کنترل‌کننده‌ها و نقش آن‌ها در سیستم‌های دینامیکی مختلف – علیرضا محمودی فرد

طبق گزارش فرا اقتصاد بین الملل، یکی از مهم‌ترین اجزای عملکردی سیستم‌ها، کنترل‌کننده‌ها هستند که به‌طور کلی وظیفه کنترل خروجی‌های سیستم در مقادیر مجاز یا مطلوب را دارا می‌باشند.

مقدمه

کنترل‌کننده‌ها (Controllers) جزو اجزای کلیدی در سیستم‌های دینامیکی هستند که به‌منظور پایش و مدیریت عملکرد سیستم‌ها استفاده می‌شوند. این ابزارها داده‌ها را از سیستم‌های مختلف دریافت کرده و بر اساس آن‌ها، ورودی‌های مناسب را برای دست‌یابی به عملکرد مطلوب تولید می‌کنند؛ در واقع، کنترل‌کننده‌ها بر اساس دیتاهای دریافتی، خروجی‌هایی را از خودشان تولید می‌کنند که این خروجی‌ها همان ورودی‌های کنترلی یا ورودی‌های فرمان برای سیستم‌ها می‌باشند. این یادداشت به بررسی انواع کنترل‌کننده‌ها، تکنیک‌های طراحی و کاربردهای آن‌ها در صنایع مختلف می‌پردازد.

انواع کنترل‌کننده‌ها

کنترل‌کننده‌ها را می‌توان به چند دسته کلی تقسیم کرد که یکی از آن‌ها دسته‌بندی کنترل‌کننده‌ها از نظر حلقه باز یا حلقه بسته بودن است:

کنترل‌کننده‌های حلقه باز (Open-Loop Controllers): در این کنترل‌کننده‌ها، حلقه‌ی کنترلی، بسته نمی‌شود، لذا به آن‌ها حلقه باز گویند؛ این نوع از کنترل‌کننده‌ها بر اساس ورودی‌ها تصمیم‌گیری می‌کنند و بدون توجه به خروجی سیستم، عمل می‌کنند. این کنترل‌کننده‌ها معمولا در مواردی استفاده می‌شوند که نیازی به نظارت بر خروجی نیست.

کنترل‌کننده‌های حلقه بسته (Closed-Loop Controllers): در این نوع کنترل‌کننده‌ها، حلقه‌ی کنترلی بسته شده، ورودی‌ها و خروجی‌ها به‌صورت مداوم مانیتور می‌شوند، تا خطا در سیستم در هر لحظه کمتر شده و به حداقل برسد. این دسته شامل کنترل‌کننده‌هایی مانند PID، پیش‌بینی‌کننده و فازی است.

کنترل‌کننده‌ها را از جهاتی دیگر همچون کلاسیک یا مدرن و هوشمند بودن نیز می‌توان دسته‌بندی کرد؛ همچنین کنترل‌گرهایی وجود دارند که از منطق ترکیبی استفاده می‌کنند.

کنترل‌کننده PID (Proportional-Integral-Derivative): این نوع کنترل‌کننده با ترکیب سه بخش تناسبی، انتگرالی و مشتقی، به کنترل دقیق و پایدار سیستم کمک می‌کند و پراستفاده‌ترین نوع کنترل‌کننده در صنعت است.

کنترل‌کننده فازی: این کنترل‌کننده‌ها از منطق فازی برای پردازش عدم قطعیت‌ها و غیرخطی بودن در سیستم‌ها استفاده می‌کنند.

کنترل‌کننده‌های تطبیقی (Adaptive Controllers): این کنترل‌کننده‌ها می‌توانند پارامترهای خود را به‌صورت دینامیک بر اساس تغییرات سیستم تنظیم کنند، که برای سیستم‌های غیرخطی یا متغیر در زمان، بسیار مناسب هستند. در این کنترل‌کننده‌ها شرایط و محیط، اسکن شده و دینامیک کنترل‌کننده نیز متناسب با محیط و شرایط، تغییر می‌کند.

کنترل‌کننده‌های مبتنی بر یادگیری ماشین: این کنترل‌کننده‌ها با استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین، بهینه‌سازی عملکرد خود را در طی زمان یاد می‌گیرند و به‌سرعت به تغییرات سیستم پاسخ می‌دهند.

