در Cº200 كاملا بسته خواهد شد.
شکل 5) واکنش شیر کنترل تناسبی
پس هر چه باند تناسبي ياPB را باريکتر انتخاب كنيم به ازاي انحراف كمتري از نقطه تنظيم، شير كنترل كاملا باز يا بسته خواهد شد. چنانچه اين مقدار به 5% برسد،كنترل كننده بسيار شبيه كنترل كننده خاموش-روشن ميشود. در مقادير1% و2% هيچ تفاوتي بين دو نوع كنترل كننده وجود ندارد.
شكل 5 نحوه عملكرد يك كنترل كننده تناسبي را در برابر تغييرات متغير تحت كنترل نشان مي دهد و در كنار آن ميزان باز يا بسته بودن شير كنترل را به طور همزمان ارائه مي كند. شكل 13-6 تاثير حركت تناسبي شير بر فرآيند را نشان مي دهد هر دوي اين نمودارها براي PB=100% رسم شده اند.
با توجه به اينكه كنترل كننده تناسبي پايه انواع ديگر كنترل كننده ها است بهتر است به شكل كاملتري نسبت به آن شناخت پيدا كنيم. يك چيز كاملا مشخص است اگر ما پهناي باند تناسبي را كم بگيريم واكنش شير زياد مي شود و واضح است كه واكنش سريع شير بر فرآيند تاثير مي گذارد. ابتدا عملكرد كنترل كننده با پهناي باند زياد را بررسي مي كنيم شير خيلي سريع حركت مي كند و با كمترين نوسان و اغتشاش نسبت به ساير حالتها به حالت پايدار مي رسد درحاليكه خطاي دائمي زياد خواهد بود.
شکل 6) چگونگی به پایداری رسیدن یک کنترل کننده تناسبی
باكم كردن پهناي باند تناسبي زمان رسيدن به حالت پايدار زياد مي شود اما ميزان خطاي دائمي (Offset) نيز كاهش پيدا مي كند، نوسان فرآيند پيش از رسيدن به حالت پايدار بيشتر طول خواهد كشيد اما انحراف از نقطه تنظيمي دراين نوسانها كاهش مي يابد. پس معلوم مي شود كه چنانچه زمان براي ما خيلي مهم باشد بايد خطاي دائمي زياد را بپذيريم و اگر بخواهيم خطاي دائمي كمي داشته باشيم بايد زمان بيشتري صرف كنيم. كدام حالت را بايد براي فرآيند برگزينيم؟ پاسخ به فرآيند بستگي دارد چنانچه فرآيند به شكلي است كه هر چند دقيقه يك نوسان با دامنه زياد داشته باشد، بدون ترديد بايد پهناي باند تناسبي راكم گرفت. البته واضح است همچنانكه پهناي باند تناسبي را كم مي كنيم تا خطاي دائمي كاهش يابد، فرآيند دچار نوساناتي خواهد شد. به هرحال با هر پهناي باندي هميشه خطاي دائمي وجود خواهد داشت مگر اينكه به شكلي بتوان دقيقا به ميزان نياز فرآيند، شير بخار را باز كرد. در مورد باند تناسبي پیش از اين گفتيم كه به عنوان درصدي از كل صفحه مدرج دستگاه مي باشد. پهناي باند 100% به اين معنا است كه اگر نقطه تنظيم در وسط صفحه مدرج باشد، قلم فرآيند بايد از پايين صفحه مدرج تا بالاي آن به طور كامل حركت كند (سيگنال خطا به اندازه 50%صفحه مدرج شود) تا بتواند شير را كاملا ببندد يا باز كند. شکل -7) تاثیر تغییز باند تناسبی بر عملکرد کنترلر
اين وضعيت در شكل13- 7 باخط Aنمايش داده شده است خطهايB وC وD به ترتيب براي پهناي باند تناسبي 50% ، 25% و10% رسم شده است. باتوجه به اين مقادير مي توان فهميد كه شير كنترل چقدر بايد باز باشد . براي درك بهتر از كنترل تناسبي بياييد محاسبه كنيم كه در يك كنترل كننده تناسبي كه صفحه مدرج آن بين 150- 0 است، نقطه تنظيم كجا قرار مي گيرد، اگر عقربه فرآيند برابرعدد 50 صفحه مدرج و فشار هواي خروجي به ازاي آن3psi باشد در حاليكه باند تناسبي 50% است، بهترين روش براي اين كار كمك از نمودار است كه در شكل 13-8 آورده شده است. مقادير بالاي خط مربوط به صفحه مدرج و مقادير پايين خط مقادير فشار هواي خروجي مي باشد. باتوجه به اينكه PB=50% است و كل صفحه مدرج 150 قسمت دارد، بخشي از صفحه مدرج كه بايد توسط عقربه فرآيند طي شود تا شير كنترل به طور كامل تغيير وضعيت بدهد، برابر75 قسمت صفحه مدرج خواهد بود كه باتوجه به تعريف باند تناسبي از حاصلضرب باند تناسبي در دامنه صفحه مدرج(150×50%) به دست مي آيد. همچنين چون گفته شده است به ازاي 3psiعقربه فرايند مقابل عدد 50 قرار گرفته است پس شروع باند تناسبي همين عدد 50 خواهد بود و انتهاي آن به اندازه پهناي باند تناسبي(75) بيشتر از 50 خواهد بود كه عدد 125 مي شود. پس به ازاي عدد 50 ، خروجي دستگاه 3Psi و به ازاي 125، خروجي دستگاه 15Psiمي شود. نقطه تنظيم جايي قرار دارد كه خروجي دستگاه برابر 9Psi شود كه اين مكان، ميانه باند تناسبي يعني عدد 5/87 خواهد بود. کنترل كننده هاي تناسبي نسبتاّ كوچك و ارزان قيمت هستند و براي فرآيند هايي به كار مي آيند كه نياز به كنترل خيلي دقيق نداشته باشند.
