Measurement And control

Training Program in

Measurement and control Prepared by

Eng. Ibrahim Taher

June / 2011 KEEP OUR EFFORTS ROLLING

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

?Sensors – A device which provides a usable output in response to a specified measurand

• • •

A sensor acquires a physical quantity and converts it into a signal suitable for processing (e.g. optical, electrical, mechanical) Nowadays common sensors convert measurement of physical phenomena into an electrical signal Active element of a sensor is called a transducer

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

?Transducer A device which converts one form of energy to another When input is a physical quantity and output electrical → Sensor When input is electrical and output a physical quantity → Actuator Sensors Physical parameter

Electrical Output

Actuators Electrical Input

Physical Output

e.g. Piezoelectric: Force -> voltage Voltage-> Force

=> Ultrasound!

Microphone, Loud Speaker

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Commonly Detectable Phenomena •Biological •Chemical •Electric •Electromagnetic •Heat/Temperature •Magnetic •Mechanical motion (displacement, velocity, acceleration, etc.) •Optical •Radioactivity

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Common Conversion Methods •Physical –thermo-electric, thermo-elastic, thermo-magnetic, thermo-optic –photo-electric, photo-elastic, photo-magnetic, –electro-elastic, electro-magnetic –magneto-electric •Chemical –chemical transport, physical transformation, electro-chemical •Biological –biological transformation, physical transformation

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Commonly Measured Quantities

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Stimulus‫المنبه‬

Quantity

Acoustic‫صوتي‬

Wave (amplitude, phase, polarization), Spectrum, Wave Velocity

Biological & Chemical Electric

Magnetic

Fluid Concentrations (Gas or Liquid) Charge, Voltage, Current, Electric Field (amplitude, phase, polarization), Conductivity, Permittivity Magnetic Field (amplitude, phase, polarization), Flux, Permeability

Optical

Refractive Index, Reflectivity, Absorption

Thermal

Temperature, Flux, Specific Heat, Thermal Conductivity

Mechanical

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Position, Velocity, Acceleration, Force, Strain, Stress, Pressure, Torque

: Physical Principles • Amperes’s Law – A current carrying conductor in a magnetic field experiences a force (e.g. galvanometer) • Curie-Weiss Law – There is a transition temperature at which ferromagnetic materials exhibit paramagnetic behavior • Faraday’s Law of Induction – A coil resist a change in magnetic field by generating an opposing voltage/current (e.g. transformer) • Photoconductive Effect – When light strikes certain semiconductor materials, the resistance of the material decreases (e.g. photoresistor)

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Choosing a Sensor

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Need for Sensors • Sensors are pervasive. They are embedded in our bodies, automobiles, airplanes, cellular telephones, radios, chemical plants, industrial plants and countless other applications. • Without the use of sensors, there would be no automation !!

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

PHASE LINEARITY • Describe how well a system preserves the phase relationship between frequency components of the input • Phase linearity: =kf • Distortion of signal – Amplitude linearity – Phase linearity

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

SENSOR TECHNOLOGY TERMINOLOGY • Transducer is a device which transforms energy from one type to another, even if both energy types are in the same domain. – Typical energy domains are mechanical, electrical, chemical, magnetic, optical and thermal. • Transducer can be further divided into Sensors, which monitors a system and Actuators, which impose an action on the system. – Sensors are devices which monitor a parameter of a system, hopefully without disturbing that parameter.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

CATEGORIZATION OF SENSOR • Classification based on physical phenomena – Mechanical: strain gage, displacement (LVDT), velocity (laser vibrometer), accelerometer,‫ منحدر‬tilt meter, viscometer, pressure, etc. – Thermal: thermal couple – Optical: camera, infrared sensor – Others … • Classification based on measuring mechanism – Resistance sensing, capacitance sensing, inductance sensing, piezoelectricity, etc. • Materials capable of converting of one form of energy to another are at the heart of many sensors. – Invention of new materials, e.g., “smart” materials, would permit the design of new types of sensors.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

PARADIGM OF SENSING SYSTEM DESIGN

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

INSTRUMENTATION CONSIDERATIONS • • • • • • •

Sensor technology; Sensor data collection topologies; Data communication; Power supply; Data synchronization; Environmental parameters and influence; Remote data analysis.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

MEASUREMENT Physical phenomenon

Measurement Output

Measurement output: •interaction between a sensor and the environment surrounding the sensor • compound response of multiple inputs Measurement errors: •System errors: imperfect design of the measurement setup and the approximation, can be corrected by calibration •Random errors: variations due to uncontrolled variables. Can be reduced by averaging.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

SENSORS Definition: a device for sensing a physical variable of a physical system or an environment Classification of Sensors 1.Mechanical quantities: displacement, Strain, rotation velocity, acceleration, pressure, force/torque, twisting, weight, flow 2.Thermal quantities: temperature, heat. 3.Electromagnetic/optical quantities: voltage, current, frequency phase; visual/images, light; magnetism. 4.Chemical quantities: moisture, pH value

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

SPECIFICATIONS OF SENSOR • • •

•

Accuracy: error between the result of a measurement and the true value being measured. Resolution: the smallest increment of measure that a device can make. Sensitivity: the ratio between the change in the output signal to a small change in input physical signal. Slope of the input-output fit line. Repeatability/Precision: the ability of the sensor to output the same value for the same input over a number of trials

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

ACCURACY VS. RESOLUTION True value

measurement

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

ACCURACY VS. PRECISION

Precision without accuracy

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Accuracy without precision

Precision and accuracy

( FLOW INSTRUMENTS ) ((‫اجهزة التدفق‬ Flow Meters Shortcut to The Differential Pressure Flow Measuring Principle (Orifice-Nozzle-Venturi).flv.lnk

Numerous types of flow meters are available for closed-piping systems. In general, the equipment can be classified as 1)differential pressure. ( ‫)فرق الضغط‬ 2)positive displacement. ( ‫)الازاحة الموجبة‬ 3)velocity, and mass meters. ( ‫)السرعة وقياس الكتلة‬ Positive displacement meters include piston, oval-gear, rotating-disk, and rotaryvane types. Velocity meters consist of turbine, vortex shedding, electromagnetic, and sonic designs. Mass meters include Coriolis and thermal types. The measurement of liquid flows in open channels generally involves weirs

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

1. Positive Displacement Flow Meter (‫الازاحة الموجبة‬

Flow meters use two rotating impellers driven by the flowing liquid. This activates a sensor which generates a pulsed output signal. Each pulse represents a known volume of liquid that is captured in between the lobes of the impellers. A K-factor converts the pulses into engineering units for remote data collection and digital display.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

2. Magnetic Flow Meter ‫قياس التدفق المغناطيسي‬

Electromagnetic Flow .flv.lnk

The operating principle of magnetic flow meters is based upon Faraday's Law of electromagnetic induction, " It states that a voltage will be induced in a conductor moving through a magnetic field." Faraday's Law: Where E= kBDV E = Induced Voltage, B = Strength of the magnetic field, D = Conductor Width, V = Velocity of the conductor

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

.The magnitude of the induced voltage E is directly proportional to the velocity of the conductor V, conductor width D, and the strength of the magnetic field B. Magnetic field coils placed on opposite sides of the pipe generate a magnetic field. As the conductive process liquid moves through the field with average velocity V, electrodes sense the induced voltage. The width of the conductor is represented by the distance between electrodes. The only variable in this application of Faraday's law is the velocity of the conductive liquid V because field strength is controlled constant and electrode spacing is fixed. Therefore, the output voltage E is directly proportional to liquid velocity, resulting in the linear output of a magnetic resulting in the linear output of a magnetic flow meter

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

3. Ultrasonic Flow Meter (( ‫قياس التدفق فوق صوتي‬

Ultrasonic Flow Principle.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Ultrasonic Flow Meter. 3

Measures the velocity of particles moving with the flowing fluid. Signals of known frequency are transmitted, reflected from particles, and are picked up by a receiver. The received signals are analyzed for frequency shifts and the resulting mean value of the frequency shifts can be directly related to the mean velocity of the particles moving with the fluid.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Turbine Flow Meter. 4 Shortcut to Turbine Flow Meters vs . Oval Gear Flow Meters .flv.lnk

Fluid flowing through the meter impacts an angular velocity to the turbine rotor blades, which is directly proportional to the linear velocity of the liquid. The degree of the angular velocity or number of revolutions per minute of the turbine rotor is determined by the angle of the rotor blades to the flowing stream of the approach velocity. 5. Open Channel Flow Meter Measurement of flow rates in open channels is difficult because of nonuniform channel dimensions and variations in velocities across the channel. Weirs allow water to be routed through a structure of known dimensions, permitting flow rates to be measured as a function of depth of flow through the structure. Thus, one of the simplest and most accurate methods of measuring water flow in open channels is by the use of weirs.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Vortex Flow Meter. 6 Shortcut to The Vortex Flow Meas uring Principle.flv.lnk

The operation of a vortex meters that the medium flows against the trapezoidal bluff body inside the vortex body and separates from the body surface periodically forming vortices. The vortex shedding creates pressure differences behind the bluff body which will act on the vortex detection area. A piezoelectric sensor element inside the bluff body detects the force of the vortex shedding and supplies a sinusoidal altering voltage with a frequency corresponding to the vortex frequency thus being proportional to the flow velocity. The transmitter will convert the sensor signal and finally supply an analog signal for further processing.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Mass Flow Meter. 7 Shortcut to The Coriolis Flow Meas uring Principle.mvi.lnk

The heart of the device is a Coriolis sensor design, which measures low flow independent of the fluid type or process variables. The Carioles Effect is based on fundamental Newtonian physics (F = ma). You can witness this in your own backyard. Take your garden hose and shape it into a U, swing the U shape back and forth with no water running through it. Now while you continue to swing the hose, have another individual turn on the water. You will notice that the hose will twist; this twisting is the Carioles. Effect. The deflection of the hose is directly proportional to the mass of the fluid flowing through it. Types: 1. Carioles Mass Flow Meter for gas or liquid 2. Thermal Mass Flow for gas both can be digital or analog.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

8. Pulse Flow Meter The probe contains a horizontal wire-grid heating element and thermistors (a transducer that coverts the temperature of the flow to electrical current) located above and below it. Apertures in the tool permit the free flow of well fluid through the assembly. Pulses of electric current are applied to the heating grid under surface command, warming fluid in the vicinity of the grid. The warm fluid front migrates towards the thermistors where it is detected.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

9. Mechanical Flow Meter Flow Meter features a radial vaned impeller, mounted on a vertical spindle, within a uniquely designed cylindrical measuring chamber. This measuring chamber is sealed in position, within a vertically compartmentalized meter housing. The flowing water impacts on the impeller blades causing them to rotate. This flow path causes the water level to rise within the radial chambers of the rotating impeller and exit the measuring chamber through another series of tangential orifices, located in the upper (discharge) compartment of the external meter housing. Meanwhile, the rotating impeller is magnetically coupled to the mechanical register, hermetically isolated in a stainless steel seal cup, on top of the meter.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Piston Flow Meter. 10 A positive displacement meter that has a unique inline design consisting of three reciprocating pistons operating within their respective measuring chambers, where each piston works in a manner similar to an automobile engine. The pistons are fitted to a wobble plate, which has a shaft extending from its upper surface and a valve pivot attached beneath it. The valve pivot drives a sliding valve from piston to piston as a known amount of product flows through each cylindrical bore, controlling the sequence of events in a smooth mechanical motion. This smooth mechanical motion is then transferred through the calibrator to the register.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Flow Switches (‫( مفاتيح التدفق‬ Liquid switches are ideal for pump and process protection; gas switches for filter and process protection. Switch state is selectable from normally open or normally closed. The instrument operates by measuring a temperature differential between a heated and a reference temperature sensor (see figure ).

