سیستم کنترل مدار باز و مدار بسته

در علم کنترل، سیستم‌ها بر اساس نحوه عملکرد و نوع ارتباط میان ورودی و خروجی دسته‌بندی می‌شوند. این دسته‌بندی هم در مباحث آکادمیک و هم در صنعت کاربرد گسترده‌ای دارد، هرچند ممکن است در بیان و تفسیر آن تفاوت‌هایی وجود داشته باشد. به طور کلی، سیستم‌های کنترل از دیدگاه ساختاری به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند که مبنای بسیاری از تحلیل‌ها و طراحی‌های مهندسی را تشکیل می‌دهند.

انواع کنترل

به طور کلی سیستم‌های کنترل به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

سیستم‌های کنترل مدار باز

سیستم‌هایی هستند که در آن‌ها خروجی فرآیند اندازه‌گیری نشده و با مقدار مطلوب مقایسه نمی‌شود. در این نوع کنترل، عملکرد سیستم صرفاً بر اساس تنظیمات اولیه و برنامه از پیش تعیین‌شده انجام می‌گیرد و هیچ بازخوردی از نتیجه واقعی فرآیند دریافت نمی‌شود.

سیستم‌های کنترل مدار بسته

در این سیستم‌ها، خروجی فرآیند به طور مداوم اندازه‌گیری شده و با مقدار مطلوب (نقطه تنظیم) مقایسه می‌شود. اختلاف بین این دو مقدار به عنوان خطا در نظر گرفته شده و کنترل‌کننده بر اساس آن فرمان اصلاحی صادر می‌کند تا خروجی به مقدار مطلوب نزدیک شود.

در ادامه، ابتدا تعاریف آکادمیک این دو نوع سیستم بررسی می‌شود و سپس به تفاوت‌های موجود میان دیدگاه دانشگاهی و کاربرد صنعتی آن‌ها اشاره خواهد شد.

سیستم های کنترل مدارباز

سیستم کنترل مدار باز به سیستمی گفته می‌شود که کنترل‌کننده از وضعیت نهایی فرآیند اطلاعی ندارد یا امکان اندازه‌گیری و مقایسه خروجی با مقدار مطلوب را در اختیار ندارد. در این نوع سیستم‌ها، کنترل‌کننده بر اساس تنظیمات اولیه و در یک بازه زمانی مشخص، مجموعه‌ای از اقدامات از پیش تعیین‌شده را اجرا می‌کند و هیچ بازخوردی از شرایط واقعی فرآیند دریافت نمی‌کند.

به عنوان مثال، می‌توان نحوه کنترل در یک ماشین لباسشویی را در نظر گرفت. کاربر زمان شستشو را توسط تایمر تنظیم می‌کند. پس از سپری شدن زمان تعیین‌شده و اجرای برنامه شستشو مطابق با این تنظیم، دستگاه به طور خودکار مرحله شستشو را متوقف کرده و مراحل بعدی مانند آبکشی و خشک‌کردن را آغاز می‌کند. نکته مهم این است که ماشین لباسشویی کیفیت تمیز شدن لباس‌ها را بررسی نمی‌کند؛ ممکن است لباس‌ها زودتر از زمان تعیین‌شده کاملاً تمیز شده باشند، یا برعکس، به دلیل شدت آلودگی و وجود لکه‌های مقاوم، پس از پایان برنامه همچنان کثیف باقی بمانند.

در هر یک از این حالت‌ها، کاهش یا افزایش زمان شستشو می‌تواند مؤثر باشد، اما چون سیستم از نوع مدار باز است و از وضعیت خروجی فرآیند (یعنی میزان تمیزی لباس‌ها) اطلاعی ندارد، این موضوع در روند کنترل تأثیری نخواهد داشت. بنابراین، در چنین سیستمی همواره نمی‌توان انتظار دستیابی به نتیجه مطلوب را داشت.