شکل -8) سیستم باند تناسبی
به طور كلي اين فرآيند ها فرآيند هاي كوچك با ورودي تقريباّ ثابت مي باشند. اشكال بزرگ اين نوع كنترل كننده اين است كه قادر به اصلاح كامل خطا نيست در پايان بحث راجع به كنترل كننده تناسبي، دليل وجود خطاي دائمي را مي توان به اين شكل تعريف كرد: تنها تفاوت كنترل كننده تناسبي با كنترل كننده خاموش-روشن، كاهش يافتن خروجي دستگاه در پاسخ به سيگنال خطا است. در واقع با تعيين باند تناسبي، ما بخشي از خطا را كه تمايل داريم كنترل كننده به آن پاسخ ندهد مشخص مي كنيم. در10%PB= كنترل كننده 90%خطا و در 50%PB=دستگاه50% خطا را حس مي كند. بنابراين خطايي كه حس نمي شود به عنوان خطاي دائمي در فرآيند باقي خواهد ماند.
كنترل كننده تناسبي- انتگرالي:
كنترل كننده تناسبي توانايي برقراري دماي ثابت در فرآيند گرم كردن آب را بدون هيچ مشكلي دارا است اما هر تغيير در شرايط فرآيند باعث به وجود آمدن يك خطاي پايدار خواهد شد.گام بعدي در بحث كنترل فرايند، رهايي از خطاي پايدار است به شكلي كه دماي آب پس از هر تغيير در شرايط فرآيند دوباره به همان ميزان تنظيم شده برگردد. براي چنين منظوري بايد بخشي به نام Reset(دوباره تنظيم كن)را به سيستم كنترل افزود. به يك مثال براي روشن شدن مطلب توجه كنيد: براي راندن يك ماشين با سرعت ثابت به بالاي تپه، بايد گاز را به اندازه اي فشرد تا سرعت مناسب براي اين كار ايجاد شود. اين عمل را مي توان به عنوان يك واكنش تناسبي فرض كرد. اما همانطور كه مي دانيد پس از كمي بالا رفتن سرعت ماشين افت مي كند كه معادل همان خطاي پايدار در كنترل تناسبي است. راه حل بر طرف كردن اين خطا فشردن دوباره گاز است. چنين عملي Reset ناميده مي شود. Reset بر پايه كنترل تناسبي بنا مي شود و به تنهايي چيزي به شمار نمي آيد.Resetهيچ دخالتي در پايداري فرآيند ندارد. كار آن به زبان ساده اين است كه فرآيند را با اصلاح كردن فشار هواي خروجي به سمت نقطه تنظيم سوق دهد. .اين اصلاح به ميزان انحراف فرآيند از نقطه تنظيم دارد. به چنين كنترل كننده اي، كنترل كننده تناسبي-انتگرالي (Proportional-Integral action) يا به اختصار PI گفته مي شود. كنترل كننده تناسبي مو قعيت قطعي اجزاء كنترل مانند شير كنترل را با توجه به تنظيم باند تناسبي كاهش مي دهد. در شرايط كار عادي كنترل كننده هنگامي كه مشخصه فرآيند با نقطه تنظيم برابر مي شود. يك فشار9Psi در خروجي مي سازد و در ساير شرايط به طور كامل يا شير را باز مي كند يا مي بندد. كنترل كننده تناسبي اين وضعيت را با توجه به باند تناسبي تغيير مي دهد و بسته به انحراف از نقطه تنظيم موقعيت شير