An extremely low power heating element is attached to a temperature sensor and a second temperature sensor is isolated from the heater to provide compensation for changing process temperature. The electronics measure the differential and can be adjusted to switch at any flow listed in the flow switch range chart.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Flow Indicator ‫مؤشر التدفق‬ Visual flow indicators with window

These are flow indicators for the visual control of liquids in industrial process and for the external mechanical detection of .very dirty liquids

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Flow Transmitters ‫مجس التدفق‬

Shortcut to flow meter display.flv.lnk

.provide electrical output proportional to flow input : Flow transmitters

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

LEVEL METERS Contact Meters Shortcut to level meas vibrator.flv.lnk 1. Float Level Meter utilizes magnetic float to track the level of the liquid which activates an array reed switches within the stainless steel probe 2.Switch Level Meter When the magnetic field of permanent magnet inside the float is moved into to the proximity of the reed switch inside, the reed switch "snaps" the contact together and closes the electrical circuit. When the magnetic field is moved away from the reed switch, the reed ((‫ذراع‬switch does not touch. The circuit is open.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Non Contact Meters 1. Gamma Meter Used for toxic and highly aggressive media

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Shortcut to Gamma Modulator.flv.lnk

Radar Level Meter. 2

Shortcut to Using Radar to measure the height in storage tanks.flv.lnk

Measuring the level of the liquid by sending and receiving radar signal and calculate distance of height as S= V* t/2 (t :elapsed time for sending& receive Radar signal.

Shortcut to Micropilot M.flv.lnk

3. Capacitance Level Meter the electrode of the meter forms an electrical capacitor with the surrounding metal container wall. With the vessel empty an initial capacitance exists between the electrode and the metal wall. When the probe becomes covered with the liquid ,the value of this capacitor increases and the capacitance change is measured and converted to an output signal proportional to the capacitance change.

Shortcut to active build-up compensation - Capacitive probes2.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

X-Ray Level Meter .4 Level Transmitter Pressure-type level sensing transmitter

Shortcut to tank vision.flv.lnk 5. Level Indicator A float containing a magnet rises and falls with the liquid. As the float moves, this information is transferred to the indication rail mounted on the outside of the tube. The white and red indication flaps represent air and liquid level respectively.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

WEIGHNG INSTRUMENTS 1) Load Cells There are different types of Load cells used for different purposes: a) low capacity load cells. b) mid range load cells. c) high range load cells. 2)Weighing Indicators There are different types of indicators used for different purposes.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Weigh Feeders. 3 Although "weight-loss" weigh feeding is now a proven, highly accepted concept - with the operating principle employed by the various weight-loss feeder manufacturers similar in nature - distinct functional and physical differences do exist… differences that determine the true viability of the feeder and the type of overall performance that a user can realistically expect.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

PRESSURE INSTRUMENTS 1.

Pressure Gauges Industrial (( ‫ساعات الضغط‬

Safety pattern. 3.

2

Shortcut to How Pressure Gauges are Made.flv.lnk

Differential pressure ( ‫) فرق الضغط‬

Shortcut to diff Pressure Gauges.ivr.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

S hortcut to Pres s ure s witch.flv.lnk

4. Pressure Switch Pressure is sensed by a diaphragm that generates a force proportional to the applied pressure this force is opposed by an adjustable spring which, at the point of equilibrium permits movement of an operating rod which actuates a switch or switches. 5.Transmitter Liquid, gas, and vapor applications,

1.Indicator Liquid, gas, and vapor applications.

Shortcut to Electronic production for level and pres s ure ins truments.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

T TEMPERATURE INSTRUMENTS 1.Temperature Gauges Many types for different usage . General service gauges, Temperature industrial gauges for demanding applications, food, heating/air conditioning and refrigeration industries, measure the temperature of diesel exhaust, for use in the HVAC industry for hot water lines, boilers heating, etc 1.Temperature Switches Temperature switches incorporate two temperature-dependent references and a comparator. One reference exhibits a positive temperature coefficient and the other a negative temperature coefficient (see Figure). The temperature at which the two reference voltages are .equal determines the temperature trip point

Shortcut to important Principles of Instrumentation and Process Control - Sample.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Temperature Sensor: RTD • •

Resistance temperature device (RTD) R=100 ohm+0.4 ohm X degree centigrade .

R  R 0[1   (T - T0)]

R  R0 e

 1 1    T T0  



S hortcut to Temperature meas urement in dialog.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Other Temperature Sensors • Thermistor

Therm { 1 2 3 istor

•

Thermocouple: Seeback effect to transform a temperature difference to a voltage difference

Thermal Resistor

 Eg  R  exp   2 kT   KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Capacitance Transducers—I • Recall, capacitance of a parallel plate capacitor is:

 r 0 A C d – A: overlapping area of plates (m2) – d: distance between the two plates of the capacitor (m) Air escape hole

0 – r : –

: permittivity of air or free space 8.85pF/m dielectric constant

air

•The following variations can be utilized to make capacitance-based sensors. –Change distance between the parallel electrodes. –Change the overlapping area of the parallel electrodes. Parallel plate capacitor –Change the dielectric constant.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Fuel tank

Shortcut to Thermistor vs RTD vs Thermocouple.flv.lnk

Temperature Sensors For various applications For example: a. Resistance Temperature Detector Thermometer Required by the process industry. A Resistance Temperature Detector (RTD) is a temperature responsive device based on a predictable resistance change in the sensing element. 100 OHM @ ZERO DEGREE 100+0.4 OHM/ CETEGRADE

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Temperature Transmitters It converts an RTD's (resistance temperature detector's) resistance signal into a current proportional to the RTD's temperature.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Thermometers 1.Infrared Thermometers

How Thermocouple work How hot is a lighter flame .flv.lnk

The most basic design consists of a lens to focus the infrared (IR) energy on to a detector, which converts the energy to an electrical signal that can be displayed in units of temperature after being compensated for ambient temperature variation. This configuration facilitates temperature measurement from a distance without contact with the object to be measured.

Temperature-Measuring Pyrometer Fluke 62.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

.Analog Thermometer : many types for different usage. 2 3. Digital Thermometers: many different types for example For environmental testing

water resistance pocket thermometer

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

VIBRATION Vibration Switches

:Applications Fans, Cooling Towers Motors, Pumps Blowers, Compressors Crushers, Shredders, Hammer Mills Rotating Machinery Monitoring. Switch Output for PLC's

Shortcut to important Fluke 810 Vibration Meter.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Vibration Monitors It provides vibration monitoring for rotational equipments

Applications: Fans, Cooling Towers Motors, Pumps Blowers, Compressors

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Vibrating Sensors Critical to vibration monitoring and analysis is the machine mounted sensor. Three parameters representing motion detected by vibration monitors are displacement, velocity, and acceleration. These parameters are mathematically related and can be derived from a variety of motion sensors. Selection of a sensor proportional to displacement, velocity or acceleration depends on the frequencies of interest and the signal levels involved.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Displacement Sensors are used to measure shaft motion and internal clearances. Monitors have used non-contact proximity sensors such as eddy probes to sense shaft vibration. Velocity Sensors are used for low to medium frequency measurements. They are useful for vibration monitoring and balancing operations on rotating machinery. As compared to accelerometers, velocity sensors have lower sensitivity to high frequency vibrations. Accelerometers are the preferred motion sensors for most vibration monitoring applications. They are useful for measuring low to very high frequencies and are available in a wide variety of general purpose and application specific designs. The piezoelectric accelerometer is unmatched for frequency and amplitude range. The piezoelectric sensor is versatile, reliable and the most popular vibration sensor for machinery monitoring.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

SENSORS Proximity Switches

Operation by the Eddy Current Killed Oscillator (ECKO) principle, which is used to detect metallic objects passing in front of the sensing face. Once a target metal is detected, a trigger signal is produced which is then passed through the output conditioning circuitry to give a high or low output,

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

depending on the sensor application. A comprehensive range of AC or DC inductive and capacitive proximity switches are available in a variety of packages from short barrels, standard barrels, and DIN standard limit switch styles. Housing materials include Nickel-plated brass, Plastic and Stainless Steel which suit a wide range of installation environments. The proximity switches offer a sensing range of 0 - 40 mm allowing a wide variety of targets to be detected. Typical applications: 1.speed switch . 2.limit switch .

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Optical Sensors In the following category, sensors are generally based either on measuring an intensity change in one or more light beams or on looking at phase changes in the light beams by causing them to interact or interfere with one another. Thus sensors in this category are termed either intensity sensors or interferometric sensors. Techniques used in the case of intensity sensors include light scattering , spectral transmission changes (i.e., simple attenuation of transmitted light due to absorption), microbending or radioactive losses, reflectance changes, and changes in the modal properties of the fiber.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Optical Sensor Measurements

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Sensors for Other Purposes Photoelectric Sensors: Ideal for applications requiring a continuously variable control voltage that is either directly or inversely related to photoelectric sensing response. Inductive Sensors: primarily used to detect metal parts and objects, these sensors are used extensively in packaging and plastics machines. Capacitive Sensors: detect most materials - conductive and non-conductive. This makes them ideal for level detection in raw plastic delivery systems and in agricultural applications. Ultrasonic Sensors send out a sound wave which is reflected back by the object being detected, typical applications are for level detection and monitoring in tanks, parts detection, and diameter measuring in winding machinery.

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

CALIBRATORS Different types , For example: 1.Pressure Calibrators

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

1.Temperature Calibrators

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

1.Electrical Calibrators

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

PLC PLC‫التحكم المنطقي المبرمج‬

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

‫تعريف ‪PLC‬‬ ‫‪PLC‬‬

‫هي اختصار للجملة‬ ‫‪CONTROLLER PROGRAMMABLE LOGIC‬‬

‫ومعنى ذلك المتحكم المنطقي المبرمج وهو جهااز تم تطويره للتستعاضه عن التحكم‬ ‫الكهربائي التقليدي الذي يستخدم‬

‫المؤقتات الزمنية )) ‪ TIMERS‬والمرحلت‬

‫(‪) RELAYS‬و مفاتيح التلمس المغناطيسية (‪) CONTACTORS‬والعدادات‬ ‫((‪ COUNTERS‬وغيرها‪.‬‬ ‫وكل ذلك من أجل التحكم في اللت والماكنات الصناعية ‪ ،‬وعلى تسبيل المثال‬ ‫ماكنات التعبئة والتغليف في المصانع والصحف والخشاب والسيارات إلى غير ذلك ‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫ويقوم جهااز ‪ PLC‬بالنظر الى المداخل وهي ‪ INPUT‬واعتمادا الى حالتها ‪ ON/OFF 0/1‬ومن‬ ‫خلل البرنامج في داخل ‪ PLC‬يقوم بالتحكم بالمخارج ‪. OUTPUT‬‬ ‫ويقوم المستخدم عادة بادخال البرنامج بواتسطة برنامج خاص بجهااز ‪ PLC‬المستخدم ‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫بعض أنواع المداخل والمخارج المتصلة بالمتحكم المنطقي المبرمج‪PLC‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫ أنواع الشارات فى تكنولوجيا أنظمة التحكم‬‫) ‪( Type of signals in control system technology‬‬ ‫الإشارات الكهربية التى تستخدم فى أنظمة التحكم الكهربائى نوعان ‪-:‬‬ ‫‪.BINARY SIGNAL- 1‬‬ ‫‪.ANALOG SIGNAL- 2‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

