أنظمة المراقبة والتحكم
| English | العربية |
|---|---|
| preset value/ˈpriːset ˈvæljuː/ | قيمة مُعدَّة مسبقاً |
| actuator/ˈæktʃuːeɪtə/ | مؤثر |
| monitoring/ˈmɒnɪtərɪŋ/ | المراقبة |
| sensors/ˈsensəz/ | مستشعرات |
| control system/kənˈtrəʊl ˈsɪstəm/ | نظام تحكم |
| feedback/ˈfiːdbæk/ | تغذية راجعة |
| thermistor/ˈθɜːmɪstə/ | ثرمستور |
| ADC/ˌeɪ diː ˈsiː/ | ADC |
| feedback loop/ˈfiːdbæk luːp/ | حلقة تغذية راجعة |
المعلم الذي استاء من المقاطعات
- في عام 1883، كان وارن جونسون، معلم في كلية بولاية ويسكونسن، قد سئم من دخول عامل النظافة إلى فصله للتحقق من التدفئة.
- بنا جهازاً يحتوي على شريط من معدنين ينحني عندما تدفئ الغرفة وتبرد. عند درجة حرارة محددة، أغلق الدائرة وطبل جرساً في غرفة الغلاية.
- مستشعر، قيمة محددة مسبقاً، إشارة لشخص يتصرف، وغرفة يتم قياسها مجدداً لاحقاً: أول حلقة تحكم تلقائي في مبنى.
- اليوم، الحلقة عبارة عن معالج ومؤثر بدلاً من عامل النظافة، لكن الأجزاء متطابقة.
المراقبة والتحكم
- كلا النوعين من الأنظمة يقرأان المستشعرات. الفرق يكمن فيما يحدث بعد ذلك.
- نظام المراقبة يجمع القراءات أو يسجلها أو يعرضها ولا يتخذ أي إجراء، رغم أنه قد يصدر تحذيراً: محطة الطقس، أو جهاز مراقبة المريض الذي يصدر صفيراً.
- نظام التحكم يقارن كل قراءة بـ قيمة محددة مسبقاً، وإذا كانت خارج النطاق، يرسل إشارات إلى مؤثرات تغير العملية الفيزيائية: مثل ترموستات يشغل الغلاية.
المراقبة تبلغ؛ التحكم يتصرف ثم يقيء مجدداً
الفرق الجوهري بين نظام المراقبة ونظام التحكم هو أن نظام التحكم:
كلاهما يقرأ المستشعرات، لكن نظام التحكم يستخدم البيانات للتصرف (عبر المنفّذات)، بينما يقتصر المراقبة على جمع البيانات والإبلاغ عنها.
نظام المراقبة النقي يتخذ إجراءات عبر المنفّذات لتغيير بيئته.
المراقبة تجمع البيانات وتُبلغ عنها فقط — ولا تتخذ إجراءات. التصرف عبر المنفّذات هو ما يجعله نظام تحكم.
مثال محلول: وصف الفروق (3 درجات)
- نظام المراقبة يقيء فقط أو يسجل أو يعرض القراءات، وفي أقصى الحالات يصدر تحذيراً.
- نظام التحكم يقارن كل قراءة بقيمة محددة مسبقاً، وإذا كانت خارج النطاق، يرسل إشارات إلى مؤثرات تغير العملية.
- يتم قياس التغيير مجدداً، لذا يحتوي نظام التحكم على تغذية راجعة ولا يحتوي نظام المراقبة على ذلك.
- ثلاث نقاط، ثلاث درجات. الاختبار لأي نظام هو النقطة الثانية: هل يتخذ إجراءً بناءً على القراءة؟
يقارن نظام التحكم كل قراءة من المستشعرات بقيمة ____ ويتصرف فقط إذا كانت القراءة خارج النطاق.
المقارنة مع قيمة مخزنة ومحددة مسبقًا هي العلامة التي تفصل نظام التحكم عن الجهاز الذي يستجيب فقط.
المستشعرات
- المستشعر يحول كمية فيزيائية إلى إشارة كهربائية: درجة الحرارة (مقاومة حرارية أو ثرموكوبل)، الضغط (مقياس الانفعال)، الأشعة تحت الحمراء، الصوت، الضوء، الرطوبة.
- معظم إشارات المستشعرات تماثلية، لذا يقوم ADC (محول تماثلي-رقمي) بتحويلها إلى ثنائي قبل أن يتمكن المعالج من مقارنتها بأي شيء.
- سمِّ المستشعر الخاص بالكمية: "مستشعر درجة الحرارة" إجابة مقبولة، "مقاومة حرارية" أفضل منها.
المقاومة الحرارية: يتغير مقاومتها مع درجة الحرارة
المستشعر:
يقوم المستشقر بقياس العالم وإخراج إشارة. والمُنفّذ يفعل العكس — حيث يحول الإشارة إلى فعل.
المؤثرات
- المؤثر يقوم بعكس عمل المستشعر: يحول الإشارة القادمة من المعالج إلى فعل فيزيائي.
- المحركات تفتح الأبواب والصمامات، والمُسخّنات والمُبرّدات تُغيّر درجة الحرارة، والمضخّات تحرك الماء، والمُصمّت أو المصباح يُحذّر الشخص.
- مخرجات المعالج رقمية؛ حيث يحتاج المُشغّل إلى إشارة متغيرة، يقوم محوّل التناظري-الرقمي (DAC) بتحويلها أولاً.
المحرك: مُشغّل يحول الإشارة إلى حركة
صل كل جهاز بما إذا كان مستشعرًا (دخل) أو منفّذًا (خرج).
يحول المستشقر كمية فيزيائية إلى إشارة؛ ويحول المنفذ الإشارة إلى فعل فيزيائي.