كنترل را تعيين مي كند و آن را به صورت درصدي باز مي كند. اما ايراد در اين است كه هنگامي كه نقطه تنظيم تغيير داده مي شود باند تناسبي يا حساسيت تغيير نمي كند . پس عملكرد Resetمانند اين است كه باند تناسبي با توجه به ميزان خطاي دائم مقداري به سمت بالا و يا پايين تغیير موقعيت پيدا كرده باشد و در نتيجه طول باند تناسبي در دو طرف نقطه تنظيم نا برابر مي شود. اين عمل در مدت زماني كه به نامReset Rate خوانده مي شود انجام مي پذيرد. Reset بر اساس ميزان اصلاحي كه مي تواند با مقايسه تغيير باند تناسبي انجام دهد اندازه گيري مي شود اگرReset.بتواند براي خطايي به اندازه ده واحد از صفحه مدرج، در فشار هواي خروجي تغييري به اندازه تغيير در فشار هواي خروجي به خا طر واكنش تناسبي نسبت به همين مقدار خطا پديد آورد و اين كار را در يك دقيقه انجام دهد، مي توان گفت كه Reset Rate يك تكرار به ازاي هر دقيقه است (Repeat per minute). تكرار به معناي دو برابر كردن واكنش تناسبي است. پس مي توان Reset Rate را بر اساس يك دقيقه به ازاي هر تكرار (Repeat per minute) نيز بيان كرد. در هر حال هر جور كه آن را بيان كنيم در واقع تركيبي از نرخ يك واكنش با اندازه آن واكنش خواهيم داشت.اثرات واكنش Reset درشكل -9 آورده شده است. درنتيجه يك تغيير ناگهاني در نقطه تنظيم، شيركنترل متناسب با آن به نقطه A حركت مي كند. Reset به يكباره شروع به كار مي كند تا فرآيند را به سمت نقطه تنظيم سوق دهد. خط بين AوB نمايانگر واكنش تناسبي است. ازA تاC واكنش اضافي ناشي ازResetاست.اين واكنش (AC) تا زماني كه فرآيند با نقطه تنظيم فاصله دارد ادامه پيدا خواهد كرد. مقدارResetكه ما آن راReset Rateمي ناميم تعيين كننده شيب خطACاست.فرآيند به اين هواي خروجي اضافي، پاسخ داده و به نقطه تنظيمي مي رسد. عملكرد كلي فرآيند درقبال كنترل تناسبي- انتگرالي در شكل 13-10 ديده مي شود. لازم به يادآوري است كه Resetنه تنها هيچ دخالتي در پايداري فرآيند ندارد بلكه ممكن است در عمل به خاطر ايجاد چرخه در فرآيند باعث اغتشاش هم شود. كنترل كننده انتگرالي يك كنترل كننده حافظه دار است. يعني خروجي آن در هر لحظه تحت تاثيرخطاهاي سيستم در زمانهاي گذشته مي باشد. انتخاب مقدار Resetبستگي به طبيعت عمليات دارد. در هر حال خطاي دائمي به صفر كاهش پيدا خواهدكرد اما مقدار انحراف موقت براي حالتيكه Reset كم باشد از مقدار انحراف موقت براي حالتي كه مقدارResetزياد باشد بيشتر است.در حاليكه زمان رسيدن به حالت پايداري وحذف كامل خطا در حالت دوم (Resetبيشتر) از زمان نشست در حالت اول (Reset كمتر) بيشتر است.