‫تقنيـة التحكـم اللـي‬ Control Technology

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

‫قيمة الدخل أو نقطة الضبط‬ ‫• للحفاظ على درجة حرارة ثابتة عند ‪ 18‬درجة مئوية‪ ،‬هو مثال حي على فكرة التحكم في‬ ‫قيمة نقطة الضبط‪.‬‬ ‫• الهدف هنا هو ضبط القيمة الحالية لدرجة الحرارة قريبة قدر المكان من درجة الحرارة‬ ‫المراد الحص ول عليه ا باعتبار المؤثرات الخارجي ة)درج ة الحرارة خارج الغرف ة أو‬ ‫التشويش‪ ...‬فتح نافذة مثل‪ (.....‬مما يؤدي إلى تغيير درجة حرارة التغذية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫المتابعة أو التحكم المؤاازر‬ ‫• مثال على هذا النوع من التحكم المسمى بالتتابع أو المؤازر هو قيادة السيارة بالتحكم‬ ‫في عناصر القيادة للنظام الممثل بالسيارة‪ .‬مثل تدوير العجلت‪ ،‬التحكم في الكابح‪.‬‬ ‫يحاول السائق متابعة مسار محدد على الطريق‪ .‬تؤثر العوامل الخارجية) مثل الريح‪،‬‬ ‫الضباب‪ ،‬كثافة المرور‪ (....‬على التحكم في السيارة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫مبدأ التحكم اللي‬ ‫الحلقة المغلقة‬ ‫• مبدأ الحلقة المغلقة ليس من اختراع النسان بل هو يستخدمه في حياته‪ ،‬مثل ثبات‬ ‫درج ة حرارة النس ان والحيوانات‪ ،‬ضب ط كثاف ة الضوء ف ي حدق ة عين ي النسان‬ ‫والحيوان‪....‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم اللي في العصور القديمة‬ ‫• حتى في الزمنة القديمة استغل النسان مبدأ التحكم اللي‪ .‬فمثل‪ ،‬في ميدان التحكم‬ ‫في ارتفاع مستوى الماء‪ ...‬فرغم مرور الزمن بقي هذا المبدأ مستغل حتى الن‪،‬‬ ‫ويعتقد البعض أنه من ابتكارات العصور الحديثة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫حاكم واط‬ ‫• أول تطبيق صناعي لمبدأ التحكم اللي نفذه جامس واط ‪ James Watt‬سنة ‪.1769‬‬ ‫• فقد بين واط ‪ Watt‬أن سرعة دوران آلة البخار يعتمد كثيرا على الحمل‪ ،‬وكان مرهقا‬ ‫للفني ضبط تدفق البخار حسب الحمل‪ .‬لذلك اكتشف واط‪ Watt‬حاكم الدفع المركزي‬ ‫للحفاظ على السرعة ثابتة‪ ،‬رغم تغير الحمل‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫كيف يعمل حاكم الدفع المركزي؟‬ ‫• عندما يدور محور قيادة الحاكم والكرتان بسرعة فائقة‪ ،‬تطير الكرتان الثقيلتان إلى‬ ‫الخارج وإلى العلى‪ .‬وكنتيجة يقلل حاكم واط ‪ Watt‬من تدفق البخار إلى البيسطون‬ ‫‪ Piston‬من خلل التروس وهذا يؤدي إلى تخفيض سرعة الدوران‪ .‬وعندما تنزل‬ ‫الس رعة إل ى أدن ى ح د تنخف ض الكرتان إل ى الس فل‪ ،‬وبهذا يزداد تدف ق البخار إلى‬ ‫البيسطون وبدوره يؤدي إلى ارتفاع سرعة الدوران‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫الدائرة)الحلقة( المفتوحة والدائرة المغلقة في حياتنا اليومية‬ ‫• المفردتان‪ :‬التحكم بدائرة مفتوحة والتحكم بدائرة مغلقة‪ ،‬تدلن على نمطين مختلفين من‬ ‫عمليات التحكم الفني‪ .‬العمليتان تشتركان في خاصية واحدة وهي محاولة التأثير)فنيا( على‬ ‫النظام لكي يس تجيب لمسار محدد‪ .‬لكن طريقتا عمل كل من هذين النمطين مختلفتان‪.‬‬ ‫الدائرة المفتوحة تعمل في مسار أمامي ول تتم عملية مقارنة الدخل بالخرج‪ .‬أما الدائرة‬ ‫المغلقة فهي تقارن الخرج بالدخل وبذلك تتم عملية تصحيح للحفاظ على خرج قريب من‬ ‫الدخل‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة‬ ‫• في حالة الدائرة المفتوحة لدينا عملية ذات مسار أمامي يتحكم فيها بدائرة مفتوحة‪.‬‬ ‫الرسم المرافق يفسر مبدأ التحكم في درجة حرارة غرفة بطريقة الدائرة المفتوحة‬ ‫باستخدام درجة الحرارة خارج البيت‪ .‬إذا حدث تشويش )مثل فتح نافذة في يوم بارد‬ ‫أو وجود مركز حرارة ثان داخل الغرفة( سوف تخفق وحدة التحكم في تسجيل درجة‬ ‫الحرارة الحقيقية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة ‪1‬‬ ‫• عناصر حلقة أو دائرة التحكم المفتوحة‬ ‫• الترمومتر الخارجي يستعمل كعنصر قياس لمتغيرة الدخل لحلقة التحكم‪ ،‬أي قيمة‬ ‫درج ة حرارة الج و الخارجي‪ .‬تحول درج ة الحرارة إل ى إشارة كهربائي ة )جهد‬ ‫كهربائي(‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة) العناصر(‪2‬‬ ‫• اعتمادا‪ ،‬مثل‪ ،‬على خاصية مناسبة لدرجة الحرارة الخارجية المزودة من طرف الحساس‪،‬‬ ‫تحدد وحدة التحكم الفتحة المناسبة لصمام التشغيل الواقعة داخل المسار‪ .‬هذا يعني أن متغيرة‬ ‫الدخل تمثل جهد الدخل بينما متغيرة الخرج تمثل جهد التحكم في المحرك المشغل للصمام‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة) العناصر‪(3‬‬ ‫• الصمام المشغل يتكون من عنصرين هما محرك التحكم في الوضع والصمام نفسه‪ .‬متغيرة‬ ‫دخل محرك التحكم في الوضع هي جهد خرج وحدة التحكم‪ .‬يفتح الصمام بفتحة مناسبة‬ ‫لقيمة هذا الجهد‪ .‬متغيرة خرج صمام التشغيل هو معدل حجم تدف ق الحرارة في قنوات‬ ‫التشغيل‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة )العناصر‪(4‬‬ ‫• السخان والغرفة يمثلن النظام المتحكم فيه‪ .‬يمكننا تسمية السخان بالمشغل‪ .‬يغذي السخان‬ ‫الغرفة بالحرارة حسب‬ ‫• قانون الدورة الحرارية‪ .‬درجة حرارة الغرفة تمثل خرج الدائرة المفتوحة‪.‬‬ ‫• دائرة التحك م ف ي درج ة الحرارة لنظام ‪ Com3Lab‬مكون م ن ترانزيستور دارلنغتون‬ ‫‪ Darlington‬متحكم فيه بواسطة جهد قاعدة توصيل اللوحة))‪ yt‬وحساس حراري من نوع‬ ‫‪ kyt 10 w‬تسمى نقطة الدخل أو المرجع‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة‬ ‫خواص الحساس‬ ‫• الحساس يحول درجة حرارة الترانزستور إلى جهد تماثلي يمكن تجزئنه عند نقطة‬ ‫التفري غ ‪ xt‬ف ي قاعدة التوص يل‪ .‬المركبتان تزدوجان باس تعمال توصيل حراري‪.‬‬ ‫الدايودات الثلثة ‪ LEDs‬تعطي الوضع الحالي لنظام التحكم‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائر المفتوحة‬ ‫تأثير التشويش‬ ‫• عند ظهور تشويش )‪ ( z‬في دائرة التحكم المفتوحة) فتح نافذة مثل أو إشعال نار داخل الغرفة(‬ ‫ل يسجل الحاكم أية حرارة لن درجة حرارة الغرفة ذاتها غير معروفة‪ .‬التشويش يمثل مصدر‬ ‫زيادة في درجة الحرارة ) ‪ (H‬داخل الغرفة )‪ .(R‬نتيجة التشويش تؤدي إلى ارتفاع أو انخفاض‬ ‫في درجة حرارة الغرفة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫مقدمة‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫الهدف من التحكم اللي‬ ‫الهدف الساسي من تكنولوجيا التحكم اللي هو الحفاظ على متغيرة نظام ثابتة)التحكم‬ ‫في نقطة الضبط( أو جعلها تتبع قيمة محددة‪ ،‬كمتابعة إشارة الساتيليت‪.‬‬ ‫استجابة النظام المرغوب الحصول عليها يمكن تغييرها بالتأثير على النظام بواسطة‬ ‫عوامل خارجية‪.‬‬ ‫أما مصادر التشويش الخارجية فيجب تقليلها إلى أقصى حد ممكن‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة‬ ‫نظام التحكم في درجة الحرارة‬ S hortcut to Temperature Controller.flv.lnk

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

‫التحكم بالدائرة المفتوحة‬ ‫• يجب معايرة درجة حرارة الحساس أول‪ .‬ونستخدم لهذا الغرض قاعدة التوصيل‬ ‫• ‪ 25ºc = υ‬و‪:ºc = υ 100‬وبذل ك يمك ن معايرة الحس اس بحس اب ‪U/υ‬وتحديد‬ ‫‪.‬مواصفاته تقريبا‬ ‫• لكن‪ ،‬المعايرة الصحيحة للحساس تتم باستخدام الترمومتر‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة‬ ‫• انطلقا من لوحة المحاكاة ‪ :‬نوصل ‪ xt‬بجهاز القياس ‪ Multi-meter‬لقياس الجهد )‪(V‬‬ ‫ونوصل ‪ Com‬بالرضي┴ ثم خرج)‪ (out‬مولد الشارات‪Function Generator‬‬ ‫بالدخل ‪ yt‬ونوصل الرضي بالرضي‪┴ .‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫• الن يمكنك البحث عن استجابة نظام في حالة التحكم بالدائرة المفتوحة‪ .‬وهي في هذه الحالة‬ ‫تتمثل في التحكم في درجة حرارة نظام عند حدوث تشويش خارجي‪ .‬للقيام بهذه العملية‪،‬‬ ‫نشغ ل النظام المتحكم فيه عند درجة حرارة دخ ل ˚ =‪ υ 60‬درجة مئوية‪ ،‬ثم مثل‬ ‫التشويش بتشغيل المروحة‪.‬‬ ‫→ ‪Z=0V‬‬ ‫=‪U‬‬ ‫• ‪V‬‬ ‫→ ‪Z= 5 V‬‬ ‫=‪U‬‬ ‫• ‪V‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫تأكد من الرسم المرافق بأن العلقة )‪ (Δx/Δy‬خطية ويمكن برهنتا كما يلي‪:‬‬ ‫)‪/ y1- y0) = m) (x1-x0‬‬ ‫حيث ‪ Δx/Δy = m‬تمثل الميل و ‪ y0, y1‬تمثلن تغير درجة الحرارة و‪ x0, x1‬تمثلن‬ ‫الجهد‪.‬‬ ‫تطبيق‪:‬‬ ‫‪m = (10-3)/(100-25) = 7/75 = 0.096‬‬ ‫‪X1=0.096(60-25)+3 = 3.4+3 = 6.4V‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المفتوحة‬ ‫ملخص‬ ‫• التجربة تبين أن تأثير التشويش ) تشغيل المروحة( يؤدي إلى انحراف درجة الحرارة‬ ‫عن مسارها المرغوب‪.‬‬ ‫• النحراف يتغير بتغير سرعة المروحة‪ .‬الدائرة المفتوحة ل تقاوم التشويش أو إزاحته‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫الدائرة المغلقة‬ ‫• عكس الحلقة المفتوحة‪ ،‬الحلقة المغلقة تحتوي على عملية تحكم مغلقة ‪ ،‬حيث تقارن القيمة‬ ‫المحددة عند الدخل بخرج النظام)القيمة الحالية( عن طريق تغذية خلفية‪ .‬الفرق)الخطأ( بين‬ ‫الدخل وقيمة التغذية الخلفية يعطينا فرقا يمكن التحكم فيه لتشغيل النظام تشغيل صحيحا‬ ‫والتقليل من )الخطأ( ‪ .‬الرسم المرافق يبين مبدأ عمل الحلقة المغلقة أو التحكم آليا في درجة‬ ‫حرارة غرفة‪.‬‬ ‫• المتغيرة المتحكم فيها هنا هي درجة حرارة الغرفة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫تأثير التشويش‬ ‫• عند ظهور تشويش في الحلقة المغلقة )فتح نافذة مثل( تنخفض درجة الحرارة فجأة‪ .‬لكن‬ ‫بما أن درجة حرارة الغرفة معروفة فإن الحاكم يسجل مباشرة هذا التغير)النحراف( بين‬ ‫درجة الحرارة المثبتة عند الدخل والقيمة الحالية ويعمل على رفع درجة الحرارة بفتح‬ ‫الصمام‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫النظام المتحكم فيه والمتغيرة المتحكم فيها‬ ‫• العنصر الساسي في دائرة التحكم هو العملية )‪(process‬المراد التحكم فيها والمسماة‬ ‫أيضا النظام المتحكم فيه أو ببساطة النظام‪ .‬في هذا المثال يتمثل النظام المتحكم فيه من‬ ‫التآلف بين السخان والغرفة‪ .‬متغيرة خرج النظام المتحكم فيه )المتغيرة المتحكم فيها( أي‬ ‫درجة حرارة الغرفة يرمز لها في الشكل المرافق ب ‪.w‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫مبدأ التغذية الخلفية‬ ‫• يرتكز مبدأ التحكم اللي على قياس المتغيرة المتحكم فيها وتغذيتها خلفيا)عكسها نحو‬ ‫الدخل( بما يسمى دائرة التغذية الخلفية‪ .‬وهذا يسمح بمقارنة مستمرة بين قيمة نقطة الدخل‬ ‫والقيمة الحالية بحيث يسمح الفرق بين الثنين للحاكم ‪ controller‬بتصحيح أي انحراف‬ ‫وتوجيه النظام للعمل الصحيح‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫المشغل والمتغيرة المعالجة‬ ‫• بما أن الحاكم عادة يولد إشارة قدرة ضعيفة لتوجيه النظام المتحكم فيه يجب استعمال وصلة‬ ‫بيني ة لتحوي ل الشارة بدقة‪ .‬تنس ب هذه الوص لة للمشغل‪ .‬ف ي هذا المثال تتكون من محرك‬ ‫الوضع وصمام التحكم ‪ .‬خرج المشغل يسمى المتغيرة المعالجة‪ .‬وتمثل متغيرة دخل النظام‬ ‫المتحكم فيه )السخان‪-‬الغرفة(‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫الحاكم وإشارة الخطأ‬ ‫• الحاك م يحوي الجزء الذك ي م ن دائرة التحك م عل ى شك ل خوارزمي ة تحكم‪ .‬يحتوي على‬ ‫المقارن وعنصر التحكم المامي والمسمى الحاكم )أو المتحكم(‪ .‬انطلقا من النحراف أو‬ ‫الفرق بين الدخل)المرجع( ومتغيرة التغذية الخلفية الذي يمثل الخطأ يتمكن الحاكم من تحديد‬ ‫تحكم مناسب للمشغل الموجود بداخل الدائرة‪.‬‬ ‫• يقوم المقارن بمقارنة القيم المطلوب تحقيقها التي تم وضعها عن طريق جزء الضبط مع قيم‬ ‫القياس )إشارات التغذي ة المرتدة( فنحص ل عل ى فرق)الخط أ(‪ .‬الحاك م يحدد مجال عمله‬ ‫انطلقا من قيمة الخطأ التي يحصل عليها‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫الحساس ومتغيرات التشويش‬ ‫• عنصر القياس المسمى‪ :‬الحساس يقيس المتغيرات الفيزيائية ‪ ) x‬الحرارة‪ ،‬السرعة‪ ،‬الضغط‪(.....،‬‬ ‫‪ ,‬لتوليد إشارة قياس مناسبة ليعمل بها الحاكم‪ .‬وتسمى أيضا متغيرة التغذية الخلفية )‪ . ( r‬وعادة‬ ‫تكون على شكل إشارة كهربائية‪ ،‬جهد أو تيار‪ .‬وتقارن هذه المتغيرة بمتغيرة الدخل)‪ (w‬التي يجب‬ ‫أن تكون من نفس الوحدة)كهربائية مثل(‪ .‬التشويش) )‪z‬يمكنه التأثير على النظام‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫البنية المختصرة للحلقة المغلقة‬ ‫• عادة يهم ل المشغ ل وعنص ر القياس وذلك باعتبار أ ن مهمتيهم ا تنس بان للحاك م أو النظام‬ ‫المتحكم فيه‪.‬‬ ‫• وهذا لتبسيط بنية الحلقة المغلقة)كما نلحظ في الشكل السفل( ‪ ،‬انطلقا من الشكل الصلي‬ ‫للحلقة المغلقة)الشكل العلوي(‪ .‬في الشكل المختصر إشارة الخطأ)‪ (e‬تحسب مباشرة من الفرق‬ ‫بين إشارة الدخل ‪)Reference‬المرجع( ‪ w‬المتحكم فيها ‪) x‬القيمة الحالية(‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫توصيل التجربة‬ ‫• ال ن نري د معرف ة اس تجابة دائرة التحك م ف ي درج ة الحرارة باس تعمال تشوي ش) تشغيل‬ ‫المروحة( والمقارنة مع نتائج التجربة في حالة الحلقة المفتوحة‪.‬‬ ‫• أول نستعمل حاكم تناسبي تماثلي)‪ (Analog P Controller‬قيمة المعامل التناسبي‪:‬‬ ‫‪ . Kp = 10‬الشكل المجاور يظهر مبدأ التحكم بالحلقة المغلقة‪ .‬هنا أيضا نستعمل إشارة‬ ‫الدخل )المرجع( ‪υ= 60º‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫توصيل التجربة‬ ‫•‬