أي مما يلي يُعدّ منفذًا؟
المُنفّذ ينفذ فعلًا (محرك، صمام، سخان، جرس). الباقي هم مستشعرات/مدخلات.
حلقة التحكم
- المستشعر يقيس. ويحوّل ADC القراءة إلى رقمي. ويقارن المعالج قيمة القياس بالقيمة المُحدّدة مسبقاً.
- إذا كانت القراءة خارج النطاق، يرسل المعالج إشارة إلى مُشغّل، الذي يُغيّر العملية.
- يقيس المستشعر مرة أخرى، وتُكرر الحلقة. إن هذا القياس المتكرر بعد كل إجراء هو حلقة التغذية الراجعة.
حلقة التغذية الراجعة للتحكم
تكرار حلقة التحكم مثل الترموستات أو الطيار الآلي. نظام التحكم لا يقرأ العالم فحسب — بل يتصرف، ثم يعيد القياس، ويصحح نفسه مرارًا وتكرارًا.
رتب مراحل دورة واحدة حول حلقة التحكم.
قياس، تحويل، مقارنة، عمل، قياس مرة أخرى. الخطوة الأخيرة هي ما يجعلها تغذية راجعة.
مثال محلّى: الباب التلقائي
- صف كيف يفتح نظام الباب عندما يكون شخص ما على مسافة 2 متر ويغلقه عند عدم وجود أحد.
- يقيس مستشعر تحت أحمر أو موجات فوق صوتية المسافة إلى أي شيء أمام الباب. ويحوّل ADC القراءة التناظرية ويرسلها للمعالج.
- يقارن المعالج المسافة بالمسافة المحددة مسبقًا 2 متر. إذا كانت أقل، يرسل إشارة إلى المحرك (Actuator)، وهو محرك كهربائي، لفتح الباب.
- يستمر المستشعر في القياس. عند عدم وصول أي قراءة أقل من 2 متر، يرسل المعالج إشارة للمحرك لإغلاق الباب. يعد القياس المتكرر هو التغذية الراجعة.
أي من هذه العناصر ينتمي إلى نظام الباب التلقائي؟ حدد جميع الخيارات الصحيحة.
المستشعر، المحول، قيمة المقارنة والمؤثر هي الأجزاء العاملة. الطابعة تكون مرفقة للمراقبة؛ ولا تلعب دوراً في فتح الباب.
مثال محلّى: الصوبة الزراعية
- حافظ على درجة حرارة الصوبة بين 20 °C و 26 °C. يقرأ الثرمستور درجة الحرارة؛ ويُرقّمها ADC؛ ويقارن المعالجها بحدّي القيمة المُحدّدة مسبقاً.
- تحت 20 °C: تُرسل إشارة لمُشغّل المُسخّن لتشغيله. فوق 26 °C: تُرسل إشارة للمحرك لفتح فتحة التهوية وإيقاف المُسخّن.
- داخل النطاق: لا إجراء، لكن ما تزال القراءة تُؤخذ. ثم تُكرر الحلقة.
- كل إجابة لنظام تحكم تحتوي على هذه الخمسة أجزاء: مستشعر، وADC، ومقارنة بحدّ مُحدّد مسبقاً، ومُشغّل، والقياس مرة أخرى.
لماذا التغذية الراجعة مهمة
- بدون تغذية راجعة، لا يستطيع النظام معرفة ما إذا كان إجراءه قد نجح، لذا لا يمكنه تصحيح نفسه أو معرفة متى يتوقف. مُسخّن بدون تغذية راجعة لدرجة الحرارة سيُسخّن إلى الأبد.
- التغذية الراجعة تسمح للنظام أيضاً بالاستجابة لتغيير العالم تلقائياً: باب فُتح باليد، غطاء سحابي فوق الصوبة.
- نظام المراقبة ليس له تغذية راجعة لأنه لا يُغيّر شيئاً. لا يمكنه إلا الإبلاغ أو التحذير.
لماذا تعد التغذية الراجعة ضرورية في نظام التحكم؟
تغذية راجعة تغلق الحلقة: يغير المؤثر البيئة، يعيد المستشعرات قياسه، ويعدل النظام — على سبيل المثال، يوقف المنظم الحراري التسخين بمجرد الوصول إلى الهدف.
صل كل نظام بنوعه.
رفع الإنذار لا يزال يُعدّ تقريراً. فقط النظام الذي يغير العملية المادية عبر مؤثر هو نظام تحكم.
علامات ضائعة
- نظام المراقبة لا يستخدم المُشغّلات. إذا كانت إجابتك تتضمن محطة الطقس تشغيل شيء ما، فقد تحولت إلى نظام تحكم.
- إشارات المستشعرات تناظرية. قل أن ADC يحولها قبل أن يقارن المعالج.
- المقارنة تكون مع قيمة محددة مسبقًا. "يتخذ المعالج قرارًا" لا تمنح علامة؛ "يقارن القراءة مع 2 متر المُخزنة" هي الإجابة الصحيحة.
- قل أن الحلقة تُكرر. نقطة التغذية الراجعة هي الأكثر تركاً عادةً.
لقد فهمت الأمر
- المراقبة = قراءة المستشعرات، وتسجيل أو عرض البيانات، وأقصى حد التحذير؛ التحكم = المقارنة بـقيمة مُحدّدة مسبقاً، والتصرف عبر المُشغّلات، والقياس مرة أخرى
- المستشعر يحول كمية فيزيائية إلى إشارة، عبر ADC؛ والمُشغّل يحول الإشارة إلى إجراء
- الحلقة: مستشعر → ADC → مقارنة → مشغّل → قياس مرة أخرى؛ التكرار هو التغذية الراجعة
- صف أي نظام تحكم بهذه الخمسة أجزاء، بنفس الترتيب