• بازدید : 41 views
  • بدون نظر
این فایل در ۳۰صفحه قاابل ویرایش تهی شده وشامل موارد زیر است:

كنترل‌كننده‌ها يكي از قسمتهاي مهم و حساس در حلقه كنترل صنعتي مي‌باشند. زيرا عملكرد حلقه كنترل، نهايتاً از طريق كنترل‌كننده تعيين و تنظيم مي‌شود.
در نمايش جعبه‌اي شكل (۱ـ۸) مقايسه كننده و كنترل‌كننده را به صورت دو بلوك مجزا نشان داده‌ايم اما در عمل، مقايسه كننده و كنترل‌كننده به طور يكجا و به صورت يك واحد ساخته مي‌شوند و عمل مقايسه رفتار خروجي با رفتار مطلوب نيز در كنترل‌كننده انجام مي‌گردد. ما نيز در اينجا كار مقايسه‌كنندگي و كنترل‌كنندگي را به طور يكجا تحت نام كنترل‌كنندگي مورد بررسي قرار مي‌دهيم، بدين ترتيب وظيفه كنترل‌كننده در يك حلقه كنترل صنعتي را به صورت زير بيان مي‌نمائيم:
‹‹كنترل‌كننده با توجه به خطاي موجود (اختلاف رفتار پروسه با رفتار مطلوب) با در نظر گرفتن قوانين كنترل (استراتژي كنترل) كه طراح به آن ياد داده است، دستوري را جهت اصلاح خطا به قسمتهاي بعدي (محرك، عنصر نهائي) ارسال مي‌دارد.››

كنترل‌كننده‌ها را از دو نظر مي‌توان دسته‌بندي نمود:
الف) از نظر نيرو يا انرژي محركه
ب) از نظر قانون كنترل يا عملياتي كه بر روي سيگنال خطا انجام مي‌دهند.

كنترل‌كننده‌ها از نظر نيرو و انرژي محركه
كنترل‌كننده‌ها را از نظر نيرو و انرژي محركه به سه دسته اصلي تقسيم‌بندي مي‌كنند:
۱٫ كنترل‌كننده‌هاي الكتريكي و الكترونيكي
۲٫ كنترل‌كننده‌هاي پنوماتيكي (بادي)
۳٫ كنترل‌كننده‌هاي هيدروليكي (روغني)

تقسيم‌بندي فوق از آنجا ناشي مي‌گردد كه، اساساً سيستم‌هاي صنعتي نيز از نظر نوع نيروي محركه به سه دسته الكتريكي، پنوماتيكي و هيدروليكي تقسيم مي‌شوند، معمولاً هر سيستم كنترل‌كننده نظير خود را مورد استفاده قرار مي‌دهد. بديهي است حالتهاي تركيبي نيز مي‌توانند وجود داشته باشند، مثلاً يك كنترل‌كننده مي‌تواند الكتروپنوماتيك يا الكتروهيدروليك و … باشد.
سيستم‌هاي الكتريكي، پنوماتيكي و هيدروليكي هر يك مزايا و كاربرد مخصوص به خود را دارند. در مواردي كه به نيروهاي عظيم با نسبت نيرو به وزن بزرگ احتياج باشد، از سيستم‌هاي هيدروليك استفاده مي‌كنيم. مانند پرس‌هاي سنگين و كشتي‌هاي بزرگ. در محل‌هائي كه خطر آتش‌سوزي وجود دارد و يا در محيط‌هاي تميز و بهداشتي، معمولاً  از سيستم‌هاس پنوماتيكي استفاده مي‌كنيم، مانند صنايع نفت و گاز و صنايع غذايي. در كاربردهاي عادي و مواردي كه براي انتقال نيرو نياز به مكانيزم‌هاي پيچيده و زياد نباشد، از سيستم‌هاس الكتريكي و معمولاً موتورهاي الكتريكي استفاده مي‌كنيم. 

كنترل‌كننده‌هاي الكتريكي (الكترونيكي)
طراحي كنترل‌كننده‌هاي الكتريكي آسانتر از انواع ديگر مي‌باشد. به علاوه با توجه به پيشرفت‌هاي تكنولوژي حالت جامد و ارزاني قطعات نيمه‌هادي كنترل‌كننده‌هاي الكترونيكي بسيار ارزانتر از انواع ديگر مي‌باشند.
با توجه به شكل (۴ـ۱۲) در كنترل‌كنده‌هاي الكترونيكي معمولاً از تقويت‌كننده‌هاي عملياتي (op-Amp) كه داراي گين بسيار زياد مي‌باشند در مسير رفت و از عناصر مقاومت (R) و خازن (C) در مسير برگشت استفاده مي‌شود.
كنترل‌كننده‌هاي تناسبي الكتريكي
شكل (۴ـ۱۳) بكارگيري اصل كلي براي ساخت يك كنترل‌كننده تناسبي را نشان مي‌دهد. در اين شكل داريم:

ص ۱۷۸
شكل (۴ـ۱۳). طرح كلي كنترل‌كننده تناسبي الكتريكي


 

و مي‌توان نوشت:
 
(۴ـ۱۳)  
با توجه به رابطه (۴ـ۱۳) با تنظيم نسبت   مي‌توان به سادگي مقدار Kp را تنظيم نمود.