‫•‬

‫كما سبق في نظام الحلقة المفتوحة ‪ :‬انطلقا من‬ ‫لوحة المحاكاة ‪ :‬نوصل ‪ xt‬بجهاز القياس المتعدد‬ ‫‪ Multi-meter‬لقياس الجهههد )‪ (V‬ونوصل‬ ‫‪ Com‬بالرضهههي┴ ثهههم خرج)‪ (out‬مولد‬ ‫الشارات‪ Function Generator‬بالدخ ل ‪w‬‬ ‫كما نوصل التغذية الخلفية يعني نوصل الخرج ‪xt‬‬ ‫لدرجة الحرارة بالمقارن عند الشارة السالبة ‪x‬‬ ‫وبذلك نحصل على الخطأ ‪ .e‬هذا الخطأ ‪ e‬سوف‬ ‫يحث الحاكم التماثلي )هنا اخترنا حاكما تناسبيا‬ ‫بقيمة ‪Kp‬‬ ‫= ‪ 10‬خرج الحاكم يضاف إلى قيمة التشويش‬ ‫‪ z‬ليعط ي الخرج ‪ y‬الذي يغذي النظام المتحكم‬ ‫فيه )التحكم في درجة الحرارة(‪.‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫نلح ظ أ ن الحاكمي ن ‪ I‬و ‪ D‬ملغيان) غير‬ ‫مؤثرين في هذه التجربة(‪.‬‬ ‫ونوصل الرضي بالرضي‪┴ .‬‬ ‫نحدد قيمة ‪ w‬باعتبار قيمة ‪ º υ= 60‬درجة‬ ‫مئوية‪.‬‬ ‫‪60º‬‬ ‫‪w= V=υ‬‬ ‫عند استعمال التشويش ‪ z‬نوصل ‪ 5V‬بالدخل ‪ys‬‬ ‫للمحرك ‪.((M‬‬ ‫→ ‪60º‬‬ ‫=‪w‬‬ ‫‪V=υ‬‬ ‫‪z=0‬‬ ‫→‬ ‫=‪x‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪z = 5V‬‬ ‫→‬ ‫=‪x‬‬ ‫‪V‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم بالدائرة المغلقة‬ ‫مختصر‬ ‫• عند استعمال حاكم تناسبي)‪ ،(P Controller‬نلحظ أن قيمة الدخل ل يمكن الحصول عليها‬ ‫بدقة‪ .‬بل نجد فارقا )إشارة خطأ( بين الدخل والخرج‪ .‬بعكس الحلقة المفتوحة‪ ,‬الحلقة المغلقة‬ ‫تقاوم التشويش وتعمل على إزاحته تقريبا‪ .‬وهذا يتم عن طريق التغذية الخلفية )حساب الفرق‬ ‫بين الدخل والتغذية الخلفية(‪ .‬وهذا هو مبدأ الحلقة المغلقة أو التغذية الخلفية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬

‫• مهمة مهندس التحكم اللي هو تصميم حاكم عملي ودقيق للنظام المراد التحكم فيه‪ .‬للوصول‬ ‫إلى هذا الهدف يجب أول تحليل النظام المراد التحكم فيه‪ .‬وتتم هذه العملية بتطبيق إشارة‬ ‫اختبار عند دخل النظام المراد التحكم فيه ومراقبة إشارة الخرج‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫• الناتجة‪ .‬الشكل المرافق يبين بعض إشارات الختبار التي يمكن استعمالها‪ .‬الشارة الكثر‬ ‫استعمال هي إشارة القفزة)الخطوة( ‪ . step function‬الشارات المذكورة والتي يمكن‬ ‫اس تخدامها هي‪ :‬إشارة الخطوة)القفزة( ‪ ،step Function‬إشارة النحدار ‪Ramp‬‬ ‫‪ ،Function‬إشارة النبضة ‪ ،Pulse Function‬إشارة الجيب ‪ .Sine Function‬يتم‬ ‫اختيار هذه الشارات من مولد الشارات ‪ Function Generator‬ويمكن تغيير سعة‬ ‫الشارة بتدوير الدائرة السوداء الموجودة تحت مولد الشارات‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫• نسمى استجابة النظام المتحكم فيه باستجابة الخطوة أو القفزة عندما تكون إشارة دخل النظام‬ ‫إشارة خطوة‪.‬‬ ‫• نوعي ة منحن ى الس تجابة ‪،‬عندم ا تكون إشارة الدخ ل إشارة خطوة‪ ،‬تعط ي معلومات عن‬ ‫مواصفات النظام المتحكم فيه‪ .‬الشكل المرافق يمثل بعض الستجابات لبعض النظم عندما‬ ‫تكون إشارة الدخل إشارة خطوة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫اتستجابة حالة التستقرار‬ ‫• الشك ل المرافهق ي بين الفرق بي ن الس تجابة الديناميكية‪) Dynamic‬الس تجابة الزمنية(‬ ‫والستجابة الساكنة )الستاتيكية(‪ Static‬أو ما يسمى بالستجابة في حالة الستقرار للنظم‪.‬‬ ‫هذه الخيرة )الستاتيكية( تمثل بالقيمة النهائية لحالة الستقرار )‪ (xo‬لمتغيرة الخرج‪ .‬وهي‬ ‫القيمة التي يستقر عندها النظام بعد المرور بمرحلة التغير أو العابرة) ‪ .(Transient‬نسبة‬ ‫للنظام المتحكم فيه أو عادة ما‬ ‫تسمى معامل التناسب‪Kp‬‬ ‫الخرج على الدخل ‪xo/yo‬‬ ‫يرمز لها ب ‪Ks .‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫المواصفات الستاتيكية‬ ‫• عند حساب النسبة ‪ x0/yo‬لعدة نقاط عملية )أي تعيين السعة ‪ yo‬التي تمثل استجابة‬ ‫الخطورة ( للنظام المتحكم فيه‪ ،‬ورسم العلقة بين ‪ yo‬و ‪) xo‬كما هو مبين بالشكل(‬ ‫سوف نحص ل على الخاص ية الس تاتيكية للنظام‪ .‬إذا كانت الس تجابة خطية‪ ،‬فإن النظام‬ ‫يسمى ستاتيكيا‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫مواصفات الراتسم‬ ‫• مواصفات راسم ‪ Com3Lab‬تسمح بعرض مواصفات دالة التحويل على شكل جدول‬ ‫ثنائي القيم تمثل العلقة بين الدخل والخرج‪ .‬ويمكن تعيين الميل في كل نقطة بقياس ‪ xo‬و‬ ‫‪ yo‬وحساب النسبة ‪.xo/yo‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫توصيل التجربة‬ ‫• الن‪ ,‬يمكن تعيين المواصفات الستاتيكية لنظام التحكم في درجة الحرارة‪ .‬للقيام بهذه‬ ‫العملية يجب تعيين القيمة النهائية لحالة الستقرار للجهد عند خرج الحساس)عند قاعدة‬ ‫التوصيل ‪ ( xt‬بدللة دخل النظام المتحكم فيه) عند قاعدة التوصيل ‪ (yt‬وترسم بواسطة‬ ‫الراسم ‪ .‬وهكذا يمكن رسم ‪ xt‬بدللة ‪.yt‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫توصيل التجربة‬ ‫• الن‪ ,‬يمكن تعيين المواصفات الس تاتيكية لنظام التحكم في درجة الحرارة‪ .‬للقيام بهذه‬ ‫العملية يجب تعيين القيمة النهائية لحالة الستقرار للجهد عند خرج الحساس)عند قاعدة‬ ‫التوصيل ‪ ( xt‬بدللة دخل النظام المتحكم فيه) عند قاعدة التوصيل ‪ (yt‬وترسم بواسطة‬ ‫الراسم ‪ .‬وهكذا يمكن رسم ‪ xt‬بدللة ‪.yt‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫• منحنى مواصفات نظام التحكم في درجة الحرارة يكون خطيا أو قريبا من الخطي في‬ ‫المنطقة المرسومة‪ .‬النظام له نفس معامل التناسب ‪ Kp‬لكل نقاط التشغيل‪ .‬لكن الخط ل‬ ‫يمر بنقطة الصفر‪.‬السبب هو أنه عندما يكون ‪ yt=0‬يظهر جهد ‪ xt > 0‬عند النقطة‬ ‫‪ .xt‬وكنتيجة يمكن تعيين ‪ Kp‬انطلقا من الميل الخطي‪Δxt/Δyt :‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫التستجابة الديناميكية‬ ‫• الستجابة الديناميكية)الستجابة الزمنية( للنظام المتحكم فيه‪ ،‬تتميز بالستجابة العابر بين‬ ‫قيمتي البداية والنهاية للخرج بعد تغيير إشارة الدخل‪ .‬عادة‪ ،‬النظم الفنية ل تعطي استجابة‬ ‫مباشرة للتغيرات عند الدخل إل بعد زمن تأخير‪ .‬ولهذا تسمى نظم تحكم متأخرة زمنيا ‪.‬‬ ‫سوف ندرس النظم المتأخرة زمنيا خطيا‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تحليل النظم المتحكم فيها‬ ‫رتبة النظم المتأخرة ازمنيا‬ ‫• أهم ميزة أي نظام متحكم فيه هي رتبة تأخيره زمنيا‪ .‬وهذه تحدد بعدد اللية المستقلة‬ ‫لتخزين الطاقة المرتبطة بالنظام الكلي‪ .‬في النظم الكهربائية هذه اللية أو العناصر هي‬ ‫المقاومات والمكثفات‪.‬أما في النظم الميكانيكية فهذه تكون إما الكتلة أو اللولب)الزنبرك(‪.‬‬ ‫كلما زادت رتبة التأخر الزمني تقل سرعة استجابة النظام المتحكم فيه لتغيرات إشارة‬ ‫الدخل‪,,,,,,,.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫دقة نظام التحكم اللي‬ ‫• تتوقف دقة نظام التحكم اللي على معرفة خصائص الوحدة العملية المتحكم فيها واختبار‬ ‫الحاك م المناس ب له ا و كذل ك تأثيرات التحك م المطلوبة‪ .‬يمك ن أ ن يتغي ر الدخ ل زمنيا‬ ‫والمتطلب من الحاكم أن يتغير أيضا زمنيا‪ .‬نتيجة تغير الدخل تحصل عملية السترجاع‬ ‫الذاتي ‪ Self Recovery‬أو ما يسمى بالتنظيم الذاتي‬ ‫• ‪ Self Regulation‬أي أنها بعد فترة زمنية عابرة تعود لحالة الستقرار ما عدا حالت‬ ‫‪.‬تخص تنظيم المستوى‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫العملية الصناعية أو العملية المتحكم فيها لها ثل ث عناصر‬ ‫هي‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫•‬

