پیکربندی حلقه باز، وضعیت سیگنال خروجی خود را نظارت یا اندازه گیری نمی‌­کند زیرا فیدبکی وجود ندارد.

در مقاله قبلی در مورد سیستم‌­های الکترونیکی دیدیم که یک سیستم را می‌­توان مجموعه‌­ای از زیرسیستم‌­ها تعریف کرد که سیگنال ورودی را جهت ایجاد خروجی مورد نظر هدایت یا کنترل می­‌کنند.

عملکرد هر سیستم الکترونیکی، تنظیم خودکار و ثابت نگه داشتن خروجی از طریق مقدار ورودی یا “نقطه تنظیم” مورد نظر سیستم است. اگر ورودی سیستم به هر دلیلی تغییر کند، خروجی سیستم باید مطابق با آن پاسخ دهد و خود را تغییر دهد تا مقدار ورودی جدید را منعکس کند.

به همین ترتیب، اگر اتفاقی بیفتد که خروجی سیستم را بدون تغییر در مقدار ورودی مختل کند، خروجی باید با بازگشت به مقدار تنظیم شده قبلی خود پاسخ دهد. در گذشته، سیستم‌های کنترل الکتریکی اساساً دستی یا سیستم حلقه باز بودند و ویژگی‌های کنترل خودکار یا فیدبک بسیار کمی برای تنظیم فرآیند به منظور حفظ سطح یا مقدار خروجی مورد نظر، تعبیه شده بود.

به عنوان مثال، یک خشک‌­کن برقی را می­‌توان نام برد. بسته به مقدار لباس یا میزان مرطوب بودن آن­ها، یک کاربر یا اپراتور یک تایمر (کنترل­‌کننده) را برای ۳۰ دقیقه تنظیم می‌­کند و در پایان ۳۰ دقیقه، خشک‌­کن به طور خودکار متوقف و خاموش می‌­شود حتی اگر لباس هنوز مرطوب باشد.

در این حالت، عمل کنترلی این است که اپراتور به صورت دستی رطوبت لباس را ارزیابی کرده و فرآیند (خشک­‌کن) را بر اساس آن تنظیم کند.

در این مثال، خشک­‌کن لباس یک سیستم حلقه باز خواهد بود زیرا وضعیت سیگنال خروجی را که خشکی لباس است، نظارت یا اندازه‌­گیری نمی­‌کند. بنابراین، دقت فرآیند خشک کردن یا موفقیت در خشک کردن لباس به تجربه کاربر (اپراتور) بستگی دارد.

با این حال، کاربر ممکن است در هر زمان که بخواهد فرآیند خشک کردن سیستم را با افزایش یا کاهش زمان خشک کردن کنترلرهای زمان­‌بندی تنظیم کند، اگر فکر می‌­کند که فرآیند خشک کردن اولیه کافی نیست. به عنوان مثال، افزایش کنترل­‌کننده زمان به ۴۰ دقیقه برای افزایش فرآیند خشک کردن. بلوک دیاگرام حلقه باز زیر را در نظر بگیرید.

سیستم خشک‌کن حلقه باز

۱. سیستم خشک‌کن حلقه باز

بنابراین، یک سیستم حلقه باز که به آن سیستم بدون فیدبک نیز می­‌گویند، نوعی سیستم کنترل پیوسته است که در آن خروجی هیچ تأثیری بر عملکرد کنترل سیگنال ورودی ندارد. به عبارت دیگر، در یک سیستم کنترل حلقه باز، خروجی برای مقایسه با ورودی نه اندازه­‌گیری می‌­شود و نه “فیدبک” می­‌خورد. بنابراین، از یک سیستم حلقه باز انتظار می­‌رود که بدون توجه به نتیجه نهایی، دستور ورودی یا نقطه تنظیم خود را دنبال کند.

همچنین، یک سیستم حلقه باز هیچ اطلاعی از شرایط خروجی ندارد، بنابراین نمی­‌تواند خطاهایی را که ممکن است در هنگام تغییر مقدار از پیش تعیین شده ایجاد شده، تصحیح کند، حتی اگر این منجر به انحرافات زیادی از مقدار از پیش تعیین شده شود.

یکی دیگر از معایب سیستم‌­های حلقه باز این است که دارای تجهیزات کمی در کنترل اختلالات یا تغییرات شرایط هستند که ممکن است توانایی آن­ها را برای تکمیل کار مورد نظر کاهش دهد. به عنوان مثال، درب خشک­‌کن باز می‌­شود و گرما از بین می­‌رود. کنترل‌کننده زمان، بدون توجه ۳۰ دقیقه به کار ادامه می‌دهد، اما لباس‌ها در پایان فرآیند خشک کردن، خشک نمی‌شوند. دلیل آن این است که هیچ اطلاعاتی برای حفظ دمای ثابت وجود ندارد.