كنترل‌كننده‌هاي بادي (پنوماتيكي)
سيستم‌هاي بادي مزايا و كاربردهاي خاص خود را دارند كه از جمله مي‌توان به ايمني و در پاره‌اي موارد ارزاني آنها اشاره نمود. با توجه به اصل كلي، طرح‌هاي كنترل‌كننده‌هاي بادي شبيه به طرح‌هاي انواع الكتريكي مي‌باشد يعني براي ساخت يك كنترل‌كننده بادي نياز به يك تقويت‌كننده با گين زياد و عناصر مقاومت و ظرفيت (خازن) داريم. 

تقويت‌كننده‌هاي بادي
مطابق شكل (۴ـ۱۷) ورودي يك تقويت‌كننده بادي معمولاً جابجايي (طول) و خروجي آن فشار مي‌باشد. براي ساخت تقويت‌كننده‌هاي بادي معمولاً از طرح دهانه ـ تيغه (nozzle-flapper) استفاده مي‌شود.

ص ۱۸۲
شكل (۴ـ۱۷). نمايش جعبه‌اي تقويت‌كننده بادي در حالت كلي

تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه (nozzle-flapper)
شكل (۴ـ۱۸) يك تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه را نشان مي‌دهد. اگر فاصله تيغه (flapper) از دهانه (nozzle) زياد باشد فشار تغذيه از طريق دهانه به خارج جريان پيدا مي‌كند. جريان هوا از ميان مانع (orifice) موجب افت فشار در دو طرف آن مي‌شود به گونه‌اي كه فشار بعد از مانع يعني فشار پشتي (back-pressure) بسيار كمتر از فشار تغذيه (Ps) مي‌گردد. از طرف ديگر اگر تيغه به دهانه نزديك شود جريان هوا از دهانه كاهش مي‌يابد و اين امر به كاهش جريان از ميان مانع مي‌انجامد و بنابراين افت فشار روي مانع نيز كاهش يافته، فشار پشتي افزايش مي‌يابد.

ص ۱۸۳
شكل (۴ـ۱۸). تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه بادي

مشخصه فشار خروجي (پشتي) بر حسب فاصله تيغه از دهانه (x) در شكل (۴ـ۱۹) رسم گرديده است. حداكثر فشار خروجي هنگامي به دست مي‌آيد كه تيغه به دهانه چسبيده و آن را كاملاً مسدود كرده باشد، در اين حالت هوا صفر است و بنابراين افت فشار بر روي مانع نخواهيم داشت و فشار دو طرف مانع برابر مي‌گردند يعني فشار خروجي برابر فشار تغذيه مي‌شود.

ص ۱۸۳
شكل (۴ـ۱۹). مشخصه تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه در حالت كلي

اگر فاصله تيغه از دهانه زياد شود فشار خروجي كاهش مي‌يابد كه حداقل آن فشار اتمسفر (Pa) خواهد شد. براي آنكه مشخصه تقويت‌كننده حتي‌الامكان خطي باشد مي‌بايستي مواردي را در ساخت آن رعايت نمود از جمله قطر دهانه حتي‌الامكان كوچك (حدود ۳/۰ ميلي‌متر) انتخاب مي‌گردد و قطر مانع اندكي كمتر از قطر دهانه در نظر گرفته مي‌شود (حدود ۲۵/۰ ميلي‌متر). دامنه تغييرات سيگنال ورودي بايد به گونه‌اي باشد كه حداقل فاصله تيغه از دهانه، صفر و حداكثر آن در حدود قطر دهانه باشد.
از فشار خروجي يك تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه نمي‌توان مستقيماً براي راه‌اندازي قسمتهاي بعدي (مثلاً محرك‌ها) استفاده نمود چرا كه در صورت جريان هوا در خروجي، اين جريان مي‌بايستي از ميان مانع عبور كند كه در اين صورت موجب افت فشار خواهد شد. براي حل اين مشكل از يك مدار بافر (شبيه به تقويت‌كننده‌هاي الكترونيكي) در خروجي استفاده مي‌كنيم. در شكل (۴ـ۲۰) يك تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه همراه با مدار بافر در خروجي آن نمايش داده شده است.