حیطه‌ها و مراحل اساسی در خصوص تکنیک‌های طراحی کنترل‌کننده

طراحی یک کنترل‌کننده مؤثر نیازمند درک عمیق از دینامیک سیستم و مقاصد کنترل است. روش‌های مختلفی برای طراحی کنترل‌کننده‌ها وجود دارد.

شناسایی سیستم: یکی از گام‌های مهم برای کنترل هر سیستمی، شناسایی آن است؛ ابتدا به ساکن باید سیستم را بشناسیم تا بعد بتوانیم آن را کنترل کنیم؛ باید از ورودی‌ها، خروجی‌ها، عملکرد، ساختار سیستم و … مطلع باشیم تا بتوانیم آن را به‌خوبی کنترل کنیم؛ این قضیه شامل انواع سیستم‌های مختلف می‌شود. شناسایی سیستم، خود مطالب مفصلی دارد.

مدل‌سازی سیستم: تعریف یک مدل ریاضی از سیستم با استفاده از معادلات دیفرانسیل، قدمی بسیار مهم برای کنترل آن سیستم است؛ مسلما هر چقدر تعریف سیستم دقیق‌تر و حساب‌شده‌تر باشد، کنترل آن نیز با دقت بیشتری میسر است . این مدل به درک رفتار سیستم کمک کرده و امکان شبیه‌سازی رفتار آن را فراهم می‌کند.

تجزیه و تحلیل پایداری سیستم: بررسی پایداری سیستم با استفاده از روش‌های مختلف مانند معیارهای راوث، راوث-هرویتز، لیتوین، فازور، لیاپانوف و … ممکن است.

کنترل سیستم: امکان طراحی یک یا چند کنترل‌کننده بر اساس قوانین کنترلی و شرایط سیستم برای کنترل خروجی‌های سیستم فراهم می‌شود.

بهینه‌سازی سیستم: استفاده از الگوریتم‌های بهینه‌سازی برای تعیین پارامترهای بهینه کنترل‌کننده بر اساس معیارهای خاصی مانند حداقل‌سازی خطا، کمینه‌سازی زمان یا مینیمم‌سازی انرژی مصرفی، سوخت، مسیر و … انجام می‌شود.

برخی کاربردهای کنترل‌کننده‌ها

کنترل‌کننده‌ها در صنایع و زمینه‌های مختلف، کاربرد گسترده‌ای دارند؛ به‌عنوان مثال:

صنعت خودروسازی: کنترل‌کردن عملکرد موتور و سیستم‌های ایمنی مانند ترمزها و کنترل کشش.

سیستم‌های خودکار: استفاده در ربات‌ها و سیستم‌های تولید خودکار برای حفظ دقت و کارایی.

کارخانه‌ها و صنایع تولیدی: برای کنترل، خودکارسازی و اتوماسیون خطوط تولید

صنایع پزشکی: برای کنترل دستگاه‌های پزشکی مانند پمپ‌های انسولین و تجهیزات نظارتی بر روی بیماران.

صنایع موشکی و هوافضا: برای کنترل و هدایت دقیق و بهینه موشک‌های مختلف همچون بالستیک، کروز، هایپرسونیک و ….

صنایع نفت و پتروشیمی: برای کنترل، اتوماسیون و پردازش دقیق دیتاهای صنایع، فازها، چاه‌ها و …

مدیریت انرژی: کنترل مصرف انرژی در ساختمان‌های هوشمند، سیستم‌های HVAC و شبکه‌های برق.

و بسیاری از صنایع دیگر

نتیجه‌گیری

کنترل‌کننده‌ها به‌عنوان اجزای اساسی و بنیادین در سیستم‌های دینامیکی، به کنترل و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها و بهبود کیفیت خدمات، کمک می‌کنند. کنترل‌کننده ها در صنایع فناوری بالا، کاربردهای گسترده و مهمی دارند و هرگز قابل کنار گذاشتن نیستند؛ هوشمندتر شدن کنترل‌کننده‌ها، دقت، کارایی و قدرت پردازش را بالا می‌برد. با پیشرفت فن‌آوری و توسعه روش‌های نوین در طراحی و پیاده‌سازی کنترل‌کننده‌ها، قابلیت‌های آن‌ها به‌طور مداوم در حال افزایش است. پژوهش‌های آینده در این حوزه می‌تواند به نوآوری‌های بیشتری در زمینه بهبود کارایی و پایداری سیستم‌ها منجر شود.

با نگارش: علیرضا محمودی فرد – کارشناس ارشد مهندسی برق-کنترل و مدرس آزمایشگاه کنترل صنعتی در دانشگاه