۲. سیستم خشک‌کن حلقه باز

بنابراین، می‌توانیم ببینیم که خطاهای سیستم حلقه باز می‌تواند فرآیند خشک کردن را مختل کند و نیاز به توجه نظارتی اضافی یک کاربر (اپراتور) دارد. مشکل این روش کنترل مقدماتی این است که کاربر باید مرتباً به دمای فرآیند نگاه کند و هر زمان که فرآیند خشک کردن از مقدار مورد نظر خود یعنی خشک کردن لباس منحرف شد، هرگونه اقدام کنترلی اصلاحی را انجام دهد. این نوع کنترل حلقه باز دستی که قبل از وقوع خطا واکنش نشان می‌­دهد، کنترل پیش خور (Feed forward) نامیده می­‌شود.

هدف از کنترل پیش‌خور، که به عنوان کنترل مقدماتی نیز شناخته می‌شود، اندازه‌گیری یا پیش‌بینی هرگونه اختلال بالقوه حلقه باز و جبران آن‌ها به صورت دستی قبل از انحراف متغیر کنترل‌شده از نقطه تنظیم اولیه است. بنابراین برای مثال ساده ما در بالا، اگر درب خشک‌کن باز بود، شناسایی و بسته می‌شد تا فرآیند خشک کردن ادامه یابد.

۴. سیستم خشک‌کن حلقه باز

در صورت عمل به طور درست، انحراف از لباس خیس به لباس خشک در پایان ۳۰ دقیقه حداقل خواهد بود اگر کاربر به وضعیت خطا (باز شدن در) خیلی سریع پاسخ دهد. با این حال، اگر سیستم تغییر کند، این رویکرد پیش‌خور ممکن است کاملاً دقیق نباشد، برای مثال افت دمای خشک­‌کن در طول فرآیند ۳۰ دقیقه‌ای بررسی نشد.

بنابراین، می‌توانیم ویژگی‌های اصلی یک «سیستم حلقه باز» را به این صورت تعریف کنیم:

 

  • هیچ مقایسه‌­ای بین مقادیر واقعی و مطلوب وجود ندارد.
  • یک سیستم حلقه باز هیچ اقدام خودتنظیمی یا کنترلی روی مقدار خروجی ندارد.
  • هر تنظیم ورودی یک موقعیت عملیاتی ثابت را برای کنترلر تعیین می­‌کند.
  • تغییرات یا اختلالات در شرایط خارجی منجر به تغییر مستقیم خروجی نمی‌­شود (مگر اینکه تنظیمات کنترلر به صورت دستی تغییر داده شود).

 

هر سیستم حلقه باز را می­‌توان به صورت چند بلوک متصل شده به صورت سری یا یک بلوک دیاگرام منفرد با ورودی و خروجی نشان داد. بلوک دیاگرام یک سیستم حلقه باز نشان می‌­دهد که مسیر سیگنال از ورودی به خروجی یک مسیر خطی بدون حلقه فیدبک است و برای هر نوع سیستم کنترلی ورودی با θi و خروجی با θo نمایش داده می­‌شود.

به طور کلی، مجبور نیستیم بلوک دیاگرام حلقه باز را برای محاسبه تابع انتقال حقیقی آن دستکاری کنیم. فقط باید روابط یا معادلات مناسب را برای هر بلوک دیاگرام نوشته و سپس تابع انتقال نهایی را از این معادلات همانطور که نشان داده شده است، محاسبه کنیم.

سیستم حلقه باز

۵. سیستم حلقه باز

بنابراین، تابع انتقال هر بلوک به صورت زیر است:

تابع انتقال کلی به صورت زیر ارائه می‌­شود:

بنابراین، بهره حلقه باز به سادگی به صورت زیر است:

در این معادله، G تابع انتقال سیستم یا زیرسیستم را نشان داده و می­‌توان آن را به صورت زیر بازنویسی کرد: G(s) = θo(s)/θi(s)

سیستم‌های کنترل حلقه باز اغلب برای فرآیندهایی استفاده می‌شوند که به دنباله‌­ای از وقایع با کمک سیگنال‌های «روشن-خاموش» نیاز دارند. به عنوان مثال، ماشین لباسشویی که نیاز به “روشن” شدن آب دارد و پس از پر شدن، “خاموش” می­‌شود و سپس المنت گرم­‌کننده “روشن” می­‌شود تا آب گرم شود و پس از آن در دمای مناسب، “خاموش” می‌­شود.

این نوع کنترل حلقه باز «روشن-خاموش» برای سیستم‌هایی مناسب است که تغییرات بار به کندی اتفاق می‌افتد و فرآیند بسیار کند عمل کرده و نیاز به تغییرات کم در عمل کنترل توسط اپراتور دارد.