ص ۱۸۴
شكل (۴ـ۲۰)
تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه با مدار بافر

مدار بافر را گاهي رله معكوس نيز مي‌گويند. مطابق شكل، افزايش فشار پشتي موجب حركت ديافراگم به سمت پائين و بسته‌تر شدن شير مي‌گردد و اين امر فشار خروجي (مصرف‌كننده) را كاهش مي‌دهد. به همين ترتيب كاهش فشار پشتي موجب حركت ديافراگم به سمت بالا و بازتر شدن شير و افزايش فشار مصرف‌كننده مي‌گردد. توجه نمائيد كه در هر حالت جريان هواي مورد نياز مصرف‌كننده توسط فشار تغذيه تأمين مي‌گردد و تأثيري بر فشار پشتي ندارد. مدار بافر علاوه بر بافر كردن فشار پشتي نسبت به فشار مصرف‌كننده، تغييرات فشار خروجي نسبت به فشار پشتي را معكوس مي‌كند يعني با افزايش فشار پشتي خروجي كاهش و با كاهش آن افزايش مي‌يابد. به همين دليل مدار بافر را رله معكوس‌كننده نيز مي‌ناميم. بنابراين مشخصه ورودي ‌ـ‌ خروجي تقويت‌كننده شكل (۴ـ۲۰) در حالت كلي مطابق شكل (۴ـ۲۱) مي‌باشد.

ص ۱۸۴
شكل (۴ـ۲۱). مشخصه تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه با بافر

تقويت‌كننده شكل (۴ـ۲۰) داراي گين بسيار زيادي است به طوري كه در اثر تغييرات در دامنه‌اي حدود چند دهم ميلي‌متر اندازه تغييرات فشار بسيار عظيم خواهد بود به گونه‌اي كه تقويت‌كننده عملاً در محدوه اشباع بالا يا اشباع پائين قرار خواهد گرفت. همچنين تنظيم گين تقويت‌كننده بر روي يك مقدار دلخواه مقدور نمي‌باشد. اين تقويت‌كننده را مي‌توان به يك تقويت‌كننده آپ امپ (op-Amp) تشبيه نمود. در اينجا نيز مشابه op-Ampها مي‌توانيم با برقراري فيدبك، گين تقويت‌كننده را كاهش و حوزه عملكرد خطي آن را افزايش دهيم.
علامتي كه معمولاً در اينگونه موارد استفاده مي‌شود مطابق شكل (۴ـ۲۲) مي‌باشد و در اين مدار با استفاده از يك دم، فيدبكي منفي بر تيغه (ورودي) اعمال مي‌كنيم.

ص ۱۸۵
شكل (۴ـ۲۲). تقويت‌كننده دهانه ـ تيغه فيدبك شده

براي روشن‌تر شدن مطلب فرض كنيد در اثر اعمال ورودي تيغه از دهانه دور شود. در اين حال فشار پشتي كاهش و فشار خروجي (p0) افزايش مي‌يابد. افزايش فشار خروجي موجب باز شدن دم فيدبك و حركت انتهاي ديگر تيغه به سمت دهانه مي‌گردد كه اين امر موجب نزديك‌تر شدن تيغه به دهانه و كاهش اثر ورودي (يعني دور شدن تيغه از دهانه) مي‌شود. بيان فوق به معني برقراري فيدبك منفي در تقويت‌كننده است.
در شكل (۴ـ۲۳) نمايش جعبه‌اي تقويت‌كننده فيدبك شده فوق براي حالتي كه فاصله دهانه از دو انتهاي تيغه يكسان مي‌باشد آمده است.

ص ۱۸۶
شكل (۴ـ۲۳). نمايش جعبه‌اي تقويت‌كننده شكل (۴ـ۲۲)

در اين شكل k، گين تقويت‌كننده بدون فيدبك است و A و KS به ترتيب سطح و ضريب فنريت دم مي‌باشند. گين تقويت‌كننده در اين حالت به دست مي‌آيد:
(۴ـ۱۷)  
رابطه (۴ـ۱۷) را با فرض زياد بودن بهره حلقه (Loop-Goin) مي‌توان به صورت زير ساده نمود:
(۴ـ۱۸)  
ضريب فنريت دم را مي‌توان با استفاده از فنرهاي كمكي كه موازي با دم به تيغه متصل مي‌شوند تنظيم نمود.