شکل 9 )عملکرد RESET
كنترل كننده تناسبي-مشتق گير:
كنترل ايده آل دستگاهي است كه بتواند نگاهي به آينده داشته باشد و با پيشگويي بفهمد كه چه اتفاقي براي فرآيند خواهد افتاد. سپس به كمك اين پيش بيني شير كنترل را طوري تنظيم كند كه پيش از وقوع انحراف، آن را جبران كند . بهترين شكل انجام چنين عملي اين است كه عملاّ و آگاهانه انحراف را بيش از حد مورد نياز جبران كنيم، به اين اميد كه چنين كاري بتواند فرآيند را سريعتر به نقطه تنظيم برگرداند. براي تعيين ميزان جبران اضافي انحراف بايد به نرخ تغييرات فرآيند همچنانكه از نقطه تنظيم منحرف مي شود توجه كرد. واضح است كه اگر فرايند به سرعت از نقطه تنظيم دور شود
نياز به يك سيگنال اصلاحي بزرگ براي بازگشت به نقطه تنظيم دارد. شکل -10) عملکرد RESET
چنانچه فرآيند به آهستگي دچار انحراف شود، به واكنش زياد شير كنترل نياز نداريم . براي آنكه بتوانيم فشار هواي خروجي كنترل كننده را به سطحي بالاتر از آنچه نياز داريم برسانيم، تمام كاري كه بايد بكنيم اين است كه در مكانيزم واكنش كنترل كننده دست ببريم. بيشتر كنترل كننده ها چنين كاري را با استفاده از يك محدود كننده جريان كه به شكل سري با مكانيزم اصلي قرار دارد انجام مي دهند (ساختمان داخلي انواع كنترل كننده ها در ادامه همين فصل توضيح داده شده است) پس عمل مشتق گير نيز بر پايه باند تناسبي بنا مي شود و ميزان واكنش دستگاه به پهناي باند تناسبي وابسته خواهد بود.
دستگاهي كه به مكانيزم تناسبي- مشتق گير مجهز است كاملاّ شبيه مكانيزم تناسبي تنها است با اين تفاوت كه سرعت اغتشاش فرآيند در آن بيشتر است. واكنش مشتق گير با واحدزمان بيان مي شود. مشتق گير يك دقيقه به اين معني است كه تمام زمان پاسخ دستگاه كه زمان مورد نياز براي رساندن شيركنترل به موقعيت مطلوب مي باشد، تا يك دقيقه كاهش يافته است. اثر مشتق گير بر نحوه كنترل اين است كه ميزان پاسخ تناسبي كنترل كننده را به ميزاني كه بستگي به سرعت دور شدن فرآيند از نقطه تنظيم دارد، افزايش مي دهد. افزايش پاسخ تناسبي ممكن است با كاهش پهناي باند تناسبي نيز انجام شود كه البته با نوسان فرآيند و شير كنترل را در پي خواهد داشت. واكنش مشتق گير پهناي باندتناسبي را كم مي كند در حاليكه Reset مكان باند تناسبي را بدون تغيير در اندازه آن جابجا مي كند. مشتق گير به مدتي كه بستگي به تنظيم و مقدار آن دارد، پهناي باند تناسبي را كاهش داده و فرآيند را سريع تغيير حالت مي دهد. مشتق گير به كنترل كننده تناسبي توانايي بيشتر پايدار كردن سيستم را ميدهد، اماچنانچه زمان مشتق گير بزرگ انتخاب شود حركت شير كنترل بسيار بيشتر از نياز فرآيند خواهد شد و اين كار خود باعث ناپايداري فرآيند مي گردد. عملكرد مشتق گير به همراه كنترل تناسبي در شكل -11 آورده شده است. شکل -11) عملکرد مشتق گیر
درقسمت Aعملكرد مشتق گيربه تنهايي آورده شده است و در قسمت Bتركيب تناسبي –مشتق گير ديده مي شود. توجه كنيد كه اگر زمان مشتق گير در حد بهينه اي انتخاب شود باعث بازگشت سريع فرآيند به حالت پايدار مي شود، اما خطاي دائمي همچنان پابرجا خواهد ماند. يك حد ميانه و مناسب براي زمان مشتق گير اجازه مي دهد كه بتوانيم باند تناسبي را بدون هراس از اغتشاش و نوسان در فرآيند كم كنيم. در مورد كنترل كننده هاي مشتق گير (Rate or Deriative) چيزي كه مهم است اين مي باشد كه كنترل كننده مشتق گير تنها به تغييرات خطا حساس است و نه به مقدار آن. به عبارت ديگر اگر خطا مقداري ثابت باشد و تغيير نكند كنترل كننده عكس العملي به آن نشان نخواهد داد و به همين دليل معمولاّ از عمل مشتق گيري به تنهايي استفاده نمي شود. عمل مشتق گيري براي فرآيند هاي تاخيردار و يا با ثابت زماني بزرگ مناسب است، زيرا معمولاّ تغييرات خطا مقدمه اي براي افزايش آن است وكنترل مشتق گير از اين نظرآمادگي لازم براي تصحيح خطاهاي آتي را فراهم مي آورد يعني كنترل كننده ديدي آينده نگر و پيش بين دارد، به همين دليل گاهي آن را كنترل كننده پيش فاز نيز مي گويند.كنترل كننده مشتق گير در صنعت به نام كنترل كننده ميزان(Rate) مشهور است.كنترل كننده تناسبي –مشتق گير را به اختصار كنترل كننده PD نيز ميگويند.