خلاصه سیستم های کنترلی حلقه باز

دیدیم که یک کنترل‌کننده می‌تواند ورودی‌های خود را برای بدست آوردن اثر مطلوب بر روی خروجی یک سیستم، دستکاری کند. یکی از انواع سیستم‌­های کنترلی که در آن خروجی هیچ  تأثیری بر عملکرد کنترل سیگنال ورودی ندارد، سیستم حلقه باز نامیده می­‌شود.

“سیستم حلقه باز” با این واقعیت تعریف می‌­شود که سیگنال یا شرایط خروجی برای مقایسه با سیگنال ورودی یا نقطه تنظیم سیستم نه اندازه­‌گیری می‌­شود و نه “فیدبک” می­‌خورد. بنابراین، سیستم‌­های حلقه باز معمولاً به عنوان “سیستم های بدون فیدبک” شناخته می‌­شوند.

همچنین، از آنجایی که یک سیستم حلقه باز از فیدبک برای تعیین اینکه آیا خروجی مورد نیاز خود بدست آمده است، استفاده نمی‌کند، «فرض می‌کند» که هدف مورد نظر ورودی، موفقیت‌آمیز بوده است، زیرا خطاهایی که مرتکب شده را نمی‌تواند تصحیح کند و بنابراین نمی‌تواند هیچ‌یک از اختلالات خارجی در سیستم را جبران کند.

کنترل موتور حلقه باز

برای مثال، کنتر‌ل‌­کننده موتور DC را مطابق شکل فرض کنید. سرعت چرخش موتور به ولتاژی که توسط پتانسیومتر به تقویت‌­کننده (کنترل­‌کننده) می­‌رسد، بستگی دارد. مقدار ولتاژ ورودی می­‌تواند متناسب با موقعیت پتانسیومتر باشد.

اگر پتانسیومتر به بیشترین مقاومت تنظیم شود، حداکثر ولتاژ مثبت به تقویت­‌کننده می­‌رسد که نشان دهنده سرعت کامل است. به همین ترتیب، اگر درجه پتانسیومتر به کمترین مقاومت تنظیم شود، ولتاژ صفر تامین می­‌شود که نشان دهنده سرعت بسیار کند یا توقف است.

موقعیت درجه پتانسیومتر، ورودی θi را نشان می­‌دهد که توسط تقویت­‌کننده (کنترل­‌کننده) تقویت می­‌شود تا موتور DC (فرآیند) را با سرعت تنظیم شده N نشان‌­دهنده خروجی θo سیستم، تحریک کند. موتور با سرعت ثابتی که با موقعیت پتانسیومتر تعیین می­‌شود به چرخش خود ادامه می­‌دهد.

 

۶. کنترل موتور حلقه باز

از آنجایی که مسیر سیگنال از ورودی به خروجی یک مسیر مستقیم است که بخشی از هیچ حلقه‌ای را تشکیل نمی‌دهد، بهره کلی سیستم برابر سری کردن مقادیر بهره‌­های جداگانه پتانسیومتر، تقویت‌کننده، موتور و بار خوهد بود. به وضوح مطلوب است که سرعت خروجی موتور با موقعیت پتانسیومتر یکسان بوده و بهره کلی سیستم را واحد نشان دهد.

با این حال، بهره‌های جداگانه پتانسیومتر، تقویت‌کننده و موتور ممکن است در طول زمان با تغییر ولتاژ یا دما تغییر کند، یا بار موتور ممکن است افزایش یابد که نشان‌دهنده اختلالات خارجی در سیستم کنترل موتور حلقه باز است.

اما کاربر در نهایت از تغییر در عملکرد سیستم (تغییر سرعت موتور) آگاه خواهد شد و ممکن است آن را با افزایش یا کاهش سیگنال ورودی پتانسیومتر برای حفظ سرعت اولیه یا دلخواه اصلاح کند.

مزایای این نوع “کنترل موتور حلقه باز” این است که به طور بالقوه ارزان و دارای پیاده‌­سازی ساده است که آن را برای استفاده در سیستم­‌های کاملاً تعریف‌­شده (well-defined)، ایده‌­آل می‌­کند. در این سیستم­ رابطه بین ورودی و خروجی مستقیم بوده و تحت تأثیر هیچ­گونه اختلال بیرونی قرار نمی­‌گیرد. متأسفانه این نوع سیستم حلقه باز به اندازه کافی مناسب نیست زیرا تغییرات یا اختلالات در سیستم بر سرعت موتور تأثیر می­‌گذارد. بنابراین، شکل دیگری از کنترل مورد نیاز است.

در مقاله بعدی سیستم‌­های الکترونیکی، به تأثیر فیدبکِ مقداری از سیگنال خروجی به ورودی می­‌پردازیم تا کنترل سیستم­‌ها بر اساس تفاوت بین مقادیر واقعی و مطلوب باشد. به این نوع سیستم کنترل الکترونیکی، کنترل حلقه بسته می­‌گویند.