‫‪ Tu‬زمن تأخير العملية‪Delay Time‬‬ ‫‪ Tg‬الثابت الزمني ‪Time Constant‬‬ ‫‪ Ks‬معامل الكسب ‪Gain‬‬ ‫كلما كانت النسبة ‪ Tu/Tg‬كبيرة كلما كانت‬ ‫عملية التحكم صعبة ومكلفة‪.‬‬ ‫وبضبط هذه البارمترات الثلثة معا أو اثنين‬ ‫معا أو على القل واحدا منها يمكن أن نكون‬ ‫تآلفا بين العملية المتحكم فيها والحاكم والوصول‬ ‫بالعملية إلى وضع استقرار والحصول على‬ ‫المتطلبات ا لديناميكية المطلوبة‪ .‬مثل زمن‬ ‫الستقرار ‪:Ts Settling Time‬‬ ‫والتعدي ‪ Overshoot‬والدقة‬ ‫‪.......Accuracy‬‬

‫• لكههن‪ ،‬هذه البارمترات الثلث تعتمههد على‬ ‫تركيب اللة أي العملية المتحكم فيها‪ .‬كلما‬ ‫كانت معرفة قياس هذه البارمترات بدقة قبل‬ ‫اختيار الحاكم المناسب كلما كان نظام التحكم‬ ‫دقيقا‪ .‬تتوق ف دق ة نظام التحك م عل ى معرفة‬ ‫مواصههفات الوحدة المتحكههم فيها واختيار‬ ‫الحاك م المناس ب له ا وكذل ك تأثيرات التحكم‬ ‫المطلوبة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫العملية الصناعية أو العملية المتحكم فيها لها ثل ث عناصر‬ ‫• معظم متطلبات نظم التحكم في العمليات الصناعية يمكن الحصول عليها باستخدام الحاكم‬ ‫ذي التأثير التناسبي التكاملي ‪. PI Controller‬‬ ‫• في حالة نظم التحكم البطيئ ة والت ي لها زمن تأخير)تخلف( صرف ‪Pure Delay‬‬ ‫‪ Time‬كما هو الحال في التحكم في درجات الحرارة فيمكن استخدام الحاكم ذي التأثير‬ ‫التفاضلي ‪ Derivative Controller : D‬لتحسين أداء التحكم‪.‬‬ ‫• يفضههل عدم اسههتعمال الحاكههم التفاضلههي فههي حالت التغيههر النبضي ‪Pulsating‬‬ ‫‪ Systems‬مثل نظم الضغط والتدفق للهواء و السوائل‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫• عند استعمال إشارة متغيرة شبه إشارة خطوة عند دخل النظام يؤول خرج النظام إلى قيمة‬ ‫ثابتة)قيمة نهائية لحالة استقرار( وهذا ما يعرف بنظام تحكم بتعويض‪ .‬النظم الخطية من‬ ‫الرتبة الولي تسمى النظم ذات عنصر تأخر زمني من الرتبة الولى ‪ . PT1‬لنها تعطي‬ ‫استجابة ذات مدلول تناسبي )‪ ( P‬واستجابتها الديناميكية تتميز بثابتة زمنية‪ .‬وكمثال على‬ ‫هذا النوع من النظم‪ ،‬النظام مقاومة‪-‬مكثفة) ‪.( RC System‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫نظام من الرتبة الولى ذو عنصر تأخير ازمني)‪(PT1‬‬ ‫• استجابة نظام من الرتبة الولى ذي تأخير زمني عندما تكون إشارة الدخل إشارة خطوة‬ ‫)كمحنى شحن مكثفة( تكون الستجابة على شكل دالة أس ‪ .‬الثابتة الزمنية ))‪ T1‬لهذا‬ ‫العنصر تحدد بالقيمة الحادة)الضيقة( البدائية للستجابة الزمنية‪ .‬وهي تمثل قياس سرعة‬ ‫النظام المتحكم فيه‪ .‬بعد مرور الزمن ))‪ T1‬تكون الستجابة قد قطعت ‪ %63‬من القيمة‬ ‫النهائية للستقرار‪ ،‬وهذا ما يسمح بقياس الثابتة الزمنية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫الثابتة الزمنية لنظام من الرتبة الولى‬ ‫ذي تأخير ازمني)‪(PT1‬‬ ‫• ف ي عنص ر مقاومة‪-‬مكثف ة ‪ RC‬تحس ب الثابت ة الزمني ة بحاص ل ضرب المقاومة ‪x‬‬ ‫المكثفة‪.‬‬ ‫• ‪ T1 = R x C‬كلما كانت قيمة الثابتة الزمنية كبيرة كلما زاد زمن وصول قيمة‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫راتسم اتستجابة الخطوة‬ ‫• راسم استجابة الخطوة في النظام ‪Com3Lab‬يسمح برسم الستجابة تلقائيا باستعمال قنوات‬ ‫راسم الذبذبات ومولد الشارات بدون تشغيل‪ ،‬تحديدا‪ ،‬هذين الجهازين‪ .‬قياس الراسم ودوال التماس‬ ‫تسمح بتحليل القيم المسجلة وهذا ما يسمح بتحديد البارمترات )المعاملت( المهمة الخاصة بالنظام‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫تحديد قيمة الثابتة الزمنية‬ ‫• في التجربة التالية عليك أن تحدد معامل العملية التناسبية ‪ Kp‬والثابتة الزمنية ‪ T1‬لعنصر‬ ‫من الرتبة الولى ذي زمن تأخير انطلقا من استجابة النظام لدخل على شكل إشارة خطوة‪.‬‬ ‫لهذا النظام من الرتبة الولي ذي التأخير الزمني)‪ ،( PT1‬نستعمل العناصر اللكترونية‬ ‫الموضحة على اللوحة‪ .‬وهذا النظام ممثل بدائرة الكترونية على شكل مكبر عمليات‪.‬‬ ‫• ‪G= R2/R1‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫نظام متحكم فيه بحاكم تناتسبي ‪P‬‬ ‫• ك ل النظ م الحقيقي ة يؤث ر فيه ا التأخ ر)التباط ؤ( الزمني‪ .‬لك ن‪ ،‬بع ض الوق ت يكون زمن‬ ‫التأخير قصيرا جدا وهذا يعني أن الثوابت الزمنية صغيرة جدا بحيث يمكن تجاهلها‪ .‬هذه‬ ‫النظم أو العمليات تظهر استجابة ذات نشاط )إجراء( تناسبي محض)بحت(‪ ،‬وتسمى في‬ ‫هذه الحالة ‪:‬نظم متحكم فيها بمعامل تناسبي ‪ .P Controlled Systems‬استجابة‬ ‫النظام التناسبي لشارة خطوة عند الدخل تعطي دالة خطوة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫نظام متحكم فيه ضوئيا‬ ‫• النظام المتحكم فيه بالضوء المعروض في ‪ ComLab3‬يتكون من دايود )نبيطة ثنائية(‬ ‫‪ LED‬كمصدر ضوئي‪ .‬الضوء المنبعث من الدايود ينعكس على صفيحة)لوح( انحراف‬ ‫ويمتص من طرف ترانزستور ضوئي‪ ،‬ويحول إلى جهد مناسب‪ .‬دخل النظام المتحكم فيه‬ ‫هو الجهد ‪YL‬عند دخل الدايود‪ .‬الخرج هو الجهد ‪ ..XL‬عند الترانزستور الضوئي‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫• في التجربة التالية نعين استجابة النظام المتحكم فيه ضوئيا‪ .‬ونستنتج من هذه الستجابة‬ ‫نوع النظام‪ .‬وبما أن الحد العلى للبوابة ‪ 2‬فولت‪ ،‬فإن تغير الخطوة يصل إلى نقطة‬ ‫عمل تقريبا ‪3‬فولت‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بالتعويض‬ ‫نتيجة‬ ‫• النظام المتحكم فيه ضوئيا يستجيب لتغير الدخل )الخطوة( بدون زمن تأخير تقريبا‪ .‬وقيمة‬ ‫الثابتة الزمنية تكون أقل من ‪ 10‬مللي ثانية وتصعد أعلى من الستجابة الزمنية للدايود‬ ‫والستجابة الزمنية للترانزستور الضوئي‪ ،‬وهذا يعني أن هذه القيمة يمكن إهمالها في‬ ‫الحالت العملية عند استعمال الحلقة المغلقة‪ .‬النظام المتحكم فيه ضوئيا يمكن اعتباره‬ ‫نظام تحكم تناسبي‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها مع ازمن تأخير من الرتبة العالية‬ ‫• النظم ذات التأخر الزمني من الرتبة العالية بتعويض يرمز لها هنا ‪ PT2‬أو ‪ PT3‬أو بصفة عامة‬ ‫‪ ، PTn Elements‬حيث ‪ n‬يرمز إلى رتبة النظام‪ .‬إذا احتوى النظام آلية تخزين الطاقة ذات‬ ‫أنواع مختلفة) مكثفات‪ ،‬ملفات في الدوائر الكهربائية أو اللولب والكتل في الدوائر الميكانيكية(‪،‬‬ ‫فإن النظام يصبح قابل للتذبذب بسبب تبادل الطاقة بين عناصره اللكترونية أو الميكانيكية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها مع ازمن تأخير من الرتبة العالية‬ ‫معاملت لعناصر مع ازمن تأخير من الرتبة العالية )‪(PTn‬‬ ‫• من الطبيعي أنه ل يمكن استخدام الستجابة الزمنية للحصول على زمن تأخير من الرتبة‬ ‫)‪ ( n‬للنظام أو التحديد بدقة الثوابت الزمنية لعنصر ‪ ((PTn‬لذلك يجب استعمال طريقة‬ ‫بسيطة لتحديد عناصر بديلة لتمييز العنصر‪ .‬هذه العناصر البديلة والتي تميز العنصر هي‪:‬‬ ‫زمن التأخير )‪ (Tu‬وزمن التعويض)‪ . (Tg‬هذان المعاملن يمكن قراءتهما من الستجابة‬ ‫الزمنية مباشرة بتطبيق قاعدة المماس المار من نقطة النعطاف‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها مع ازمن تأخير من رتبة عالية‬ ‫)‪(Tg‬‬ ‫تعريف المعاملين )‪ (Tu‬و‬ ‫• زمن التأخير ‪ Tu‬هو الزمن الممتد بين نقطتي بداية إقلع استجابة الخطوة ونقطة تقاطع‬ ‫مماس الستجابة المار من نقطة النعطاف مع محور الزمن‪ .‬وهو ما يعرف بقياس سرعة‬ ‫الستجابة‪ .‬زمن التعويض ‪ Tg‬هو الزمن الممتد بين نهابة زمن التأخير ‪ Tu‬والزمن‬ ‫الموافق لنقطة تقاطع المماس المار من نقطة النعطاف مع نهاية استجابة الخطوة ‪) xo‬أي‬ ‫إشارة الدخل(‪ Tg .‬هو زمن استغراق الستجابة العابرة ‪.Transient Response‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫‪Controlled Systems Without‬‬ ‫‪Compensation‬‬ ‫• زمن التأخير وزمن التعويض لنظام الكتروني متحكم فيه ذي زمن تأخير من الرتبة الثانية‬ ‫)‪ (PT2‬يج ب أ ن يحدد بالتجربة‪ .‬نحص ل عل ى النظام بتوص يل عنص رين م ن الرتبة‬ ‫الول ى)‪ (PT1‬عل ى التوال ي م ن اللوح ة اللكترونية‪ .‬دخ ل النظام المتحك م في ه ه و دخل‬ ‫العنصر الول )‪ (PT1‬أي نقطة التوصيل ‪ X3‬والخرج هو خرج العنصر الثاني)‪(PT1‬‬ ‫أي قطة التوصيل ‪.X6‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫تأثير العنصر التكاملي ‪I‬‬ ‫• إذا تغير)‪ (Fluctuate‬معامل خرج نظام عند تغيير شكل إشارة الدخل يعرف هذا النظام‬ ‫بنظام بدون تعويض ‪ .System Without Compensation‬أبسط أنواع النظم بدون‬ ‫تعويض هو النشاط التكاملي‪ .