كنترل كننده تناسبي- انتگرالي – مشتق گير(PID) :
يك كنترل كننده PID داراي كليه خواص كنترل كننده هاي P ، I، Dمي باشدو با تنظيم ضرائب مربوطه ميتوان به تركيبي از خواص هر يك از آنها رسيد. در مواردي كه تفاوت چنداني در قيمت كنترل كننده هايPD وPI با كنترل كننده هاي PID نباشد، بهتراست كنترل كننده PID خريداري و در صورت نياز از آن به عنوان PI يا PDاستفاده كرد. اين امر دست طراح را در استفاده از انواع كنترل كننده ها باز مي گذارد و در هر شرايطي امكان بهترين تنظيم را فراهم مي سازد. از ابتداي فصل تا بدين جا به معرفي انواع كنترل كننده ها به لحاظ عمليات كنترلي پرداختيم. اكنون در مورد نحوه ايجاد يك يا چند عمل دلخواه در يك كنترل كننده صحبت مي كنيم.كنترل كننده هايي را كه توضيح داديم مي توان با سيستمهاي الكتريكي، بادي، هيدروليكي به شكل عملي پياده سازي كرد. با توجه به اينكه در صنعت نفت تا به الان سيستم هاي نيوما تيكي كاربرد گسترده اي داشته اند، فقط روشهاي دستيابي عملي به اصول كنترلي از طريق اين سيستم توضيح داده خواهد شد.
روشهاي دستيابي عملي به روش نيوما تيكي :
سيستمهاي بادي مزايا وكاربردهاي خاص خود را دارند كه از جمله مي توان به ايمني و در پاره اي موارد به ارزاني آنها اشاره كرد. در سيستمهاي بادي از هواي فشرده به عنوان سيال تحت فشار استفاده مي كنيم. سيستمهاي بادي به لحاظ اصول و اجزاء تا حدود زيادي شبيه به سيستمهاي هيدروليكي مي باشند. با اين تفاوت و مزيت كه سيال مورد استفاده (هوا) در همه جا مورد دسترس مي باشد. انجام يك عمل توسط محرك بادي با تخليه هواي فشرده به محيط آزاد همراه است و بنابراين سيستمهاي بادي نيازي به خط برگشت سيال ندارند و سبكتر و ارزانتر از سيستمهاي هيدروليكي تمام مي شوند. خطر آتش سوزي و نشت روغن و آلودگي محيط زيست كه از نقاط ضعف سيستمهاي الكتريكي و هيدروليكي است در اين سيستم وجود ندارد. ذخيره هواي فشرده در مخازن بزرگ امكان دسترسي به نيروهاي عظيم لحظه اي را فراهم مي سازد و اين امر بسيار آسانتر و ارزان تر از سيستمهاي الكتريكي و حتي هيدروليكي صورت مي پذيرد. تعمير، نگهداري و سرويس سيستمهاي بادي آسانتر است و نياز به تخصص هاي كمتري نسبت به ساير سيستمها دارد. همچنين آب بندي ها ولقي ها در سيستمهاي بادي ساده تر از سيستمهاي هيدروليكي است. در سيستمهاي بادي تركم پذير بودن هوا موجب كندي و بروز رفتارهاي غيرخطي مي شود. همچنين صداي تخليه هواي فشرده موجب ايجاد سر و صدا و آلودگي هاي صوتي در محيط هاي صنعتي مي گردد. معمولاّ براي افزايش سرعت و جبران تراكم پذيري، فشار تغذيه سيستمهاي بادي را حتي الامكان بالا در نظر مي گيرند. با توجه به اصول كلي، طرح هاي كنترل كننده هاي بادي شبيه به طرح هاي انواع الكتريكي مي باشد يعني براي ساخت يك كنترل كننده بادي نياز به يك تقويت كننده با بهره زياد، عناصر مقاومتي و عناصر ظرفيتي (خازن) داريم كه در ادامه به انواع نيوماتيكي آن وشرح كار آنها خواهيم پرداخت.