ممکن است گفته شود که با روش سعی و خطا، مثلاً با اجرای دوباره برنامه شستشو، می‌توان به نتیجه مطلوب رسید؛ اما این کار موجب اتلاف زمان و انرژی می‌شود و در فرآیندهای پیچیده‌تر نه مطلوب است و نه مقرون‌به‌صرفه.

بنابراین بطور کلی در یک سیستم کنترل مدار باز ، اشکالاتاساسی زیر وجود دارد:

1. پاسخ سیستماز حالت  ایده آل فاصله زیادی دارد ، چون کنترل کننده از وضع خروجی فرآیند خبری ندارد.
2. در بیشتر موارد اتلاف انرژی خواهیم داشت.
3. عوامل ناخواسته ( اغتشاش یا نویز) روی سیستم تاثیرزیادی می گذارد.

برای رفع معایب فوق می توانیم از سیستم کنترل مدار بسته استفاده کنیم.

سیستم های کنترل مداربسته

در سیستم کنترل مدار بسته، کنترل‌کننده همواره از آخرین وضعیت خروجی فرآیند آگاهی دارد و کنترل فرآیند بر اساس این اطلاعات صورت می‌گیرد. یعنی یک سیستم اندازه‌گیری داریم که خروجی فرآیند یا همان کمیت تحت کنترل خود را اندازه‌گیری کرده و به عنوان عنصر تغییرپذیر فرآیند (Process Variable = PV) آن را با مقدار مطلوب یا نقطه تنظیم (Set Point = SP) که اپراتور به کنترل‌کننده داده است مقایسه می‌کند.

کنترل‌کننده اختلاف بین PV و SP را بررسی کرده و چنانچه اختلافی وجود داشته باشد، آن را به عنوان خطا (Error) در نظر می‌گیرد و بر اساس مقدار خطا و تابعی (Function) که در کنترل‌کننده تعریف شده است، خروجی تولید می‌کند. خروجی کنترل‌کننده به عنوان سیگنال ورودی به محرک ارسال شده و در نهایت به عنصر نهایی (Final Element) می‌رسد.

عنصر نهایی شرایط فرآیند را به گونه‌ای تغییر می‌دهد تا به وضعیت مطلوب (PV = SP) برسد. چنانچه خروجی فرآیند اصلاح نشود و مقدار خطا هنوز مخالف صفر باشد، مراحل بالا آن‌قدر تکرار می‌شود تا خطا به حداقل برسد.

به طور کلی، سیستم‌های کنترل از نظر ساختاری به دو دسته مدار باز و مدار بسته تقسیم می‌شوند که تفاوت اصلی آن‌ها در وجود یا عدم وجود «بازخورد» از خروجی فرآیند است.

در سیستم کنترل مدار باز، کنترل‌کننده هیچ اطلاعی از وضعیت واقعی خروجی ندارد و صرفاً بر اساس تنظیمات اولیه عمل می‌کند. به همین دلیل، دقت کنترل پایین‌تر بوده، اغتشاشات و عوامل ناخواسته تأثیر بیشتری بر عملکرد سیستم دارند و در بسیاری از موارد اتلاف انرژی و زمان رخ می‌دهد. این نوع سیستم‌ها معمولاً ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر هستند، اما برای فرآیندهای حساس یا پیچیده چندان مناسب نیستند.

در مقابل، در سیستم کنترل مدار بسته، خروجی فرآیند به طور مداوم اندازه‌گیری و با مقدار مطلوب مقایسه می‌شود. وجود بازخورد باعث می‌شود خطا تشخیص داده شده و اقدامات اصلاحی تا رسیدن به شرایط مطلوب تکرار شوند. در نتیجه، دقت، پایداری و کیفیت کنترل به شکل قابل توجهی افزایش می‌یابد و تأثیر اغتشاشات کاهش پیدا می‌کند، هرچند این سیستم‌ها از نظر ساختار و هزینه پیچیده‌تر هستند.

بنابراین، انتخاب بین کنترل مدار باز و مدار بسته به نوع فرآیند، میزان دقت مورد نیاز، شرایط کاری و ملاحظات اقتصادی بستگی دارد.