عناصر مسير برگشت در كنترل‌كننده‌هاي بادي
اصل كلي در ساخت كنترل‌كننده‌ها لازم مي‌دارد كه عناصري با تابع تبديل عكس عمليات مورد نياز، در مسير فيدبك تقويت‌كننده قرار گيرد تا عمليات دلخواه به دست آيد. در كنترل‌كننده‌هاي الكتريكي از عناصر مقاومت (R) و خازن (C) در مسير برگشت استفاده نموديم. همانطور كه مي‌دانيد مقاومت يك عنصر الكتريكي تلف‌كننده انرژي و خازن يك عنصر الكتريكي ذخيره كننده انرژي است. در سيستم‌هاي بادي نيز عناصر تلف‌كننده و ذخيره انرژي داريم. به عنوان يادآوري شكل (۴ـ۲۴ـ الف) را در نظر بگيريد.

ص ۱۸۶
شكل (۴ـ۲۴). مدار RC الكتريكي و بادي

در اين شكل رابطه بين فشار شارژ  (PS) و فشار مخزن (P) به صورت زير به دست مي‌آيد:
 
(۴ـ۱۹)  
كه مشابه رابطه بين ولتاژهاي ES و E0 در مدار الكتريكي معادل آن (شكل ۴ـ۲۴ـ‌ ب) مي‌باشد:
 
 
بنابراين هر ظرف مسدود كه قابليت ذخيره‌سازي فشار را داشته باشد مانند يك خازن عمل مي‌نمايد و هر مانع در برابر عبور جريان هوا كه افت فشار ايجاد كند مانند يك مقاومت عمل مي‌نمايد.

مقاومت بادي
در كنترل‌كننده‌هاي بادي از شيرهاي ظريف قابل تنظيم به عنوان مانع در برابر جريان هوا يا به عبارت ديگر به عنوان مقاومت بادي استفاده مي‌كنيم. باز و بسته كردن شير قطر روزنه عبور هوا را افزايش يا كاهش مي‌دهد كه اين به معني كاهش يا افزايش مقاومت بادي مي‌باشد.

ص ۱۸۷

تنظيم مقاومت بادي به آساني تنظيم يك پتانسيومتر است و بنابراين تنظيم كنترل‌كننده‌هاي بادي معمولاً مانند كنترل‌كننده‌هاي الكتريكي از طريق تنظيم مقاومت (شيرها) انجام مي‌گردد.

ظرفيت (خازن) بادي
در كنترل‌كننده‌هاي بادي سيگنال خطا با جابجائي است و خروجي كنترل‌كننده فشار است. ديديم كه هر ظرف مسدود مانند يك ظرفيت (خازن) بادي عمل مي‌كند، بنابراين عناصر مسير برگشت مي‌بايستي ضمن فيدبك (خروجي به ورودي) به گونه‌اي فشار را تبديل به جابجايي نمايند. بدين‌منظور از يك دم به عنوان ظرف مسدود (خازن) استفاده مي‌گردد. دم علاوه بر ذخيره فشار به دليل خاصيت ارتجاعي، تغيير طولي متناسب با فشار ذخيره شده توليد مي‌كند. براي روشن‌تر شدن مطلب شكل (۴ـ۲۵) را در نظر بگيريد:

ص ۱۸۸
شكل (۴ـ۲۵). بيان عملكرد دم در برابر فشار

در حالت عادي (بدون فشار) طول دم X مي‌باشد. هرگاه فشار P به داخل آن اعمال گردد و سطح مؤثر دم A باشد نيروي وارده بر آن برابر خواهد بود با:
(۴ـ۲۰)  
در رابطه (۴ـ۲۱) KS ضريب فنريت دم مي‌باشد. جابجايي X را بر حسب فشار اعمالي مي‌توان با ساتفاده از روابط (۴ـ۲۰) و (۴ـ۲۱) به دست آورد:
 
(۴ـ۲۲)         
A و KS براي يك دم، مقاديري معين اما ثابت و غيرقابل تغيير مي‌باشند. در عمل براي ايجاد تغيير و تنظيم KS يك فنر با دم موازي و يا به اهرمي كه توسط دم جابجا مي‌شود متصل مي‌كنند. شكل (۴ـ۲۶).

ص ۱۸۸
شكل (۴ـ۲۶). خارن پنوماتيك (بادي)

انواع كنترل‌كننده‌هاي بادي
همانطور كه گفتيم عناصر لازم براي ساخت يك كنترل‌كننده با هر عمليات دلخواه عبارتند از تقويت‌كننده با گين زياد و عناصري  در مسير برگشت. اكنون كه با تقويت‌كننده و عناصر بادي R و C كه در حلقه فيدبك قرار مي‌گيرند آشنا شديم، آمادگي لازم را داريم تا طرح‌هايي براي انواع عمليات كنترل‌كننده ارائه نمائيم.

عتیقه زیرخاکی گنج