- تقويت كننده دهانه-تيغه(Nozzle_Flapper) :
شكل-12( الف)، نمودار طرح گونه يك تقويت كننده نيوماتيكي دهانه – تيغه را نشان مي دهد. ورودي يك تقويت كننده بادي، معمولاّ جابجايي(طول) وخروجي آن فشار مي باشد. منبع توان اين تقويت كننده منبعي از هوا با فشار ثابت است. تقويت كننده نازل- پره تغييرات كوچك موقعيت تيغه را به تغييرات بزرگ پس فشار دهانه تبديل مي كند. به اين ترتيب مي توان با توان اندك لازم براي جابجا كردن پره، توان خروجي بزرگي راكنترل كرد. درشكل-12( الف) هواي فشرده از طريق روزنه داخل شده و از طريق نازل به سمت پره رانده مي شود. فشار منبع(PS) اين كنترل كننده ها عموماّ Psig20 است. قطر روزنه در حدود01/0 اينچ (mm25/0) و قطر دهانه در حدود016/0 اينچ (mm 4/0) است. براي اطمينان از عملكرد تقويت كننده قطر دهانه بايد از قطر روزنه بزرگتر باشد. چون در اين مكانيزم هميشه هوا از بين دهانه – تيغه خارج ميشود و بدليل اينكه هواي فشرده گران است، بايد كاري كنيم كه ميزان اين هواي خروجي به حداقل برسد. براي چنين منظوري بايد تا حد امكان قطر دهانه را كوچك گرفت.كوچك كردن قطر دهانه يك محدوديت دارد و آن اين است كه هواي خروجي از دهانه باعث مي شود تيغه به سمت عقب رانده شود و چون تيغه يكي از اجزاء مكانيزم اندازه گيري و كنترل است، چنانچه اين نيروي رانش به دليل كوچك بودن قطر دهانه کم شود، دقت سيستم كاهش مي يابد. همچنين كوچك بودن قطر دهانه باعث افت فشار بزرگ در آن مي شود. علت كوچكتر بودن قطر روزنه نسبت به قطر دهانه اين است كه چون در سيستمهاي كنترل فرآيند هاي صنعتي براي بكار انداختن شيرهاي نيوماتيكي بزرگ توان خروجي زياد لازم است و توان خروجي از تقويت كننده دهانه –تيغه معمولاً كافي نيست. بهتر است از پس فشار دهانه استفاده كرد و به كمك يك رلة نيوماتيكي توان لازم را توليد كرد. پس لازم است كه قطر روزنه،کوچكتر از قطر دهانه باشد تا افت فشار مورد نياز براي سيستم كنترلي در آن رخ دهد. براي اينكه سيستم كار كند، تيغه در مقابل دهانه قرار مي گيرد، پس فشار دهانه (Pb) توسط فاصله دهانه – تيغه (x)كنترل مي شود. هر چه تيغه به دهانه نزديكتر شود، مقاومت در مقابل خروج هوا بيشتر شده، پس فشار دهانه(Pb) نيز زياد مي شود. اگر تيغه كاملاً جلوي دهانه را بپوشاند، پس فشار دهانه (Pb) با فشار تغذيه(PS) برابر ميشود. اگر تيغه از دهانه دور و فاصله بين آنها زياد (حدود 01/0 اينچ) شود، ديگر عملا ًمقاومتي در مقاومت عبور گاز وجود نداشته، پس فشار(Pb) به مينيمم مقدار خود،كه به سيستم دهانه- تيغه بستگي دارد، مي رسد.(كمترين فشار قابل دسترس فشار محيط (Pa) است).شكل-12 (ب) منحني نوعي پس فشار دهانه(Pb) بر حسب فاصله دهانه- تيغه (x) را نشان مي دهد. درعمل از بخش با شيب تند وتقريباً خطي منحني براي تقويت كننده استفاده مي شود. چون گسترةجابجايي تيغه به ناحية كوچكي محدود شده، تغيير فشار نيز كوچك است، مگر اينكه شيب منحني خيلي تند باشد.