‬خرجه يظهر معدل تصاعديا خطيا رغم أن الدخل ثابت‪.‬‬ ‫• كمثال على هذا هو المصب ‪(Tank) .‬يزداد ارتفاع السائل )‪ (h‬باستمرار عندما يكون‬ ‫التدفق)‪ (Inlet Q‬حتى الفيض الزائد‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫معاملت العنصر التكاملي‬ ‫)‪X (t‬للعنص ر التكاملي تتناسب مع التكام ل) أي المس احة‪Area A‬‬ ‫• قيمة الخرج‬ ‫المحص ورة بي ن محور الدخ ل )‪ y (t‬ومحور الزم ن )‪ . (t‬لهذا الس بب نس مي النظم‬ ‫المتحكم فيها بعنصر تكاملي بالنظم ذات النشاط أو التأثير التكاملي‪ .‬الزيادة في الستجابة‬ ‫للعنصر التكاملي ويسمى ‪ Ki‬معامل النشاط التكاملي ‪ .‬معكوس ‪ Ki‬وهو ‪ Ti‬يسمى زمن‬ ‫التكامل‪ .‬كلما زادت قيمة ‪ Ki‬تزداد سرعة الستجابة‪X (t).‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫• عند الربط بين العناصر والنظم المتحكم فيها بدون تعويض‪ ،‬نحص ل على نظم بدون‬ ‫تعويض ذات تأخير زمني من الرتبة العالية‪ .‬ربط العنصر ‪PT1‬على التوالي مع الحاكم‬ ‫التكاملي ‪ I‬سوف يكون عنصرا ‪IT1‬‬ ‫• عنصران ‪ PT1‬وعنص ر ‪ I‬يعطيان عنصرا ‪...PT2‬وهكذا‪ .‬إذا احتوي النظام عنصرا‬ ‫تكاملي ا واحدا تزداد الس تجابة خطي ا كلم ا زاد الزمن‪ .‬وف ي حال ة احتواء النظام على‬ ‫عنصرين تكامليين ‪ I.I‬فإن الستجابة تكون على شكل منحنى من الدرجة الثانية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫• الن يمكنك تسجيل استجابة إشارة خطوة لعنصر تكاملي ‪ I‬وانطلقا من هذه الستجابة‬ ‫يجب تحديد معامل عملية التكامل ‪ . Ki‬للقيام بهذه العملية استعمل العنصر التكاملي ‪ I‬من‬ ‫اللوحة اللكترونية لجهاز ‪ ComLab3‬والممثل بدائرة مكبر إلكتروني‪ .‬عناصر هذه‬ ‫الدائرة تستخدم لعكس الشارة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫توصيل التجربة‬ ‫• الن بين الستجابة الناتجة من العنصر ‪ IT1‬والذي حصلنا عليه من توصيل عنصر‬ ‫التكامل ‪ I‬على التوالي مع العنصر ‪ PT1‬على اللوح اللكتروني‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫نتيجة‬ ‫• بعد عملية عابرة قصيرة ناتجة عن الثابتة الزمنية للعنصر ‪ ، PT1‬يبدأ خرج العنصر‬ ‫‪ IT1‬في أخذ شكل منحنى بمعدل زيادة خطي‪ .‬معدل تغير المنحنى ينتج من حاصل‬ ‫ضرب معامل تأثير التكامل ‪ Ki‬للعنصر التكاملي ‪ I‬ومعامل تأثير التناسب ‪ Kp‬للعنصر‬ ‫‪.PT1‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫الشارات المستعملة في المخططات الصندوقية‬ ‫• عند اكتشاف حلقات التحكم على شكل صناديق يجب التعرف على عناصر التحويل بشكل‬ ‫واض ح وبدون إشكالية‪ .‬لذل ك وتبع ا لنظام قياس ي ل يج ب فق ط كتابة نوع النظام )مثل‬ ‫‪ ( PT1‬وإنما رسم استجابته عندما تكون إشارة الدخل خطوة)قفزة(‪ .‬وهذا يعطي مباشرة‬ ‫فكرة عام ة عل ى النظام ول و كان معقدا‪ .‬يمك ن إجراء أعمال تص حيح تناس ب تصرف‬ ‫انحراف القيم المستهدفة وقيم المتغيرات التي يتم التحكم فيها عن طريق التغذية المرتدة‪،‬‬ ‫بهدف تطابق المتغيرات التي يتم التحكم فيها مع القيم‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫النظم المتحكم فيها بدون تعويض‬ ‫الشارات المستعملة في المخططات الصندوقية في‬ ‫تكنولوجيا التحكم اللي‬ ‫• المستهدفة ‪ ،‬عندما يحدث تشويش أو‬ ‫عههن طريههق تغيههر قيههم الدخل‪ .‬للتغذية‬ ‫الخلفيههة إعاقههة زمنيههة وتجاوز القيم‬ ‫المستهدفة تحدث بسبب أعمال التصحيح‬ ‫ع ن طريق هذه الشارات‪ .‬إذا تكررت‬ ‫أعمال التصحيح تصبح عملية التحكم في‬ ‫حالة تذبذب‪ .‬وعندما تصبح الفروق بين‬ ‫القيم المستهدفة والقيم التي يتم التحكم فيها‬ ‫ص غيرة‪ ،‬تص بح إشارات عم ل الحاكم‬ ‫صغيرة أيضا مما يسبب عدم توافق بين‬ ‫المتغيرات الت ي يت م التحك م فيه ا والقيم‬ ‫المستهدفة‪.‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫حالة التحكم الجيدة تتوفر فيها الشروط التالية‪:‬‬ ‫‪ (1‬سرعة اقتراب المتغيرة المتحكم فيها من القيم‬ ‫المستهدفة‪.‬‬ ‫‪ (2‬تعود التجاوزات عهههن وضع التوازن‬ ‫المطلوب بسرعة إلى حالة استقرار‪.‬‬ ‫‪ (3‬انعدام النحراف عند حالة الستقرار‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫الحاكمات)المتحكمات(‬ ‫• يمثل الحاكم الذكاء الفعلي لدائرة التحكم‪ .‬يصمم الحاكم ليقود بدقة المتغيرة المعالجة ‪y‬‬ ‫انطلقا من قيمة الخطأ ‪ e‬حسب استراتيجية تحكم معينة‪ .‬المتغيرة المعالجة تضمن أن‬ ‫المتغيرة المتحكم فيها قد تم ضبط قيمتها بدقة وبأعلى سرعة لتكون أقرب ما يمكن لشارة‬ ‫الدخل )المرجع(‪ ،‬رغم تغير هذه الخيرة)إشارة الدخل( بسبب التشويش‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫أنواع)أصناف( الحاكمات‬ ‫مهمة)دور( الحاكم‬ ‫يمكن تقسيم الحاكمات التقليدية إلى صنفين رئيسيين‪:‬‬ ‫• الحاكمات المس تمرة)‪ (Continuous‬والحاكمات المتقطع ة))‪ . Discontinuous‬في‬ ‫حال ة الحاكمات المس تمرة مث ل الحاك م التناس بي‪-‬التكاملي‪-‬التفاضلي ‪ PID‬حي ث يمكن‬ ‫للمتغيرة المعالجة أن تضمن أية قيمة معطاة حسب مدى تصحيحي‪ .‬أما بالنسبة للحاكمات‬ ‫المتقطعة )وتسمى كذلك حاكمات الوصل والفصل( ‪Switching Controllers‬‬ ‫• مثل المفتاح ذو الوضعين أو ثلثي الوضاع‪ .‬حيث يمكن للمتغيرة المتحكم فيها من أخذ‬ ‫أوضاعا قليلة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫أنواع)أصناف( الحاكمات‬ ‫تركيب الحاكم ‪PID‬‬ ‫• الحاكم ‪ PID‬هو أكثر الحاكمات المستمرة استعمال‪ .‬وهو مكون من العنصر التناسبي‬ ‫والعنص ر التكامل ي والعنص ر التفاضل ي عل ى شك ل تركي ب توازي ‪ .‬ويمكن إعطاء‬ ‫بارمترات مستقلة لكل عنصر من هذه العناصر‪ .‬هذا يسمح للحاكم ‪ PID‬للتكيف ظاهريا‬ ‫على الوجه المثل مع كل أنواع نظم التحكم‪.‬بتوصيل أو فصل أي من العناصر الثلثة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي‬ ‫الحاكمات التناتسبية ‪P‬‬ ‫• الحاكم التناسبي ‪ P‬يمثل حاكما تناسبيا تقليديا ذا معامل تناسبي ‪ . Kp‬نتيجة هذا التأثير‬ ‫هي المتغيرة المعالجة )‪ y (t‬المتناسبة مع إشارة الخطأ ‪ e (t).‬كلما زادت قيمة إشارة‬ ‫الخط أ )‪e (t‬يزداد تأثي ر الحاك م التناس بي ‪ . P‬يس تخدم الحاك م التناس بي للتحك م في‬ ‫العمليات البسيطة‪ .‬الحاكم التناسبي سهل التصميم سواء الكترونيا‪ ،‬نيوماتيا أو ميكانيكيا‪...‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي‬ ‫التحكم التناتسبي في نظم ذات‬ ‫تأخر ازمني من الرتبة الولى )‪(PT1‬‬ ‫• سوف ندرس تأثير الحاكم التناسبي على نظام متحكم فيه ذي تأخر زمني من الرتبة‬ ‫الولي ‪ . (PT1) ..‬استخدم الحاكم التماثلي الموجود على"لوحة الحاكم التماثلي"‪.‬‬ ‫يهمنا هنا بالخص تأثير كسب الحاكم‪ .‬أي معامل الحاكمات التناسبية ‪ Kp‬على حلقات‬ ‫التحكم ذات إشارة الخطأ المتبقي في حالة الستقرار‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي‬ ‫إشارة الخطأ المتبقية في حالة التستقرار‬ ‫• بعد نهاية عملية التغذية المامية بإشارة خطوة عند الدخل )المرجع( ‪ ، w (t) = wo‬إذا‬ ‫لم تساوي بدقة قيمة الخرج )‪ x (t‬قيمة الدخل ‪ wo‬أي أن)‪ (xo < w0‬و تبقى إشارة‬ ‫الخطأ )‪ e (t‬مستقرة ول تساوي الصفر‪ .‬تظهر الحلقة إشارة خطأ متبقية ‪ . eo >0‬يمكن‬ ‫اعتبار الخطأ مقبول أو غير مقبول حسب النظام المتحكم فيه‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي‬ ‫توصيل التجربة‬ ‫•‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫نستخدم في هذه التجربة الحاكم التناسبي التماثلي باستخدام مفاتيح الوصل والفصل ‪DIP‬‬ ‫والنظام المتحكم فيه ‪ PT1‬من لوحة التوصيل اللكترونية‪ .‬هنا سوف نختبر استجابة‬ ‫الحلقات عندم ا تكون إشارة الدخ ل خطوة والقيم ة النهائي ة للخرج ف ي حال ة الستقرار‬ ‫باستعمال معاملت الكسب ‪:‬‬ ‫‪Kp= 1; Kp=10; Kp =50‬‬ ‫من النتائج يمكننا أن نستنتج العلقة بين المعامل ‪ Kp‬والخطأ المتبقي‬ ‫)‪.e (t‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي‬ ‫نتيجة‬ ‫• عند تطبيق الحاكم التناسبي على النظام ‪ PT1‬نحصل على خطأ صغير متبقي‪ .‬يزداد‬ ‫هذا الخطأ صغرا كلما كبرت قيمة الكسب ‪ .Kp‬وتزداد سرعة الستجابة كلما زادت قيمة‬ ‫الكسب‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التكاملي‬ ‫الحاكم التكاملي ‪I‬‬ ‫• إذا استخدمنا فقط الفرع التكاملي ‪ I‬من الحاكم ‪ ،PID‬نحصل على الحاكم التكاملي‪.