شکل 12) الف:نمودار طرح گونه تقویت کننده نیوماتیکی ب: منحنی مشخصه ارتباط دهند ه نازل
- رله هاي نيوماتيكي :
در كنترل كننده هاي نيوماتيكي عملي، تقويت كنندة دهانه-تيغه به عنوان تقويت كننده طبقه اول و رلة نيوماتيكي به عنوان تقويت كننده طبقة دوم بكار مي رود. رلة نيوماتيكي مي تواند روي جريانهاي بزرگ هوا عمل كند. شكل -13 (الف) نمودار طرح گونة يك رلة نيوماتيكي را نشان مي دهد. با افزايش پس فشار نازل(Pb)ديافراگم متصل به توپي پايين مي رود، ارتباط با جو كاهش مي يابد و ارتباط با شير نيوماتيكي قويتر مي شود. به اين ترتيب فشار كنترل كننده (Pc) افزايش مي يابد.اگر توپي متصل به ديافراگم راه به جو را مسدود كند، فشار كنترل كننده (Pc) با فشار تغذيه(Ps) برابر مي شود. با كاهش پس فشار نازل(Pb) ديافراگم بالا مي رود و راه هواي تغذيه مسدود مي شود، به اين ترتيب فشار كنترل كننده (Pc) افت كرده به فشار جو(Pa) مي رسد. بنابراين فشار كنترل كننده(Pc) مي تواند بين فشار 0Psig و فشار تغذيه،كه معمولاً 20Psigاست، تغييركند. جابجايي كل ديافرگم بسيار كوچك است. توپي در هر وضعيتي باشد، بجز وقتي که راه هواي تغذيه مسدود مي شود، هواي فشرده به محيط اطراف نشت مي كند، حتي پس از اينكه بين پس فشار نازل وفشار كنترل كننده تعادل برقرار مي شود. به همين دليل رله شكل 13-3 ( الف) رلة نشت دار خوانده مي شود. نوع ديگري از رله، موسوم به رلة بدون نشت، هم وجود دارد. در اين رله ها پس از بر قراري تعادل نشت هوا متوقف مي شود، بنابراين در حالت ماندگار هواي فشرده تلف نمي شود. ولي توجه كنيدكه رلة بدون نشت بايد يك شير تخليه به جو داشته باشد تا هواي فشردة ايجاد كنندة فشار كنترل (Pc) راهي براي تخليه داشته باشد. شكل -13( ب) يك رلة بدون نشت را نشان مي دهد.
در هر دو راه منبع هواي فشرده با يك شير، كنترل مي شود و اين شير نيز به نوبة خود با پس فشار نازل كنترل مي شود. به اين ترتيب پس فشار نازل پس از تقويت توان به فشار كنترل كننده تبديل مي شود. چون با تغيير پس فشار نازل (Pb)، فشار كنترل كننده (Pc) تقريباً بلافاصله تغيير ميكند. ثابت زماني رلة نيوماتيكي در مقايسة با ثابت زماني هاي بزرگتر كنترل كنندة نيوماتيكي و سيستم تحت كنترل ناچيز است. بايد تذكر دهيم كه بعضي رله هاي نيو ماتيكي معكوس عمل مي كنند. رلة شكل 13-13 (ب) نمونه اي از رله هاي معكوس است. در اين رله با افزايش پس فشار نازل، ساچمه به سمت پايين رانده شده، فشار كنترل كننده كم مي شود. پس رله معكوس عمل مي كند.شکل 13) الف: نمودار یک رله نشت دار ب: نمودار یک رله بدون طرح ج: رله معکوس
مقاومت نيوماتيكي :
در كنترل كننده هاي نيوماتيكي از شير هاي ظريف قابل تنظيم به عنوان مانع در برابر عبور جريان هوا يا به عبارت ديگر بعنوان مقاومت بادي استفاده مي كنيم. باز و بسته كردن شير، قطر روزنة عبور هوا را افزايش يا كاهش مي دهد كه اين به معناي كاهش يا افزايش مقاومت نيوماتيكي است.
ظرفيت(خازن) نيوماتيكي :
در كنترل كننده بادي سيگنال خطا جابجايي است و خروجي كنترل كننده فشار است. مي دانيم هر ظرف مسدود مانند يك ظرفيت عمل مي كند. بدين منظور از يك دم به عنوان ظرف مسدود استفاده مي شود. دم علاوه بر ذخيره فشار، بدليل خاصيت ارتجاعي تغيير طولي متناسب با فشار ذخيره شده توليد مي كند.
كنترل كننده خاموش- روشن نيوماتيكي :
يك كنترل كننده خاموش – روشن يا دو وضعيتي در واقع يك تقويت كنندة با بهرة زياد است كه در دو حالت اشباع بالا يا پايين كار مي كند. بنابراين مي توان شكل-14 را يك كنترل كنندة بادي دو وضعيتي فرض كرد. حركت تيغه به منظور تأمين حداقل تا حداكثر فشار هواي خروجي بسيار جزيي بوده و با توجه به انواع مختلف كنترل كننده ها بين 002/0 تا 0002/0 اينچ مي باشد. همچنين تنظيم بهره (گين) تقويت كننده بر روي يك مقدار دلخواه مقدورنمي باشد. اين تقويت كننده را مي توان به يك تقويت كننده Op-Amp تشبيه نمود. در اينجا نيز مشابه Op-Ampها مي توانيم با برقراري فيدبك، گين تقويت كننده را كاهش و حوزة عملكرد خطي آن را افزايش دهيم.
كنترل كننده تناسبي نيوماتيكي(نوع نيرو-فاصله) :
دو نوع كنترل كننده نيوماتيكي در صنعت كاربرد زيادي دارند، يكي نوع نيرو-فاصله و ديگري نوع نيرو-تعادل. به رغم اختلاف ظاهري كنترل كننده هاي نيوماتيكي صنعتي، با مطالعة دقيق شباهتهاي عملكرد اين مدارهاي نيوماتيكي آشكار مي شود.
شكل -15 نمودار طرح گونة يك كنترل كننده تناسبي را نشان مي دهد.تقويت كننده نازل –پره تقويت كننده طبقة اول را تشكيل مي دهد. پس فشار نازل توسط فاصلة نازل – پره كنترل مي شود. رلة نيوماتيكي تقويت كنندة طبقة دوم را تشكيل ميدهد. پس فشار نازل محل توپي تقويت كنندة طبقةدوم را تعيين مي كند. اين رله بر عبور هواي پر فشار عمل مي كند. در اغلب كنترل كننده هاي نيوماتيكي نوعي فيدبك نيوماتيکي بكار مي رود. اين فيدبك مقدار جابجايي پره را كمتر مي كند. به جاي نصب پره در محلي ثابت، مانند شكل-15 (ب)، آن را مطابق شکل -15(ج) روي يك فانوسك سوار مي كنند. ميزان فيدبك را مي توان با ايجاد يك اتصال متغيير بين فانوسك و نقطة اتصال پره تنظيم كرد. به اين ترتيب پره يك اتصال شناور مي شود و هم سيگنال خطا و هم سيگنال فيدبك مي توانند آن را جابجا كنند. طرز كار كنترل كننده شكل-15(الف) از اين قرار است: سيگنال ورودي تقويت كننده در طبقة نيوماتيكي سيگنال خطا است. افزايش سيگنال خطا پره را به سمت چپ مي برد. اين حركت فشار نازل را افزايش مي دهد و توپي متصل به ديافراگم پايين مي رود. بنابراين فشار كنترل زياد مي شود .اين افزايش فشار باعث انبساط فانوسك شده، پره را به سمت راست مي برد و دهانه نازل بازتر مي شود. به خاطر وجود اين فيدبك جابجايي پره خيلي كوچك است، ولي تغيير فشار كنترل مي تواند بزرگ باشد. بايد تذكر دهيم كه براي درست كار كردن كنترل كننده بايد ميزان جابجايي پره در اثر فانوسك فيدبك كمتر از جابجايي ناشي از سيگنال خطا، هنگامي كه به تنهايي عمل مي كند، باشد. (اگر اين دوجابجايي برابر باشند، هيچ عمل كنترلي ممكن نيست.)شکل -14) کنترل کننده دو وضعیتی تناسبی
چون Pcوe متناسب هستند،كنترل كننده شكل -15(الف) كنترل كننده تناسبي ناميده مي شود. تابع تبديل بين Pc وeعبارت است از :
كه در آنAسطح مؤثر فانوسك، Ks ثابت فنر معادل آن،K يك ضريب ثابت و مثبت،aوbفواصل نشان داده شده در شكل مي باشند. چنانچه رابطه -1 نشان مي دهد بهرة كنترل كنندة تناسبي نيوماتيكي را مي توان با تنظيم محل لولاي اتصال پره در گسترة وسيعي تغيير داد (در شكل اتصال لولايي پره نشان داده شده است). در اكثر كنترل كننده هاي تناسبي تجاري يك پيچ تنظيم يا مكانيزم ديگري براي تغيير بهره با تنظيم محل لولا تعبيه شده است. چنانچه قبلاً گفتيم سيگنال خطا پره را در يك جهت و فانوسك فيدبك آن را در جهت مخالف، به ميزاني كمتر جابجا مي كند. بنابراين اثر فانوسك فيدبك كاهش حساسيت كنترل كننده است. فيدبك معمولاً براي دستيابي به گسترة بزرگ عملكرد تناسبي(خطي) بكار مي رود.
[1] Close loop
[2] Open loop
[3] On-Off
[4] Proportional
[5] Integral or Reset control
[6] Derivative control
[7] Manual
[8] Set Point
[9] Process value
[10] Auto
دوست عزیز، به سایت علمی نخبگان جوان خوش آمدید
مشاهده این پیام به این معنی است که شما در سایت عضو نیستید، لطفا در صورت تمایل جهت عضویت در سایت علمی نخبگان جوان اینجا کلیک کنید.
توجه داشته باشید، در صورتی که عضو سایت نباشید نمی توانید از تمامی امکانات و خدمات سایت استفاده کنید.
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (Bookmarks)