‬‬ ‫وهذا يمث ل عنصر التكامل‪ .‬ميزة الحاكم التكاملي أنه يكاد تقريبا يعدم الخطأ )‪e (t‬‬ ‫ويجعله مساويا للصفر‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التكاملي‬ ‫تأثير الحاكم التكاملي ‪ I‬على‬ ‫النظام المتحكم فيه ‪PT1‬‬ ‫• نستخدم الفرع العنصر التكاملي ‪ I‬من الحاكم ‪ PID‬للتحكم في النظام ‪ . PT1‬النتيجة‬ ‫نلحظها من قيمة الخطأ والسرعة باستخدام الحاكم التكاملي لوحده‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التكاملي‬ ‫نتيجة‬ ‫• باستخدام الحاكم التكاملي نلحظ أن الخطأ اختفي تقريبا‪ .‬خلفا للحاكم التناسبي الذي ل‬ ‫يعطي خرجا إل عندما يكون الخطأ‬ ‫• )‪ e (t‬أكبر من الصفر‪ ،‬الحاكم التكاملي يعطي خرجا )‪y (t‬حتى ولو كان الخطأ‬ ‫( مس اويا للص فر‪ e (t) = 0‬يس مى هذا الخرج تكامل لتل ك النقطة‪ .‬لك ن عملية ‪.‬‬ ‫التصحيح الخطأ عند استخدام الحاكم التكاملي تأخذ وقتا أطول منه عند استخدام الحاكم‬ ‫التناسبي‪ ،‬في حالة استخدام الحاكم التكاملي نلحظ حصول التعدي‪.Overshoot‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫الحاكم التناتسبي التكاملي ‪PI‬‬ ‫• الربط على التوازي بين الحاكم التناسبي ‪ P‬والحاكم التكاملي ‪ I‬يعطينا الحاكم التناسبي‬ ‫التكاملي ‪ .PI‬هذا الحاكم ‪ PI‬له ميزتان سرعة الحاكم ‪ P‬ودقة الحاكم ‪ .I‬بار مترا هذا‬ ‫الحاكم هما المعامل التناسبي ‪ Kp‬وزمن إعادة الضبط)‪) (Reset Time‬إعادة للوضع‬ ‫الصلي( ‪ Tn‬أو ما يسمى أيضا معامل تأثير التكامل ‪.Ki‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي التكاملي‬ ‫اتستجابة الخطوة للحاكم التناتسبي التكاملي ‪PI‬‬ ‫• استجابة الحاكم ‪ PI‬تتمثل في الجمع بين حد ثابت )الحاكم ‪ P‬التناسبي( وحد خطي‬ ‫متصاعد )الحاكم التكاملي‪.( I‬‬ ‫• زمن الرجوع إلى الصل ‪ Tn‬هو الزمن اللزم لوصول استجابة الحد التكاملي ‪ I‬إلى‬ ‫مستوى استجابة الحد التناسبي ‪ .P‬الزمن ‪ Tn‬يدل على مدى سرعة الحاكم ‪ PI‬مقارنة‬ ‫بالحاكم التكاملي ‪ I‬لوحده‪ .‬كلما كان ‪ Tn‬أقصر كلما كان الحد التكاملي ‪ I‬أكبر مقارنة‬ ‫بالحد التناسبي‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي التكاملي‬ ‫• في التجربة التالية نستخدم منحنى استجابة الخطوة لتحديد زمن العادة إلى الصل ‪Tn‬‬ ‫• للحاك م التماثل ي ‪PI‬عل ى لوح ة ‪ .ComLab3‬للقيام بهذه العملي ة يمث ل الحاك م ‪PI‬‬ ‫بمعامل ‪ Kp = 1‬باستخدام مفاتيح الوصل والفصل ‪. DIP‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي التكاملي‬ ‫نتيجة‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫الحاكم ‪ PI‬له زمن ضبط ‪ Kp = 1‬ولهذا تولد متغيرة معالجة قيمتها ‪ yp =1‬عند تغير‬ ‫القفزة بسعة‬ ‫‪e (t)= 1‬‬ ‫وهذا يعني أن زمن الضبط ‪ Tn‬هو الزمن اللزم للمتغيرة ‪ yi‬المناسبة للحد التكاملي ‪I‬‬ ‫للوصول الى قيمة تساوي الواحد‪ .‬أي أن هذا الزمن هو الزمن اللزم للحاكم ‪ PI‬لتوليد‬ ‫متغيرة معالجة كلية تساوي ‪ 2‬أي أن‪:‬‬ ‫‪.py + pi = 2‬والنتيجة زمن يساوي الواحد ثانية‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي التكاملي‬ ‫التحكم في النظام ‪ PT1‬باتستعمال الحاكم ‪PI‬‬ ‫• ف ي التجرب ة التالي ة نس تخدم الحاك م ‪ PI‬المراف ق للنظام المتحك م في ه ‪ PT1‬على اللوح‬ ‫اللكتروني‪ .‬النتيجة يجب أن تقارن لحالتي استعمال حاكم تناسبي ‪ P‬لوحده وكذلك حاكم ‪I‬‬ ‫لوحده لنفس النظام ‪ PT1‬في الحالتين‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي التكاملي‬ ‫نتيجة‬ ‫• التجربة تبين أن الحاكم التناسبي التكاملي ‪ PI‬يشكل تركيب لكل الميزات التي يمتلكها الحاكم‬ ‫التناسبي ‪ P‬والحاكم التكاملي ‪ ،I‬باعتبار قيمتين معقولتين للمعاملين ‪ Kp‬و ‪ .Tn‬استجابة التحكم‬ ‫في الحلقة أسرع في حالة استعمال ‪ PI‬منه في حالتي ‪ P‬و ‪ I‬منفردين و ليس للستجابة تعد‬ ‫وخاصة في حالة نظام من النوع ‪ .PT1‬وبسبب وجود الحاكم ‪ I‬نلحظ انعدام الخطأ‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪PID & PI‬‬ ‫• لزيادة سرعة الحاكم ‪ PI‬يمكن إضافة معامل تفاضلي ‪Derivative Action‬؛ فينتج عن‬ ‫هذا الحاكم التناسبي التكاملي التفاضلي‪ .PID‬المعامل التفاضلي يولد مركبة متغيرة معالجة‬ ‫‪ YD‬متناس بة م ع التغي ر الديناميك ي لشارة الخط أ الذي بدوره يخض ع لتغير إشارة‬ ‫الدخل)المرجع(‪ .‬شدة المركبة التفاضلية ‪ D‬يظهر من خلل المعدل الزمني ‪ Tv‬ومعامل‬ ‫عملية التفاضل ‪.KD‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم التناتسبي التكاملي التفاضلي‬ ‫• المركبة ‪ D‬في الحاكم ‪ PID‬تولد)نظريا( نبضة عالية لنهائية عند الزمن ‪ .to‬لكن قيمة‬ ‫هذه النبضة تبقى محدودة حسب المتغيرة المعالجة )قيمة الجهد القصوى لخرج مكبر‬ ‫العمليات(‪ .‬حت ى ف ي حال ة الشارات المشوش ة يؤدي الحاك م إل ى س عة عالية للمتغيرة‬ ‫المعالجة‪.‬الحاكم ‪ D‬يستعمل عمليا كعنصر تأخير زمني للنظام من الرتبة الولى ‪.T1‬‬ ‫لذلك نسمى العلقة ‪ PID-T1‬بالحاكم الحقيقي‪.Real PID Controller‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪ PID‬والحاكم ‪PI‬‬ ‫• في التجربة التالية نستخدم الحاكم التماثلي ‪ PID‬المتوفر في اللوح اللكتروني‬ ‫‪ ComLab3‬واستجابته الزمنية المسجلة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪ PID‬والحاكم ‪PI‬‬ ‫نتيجة‬ ‫• الحاك م التماثل ي ‪ Analog‬المس تعمل هن ا ه و حاك م ‪ PID‬إلكترون ي مثال ي‪ ،‬م ع حد‬ ‫تفاضلي‪ D‬حقيقي‪ .‬قيمة ارتفاع السعة يساوي تقريبا ‪ 14‬فولت بسبب مكبر العمليات‪.‬‬ ‫بما أن الحد ‪ D‬صمم بدون تأخير زمني نلحظ أن إشارة الستجابة الزمنية لشارة‬ ‫الخطوة مشوهة‪ ،‬وهذا ما يؤدي إلى مشاكل في الحالت العملية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪ PID‬والحاكم ‪PI‬‬ ‫والحاكم ‪PD‬‬ ‫• في بعض الحالت يمكن إهمال الحد ‪ I‬في الحاكم ‪ PID‬وهكذا نحصل على الحاكم ‪. PD‬‬ ‫• وهذا يحصل مثل عندما ل نرى حاجة للقضاء على الخطأ أو أن النظام المتحكم فيه نفسه‬ ‫يحتوي علههى حاكههم تكاملههي ‪ I‬أههو مهها نسههميه بالمشغههل المكامل )‪Integrating‬‬ ‫‪(Actuator‬كمحرك الخطوة‪ .‬في حالة الحاكم ‪ PD‬العنصر ‪ D‬يصمم بزمن تأخير‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪ PID‬والحاكم ‪PD‬‬ ‫تحديد قيمة ‪Tv‬‬ ‫• معدل الزمن ‪ Tv‬للحاكم ‪ PD‬يمكن تحديده من المنحنى مثلما فعلنا عند تحديد الزمن ‪Tn‬‬ ‫للحاكم ‪ .PI‬لكن عند استعمال الحاكم ‪ PD‬بدل من استعمال إشارة الخطوة نستعمل إشارة‬ ‫انحدار ) ‪ ( Ramp‬يعني أن إشارة الدخل يجب أن تكون إشارة انحدار‪ .‬معدل الزمن‬ ‫يمثل الزمن اللزم لوصول قيمة معينة من المتغيرة المعالجة خلل معدل أقصر من‬ ‫الزمن المستغرق عند استخدام حاكم تناسبي لوحده‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪ PID‬والحاكم ‪PD‬‬ ‫• نس تخدم إشارة انحدار‪ ،Ramp ،‬لتحدي د المعدل الزمن ي ‪ Tv‬للحاك م التماثل ي ‪PD‬‬ ‫باستعمال لوحة ‪ .ComLab3‬لتوليد إشارة النحدار للحاكم ندخل إشارة قفزة على الحاكم‬ ‫التكاملي ‪ . I‬هذه التوصيلة تولد إشارة انحدار بواسطة عملية تكامل‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪ PID‬والحاكم ‪PI‬‬ ‫نتيجة‬ ‫• معدل الزمن ‪ Tv‬هو الزمن الفاصل بين بداية تشغيل إشارة النحدار عند دخل الحاكم )‬ ‫عند النقطة‪ ( To‬والنقطة الزمنية التي تصل فيها الستجابة )المتغيرة المتحكم فيها( )‪y(t‬‬ ‫إلى ضعف القيمة عند الزمن ‪To.‬النتيجة هي كما نلحظ على الستجابة‪:‬‬ ‫• ‪Tv =1 sec‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫تأثير الحاكم ‪ PID‬والحاكم ‪PI‬‬ ‫ملخص‬ ‫• الحاكم التناسبي التكاملي التفاضلي ‪ PID‬هو حاكم عام مكون من ثلث عناصر يمكن‬ ‫توصيلها بتناس ق مع النظام المتحكم فيه‪ .‬العنصر التناس بي يقيم قيمة)الحاضر( إشارة‬ ‫الخطأ )‪ e (t‬ويعطي إشارة مناسبة لستجابة تحكم معتبرة‪ .‬الوحدة التكاملية تقيم زمن‬ ‫التأخير)الماضي( ‪ .‬أما الوحدة ‪ D‬فهي تقيم اتجاه الخطأ ومنه تحدد ديناميكية النظام أي‬ ‫أنها تمثل) المستقبل(‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫الجدول التالي يبين اختيار الحاكمات المناتسبة‬ ‫للعمليات المتحكم فيها‬ ‫رقم‬

‫العملية المتحكم فيها‬

‫التناسب‬ ‫ي‪P‬‬

‫التكاملي ‪I‬‬

‫التناسبي التكاملي‬ ‫‪PI‬‬

‫التناسبي‬ ‫التكاملي‬ ‫التفاضلي‬ ‫‪PID‬‬

‫ملحظة‬

‫‪1‬‬

‫عنصر تخلف صرف‬ ‫‪Pure Dead Time‬‬

‫ل‬

‫يفضل ‪PI‬‬

‫ممكن‬

‫غير لازم‬

‫‪PI‬المفضل‬

‫‪2‬‬

‫نظام من الرتبة اللولى مع تأخر‬ ‫صرف‬ ‫‪Dead Time-lug 1st order‬‬

‫ل‬

‫يفضل ‪PI‬‬

‫يفضل ‪PID‬‬

‫مناسب‬

‫‪PID‬المفضل‬

‫‪3‬‬

‫نظام تذبذبي من الدرجة الثانية‬ ‫‪2nd order system‬‬

‫ل‬

‫ل‬

‫يفضل ‪PID‬‬

‫مناسب‬

‫مناسب للضبط‬ ‫لوإازالة التشويش‬

‫‪4‬‬

‫نظم ذات رتبة عالية أعلى من الثانية‬

‫ل‬

‫يفضل ‪PI‬‬

‫يفضل ‪PID‬‬

‫مناسب‬

‫مناسب أكثر من‬ ‫غيره‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

The Characteristics of P, I, and D controllers

RESPONSE

RISE TIME

OVERSHOOT

SETTLING TIME

ERROR

Kp

Decrease

Increase

Small Change

Decrease

Ki

Decrease

Increase

Increase

Eliminate

Kd

Small Change

Decrease

Decrease

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

Small Change

‫• إن اختيار بنية الحاكم الخاطئة أو القيم غير المناسبة )الكسب العالي مثل( يمكن أن يؤدي‬ ‫إلى حالة ليمكن فيها لمتغيرة المتحكم فيها ل تؤول)تقترب( فيها إلى قيمتها الثابتة النهائية‬ ‫بمجرد تغير الدخل أو تعرض النظام للتشويش‪ ،‬فيبدأ التذبذب الذي يؤدي إلى حالة عدم‬ ‫استقرار‪ .‬تسمى في هذه الحالة دائرة التحكم بالدائرة الغير مستقرة‪.‬كلما كانت قيمة ثابتة‬ ‫التناسب ‪ Kp‬كبيرة للحاكم ‪ PI‬كلما زاد تذبذب خرج حلقة التحكم ‪.‬‬ ‫• استعمال الحاكم التكاملي منفردا يؤدي إلى حلقة تحكم غير مستقرة مهما كانت قيم الحاكم‬ ‫المختارة‪ .‬معامل الحاكم التكاملي ‪ Ki‬يسبب التذبذب في خرج حلقة التحكم‪ .‬لذلك‪ ،‬ل يستعمل‬ ‫الحاكم التكاملي في دائرة التحكم في مستوى السائل في الخزان‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التحكم اللي الرقمي‬ ‫• بالضافة إلى الحاكمات اللكترونية التماثلية‪ ،‬نستخدم الحاكمات الرقمية المبنية على وحدة‬ ‫إدارة م برمجة‪ .‬الحاكمات الرقمي ة أص بحت كثيرة الستعمال‪ .‬خوارزميات الحاكمات‬ ‫الرقمي ة مخزن ة ف ي معالجات رقمية‪ .‬هذه المعالجات الرقمي ة يمك ن أن تكون معالجات‬ ‫بسيطة أو معالجات معقدة للتحكم في العمليات الصناعية أو أجهزة نظم تحكم آلي باستخدام‬ ‫حاكمات رقمية‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫عناصر الحاكمات الرقمية‬ ‫• إشارة الخطأ )‪ e(t‬التماثلية والمستمرة زمنيا تجزأ) )‪ sampled‬في البداية خلل زمن‬ ‫ثاب ت المجال وتحول إل ى قيم ة رقمي ة باس تعمال المحول م ن تماثل ي إلى رقمي‪A/D‬‬ ‫‪ Converter‬الموجود داخ ل الحاك م الرقم ي‪ ،‬ث م يقوم الحاك م المبن ي عل ى الخوارزمية‬ ‫المبرمجة بحساب المتغيرة المعالجة المناسبة‪ .‬ثم تحول هذه المتغيرة المعالجة الرقمية إلى‬ ‫تماثلية مرة ثانية عن طريق محول من رقمي إلى تماثلي ‪ D/A Converter‬ثم تمرر‬ ‫بعدها إلى النظام المتحكم فيه‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫مميزات التحكم الرقمي المباشر‬ ‫• الميزة الرئيسية للحاكم الرقمي هي المرونة‪ ،‬أي أن استراتيجية التحكم بهذه الحاكمات يمكن‬ ‫تغييرها أو استبدالها كليا فقط بتغيير بعض السطر من البرمجة بدون التأثير بتاتا على العناصر‬ ‫المادي ة ‪ . Hardware‬حت ى اس تراتيجيات التحك م المعقدة مث ل الحاكمات الغامضة ‪Fuzzy‬‬ ‫‪ Controllers‬أو الحاكمات المتكيفة ‪ Adaptive Controllers‬التي يمكن تغييرها‪ .‬إضافة‬ ‫لهذه المزايا يمكن استعمال الحاكمات الرقمية في التحكم في عدة عمليات في نفس الوقت‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫خوارازمية الحاكم ‪PID‬‬ ‫• بما أن خوارزمية التحكم تحتاج إلى زمن معين للمعالجة‪ .‬المعالجات الرقمية تعمل على‬ ‫شكل وحدات زمنية متقطعة‪ .‬هذا يعني أنها تحسب المتغيرة المعالجة الحالية في فترة زمنية‬ ‫محددة‪ ،‬تسمى زمن التجزئة ‪ . Sampling (T) Time‬المتغيرة المعالجة يحافظ عليها‬ ‫ثابتة خلل هذه الفترة الزمنية‪ .‬وينتج عن هذا دالة متدرجة ذات عرض ثابت)‪ (T‬كخرج لهذه‬ ‫المتغيرة‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫التعدي‪Overshoot‬‬ ‫• إذا تعدت المتغيرة المتحكم فيها ‪ x‬القيمة النهائية للستقرار ‪ xo‬قبل أن تستقر عندها‪ ،‬فإن‬ ‫الحلقة المتحكم فيها تظهر ما يسمى بالتعدي‪ .‬سعة التعدي ‪ xm‬هو بارامتر من حلقة التحكم‬ ‫ويعرف بأنه أقصى انحراف للمتغيرة المتحكم فيها‪ .‬ويمثل بنسبة مئوية من القيمة النهائية‬ ‫لحالة الستقرار) مثل ‪ .( x m=10%‬التعدي المفرط غير مرغوب فيه‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫معايير أداء حلقات التحكم اللي‬ ‫• زمن الصعود ‪Rise Time Ton‬‬ ‫• زمن الستقرار ‪Settling Time Toff‬‬ ‫• زمن الصعود يرمز له ‪ Tan‬وزمن الستقرار يرمز له ‪ .Taus‬يقيسان سرعة التصحيح‬ ‫ونسبة عرض نطاق التفاوت)‪ .(= dxo ± 10 %‬حول قيمة الستقرار النهائية للمتغيرة‬ ‫المتحك م فيه ا ‪ x(t). Tan‬يمث ل زم ن الص عود حت ى تص ل الس تجابة إل ى بداي ة منطقة‬ ‫التفاوت لول مرة‪ Taus .‬يمثل الزمن الذي تحافظ فيه )‪ x(t‬على بعد ثابت من نطاق‬ ‫التفاوت ول تغادره أبدا‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫خطوات البحث عن الحل المثل للحاكم ‪PID‬‬ ‫التحكم اللي في درجة الحرارة‬ ‫• يتم تصميم الحاكم ‪ PID‬خلل مرحلتين‪ .‬في المرحلة الولى يجب اختيار الحاكم ‪P, PI,‬‬ ‫‪ . PID‬حسب نوع النظام المتحكم فيه مثل) بتعويض أو بدون تعويض(‪،‬وما الهدف من‬ ‫التحكم‪ .‬بهذا يمكن أن نعين بارامترات الحاكم‪ .‬للقيام بهذه العملية نحتاج إلى ما يسمى‬ ‫بمراحل البحث عن الحل المثل‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫خطوات البحث عن الحل المثل للحاكمات ‪PID‬‬ ‫النظام المتحكم فيه بتعويض‬ ‫• بارامترات الحاكههم المعتههبرة ‪ Kp, Tn, Tv :‬ترتبههط بمواصههفات النظام المتحكم‬ ‫فيه)ديناميكية النظام(‪ .‬في حالة التحكم بتعويض يلزم القيام بكثير من عمليات الضبط‪،‬‬ ‫وإجرائية البحث عن الحل المثل الخاصة بالمعاملت‪ :‬زمن )التعويض ; )‪) Tg‬زمن‬ ‫التأخير ‪(T u‬و )معامل التناسب ‪.(Kp‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫نتيجة‬ ‫• بس بب قيم ة الكس ب ‪ Kp‬العالي ة نلح ظ تذبذب المتغيرة المعالجة‪ .‬وهذا يؤدي بالحاكم‬ ‫بالوصول إلى ‪10v+‬‬ ‫• و ‪ 10v-‬عل ى التوالي‪ .‬وبالتال ي فإ ن المتغيرة المتحك م فيه ا تتذبذب حول قيمة الدخل‪.‬‬ ‫لتصحيح استجابة الحاكم يجب تعديل قيم الكسب ‪.Kp‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫نتيجة‬ ‫• تعمل الحدود التناسبي‪ ،‬التكاملي والتفاضلي معا لتجمع وتعطي خرجا واحدا لعنصر‬ ‫التحكم ‪ . PID‬إذا رمزنا لدالة الخرج فستكون قيمتها معطاة بالعلقة‪:‬‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫بحيث تكون عناصر الموالفة هي‪:‬‬ ‫التضخيم التناسبي‪ ,‬ويمكن زيادتها لتسريع الستجابة ولكن إلى الحد الذي يبقي على‬ ‫استقرارية النظام‪.‬‬ ‫التضخيم التكاملي‪ ,‬لتسريع عملية إزالة الخطأ‪.‬‬ ‫التضخيم التفاضلي لتقليل عملية الطلقة أو النطة مع مراعاة تأثير الضوضاء‪.‬‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

‫الموالفة‬ ‫•‬

‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬ ‫•‬

‫تعد عملية موالفة الحلقة ‪ Loop tuning‬من أعقد وأخطر عمليات التحكم لسيما الموالفة المباشرة أثناء‬ ‫العمليات والسبب هو عدم وجود قانون ثابت يحكم العملية ‪ .Process‬إذا أخطأنا باختيار القيم المناسبة‬ ‫لعناصر الموالفة )معاملت المضخم التناسبي‪ ،‬التكاملي‪ ،‬والتفاضلي( يمكن أن تصبح العملية المراد التحكم‬ ‫بها غير مستقرة وربما تخرج عن السيطرة‪ .‬فبدل عن الحصول على قيمة مستقرة بعد فترة من الزمن قد‬ ‫يصبح هناك إما وقت أطول للحصول على هذه القيمة المستقرة أو ربما ل تستقر وتظل في حالة تذبذب‬ ‫طوال الوقت وربما ما هو أسوأ وهو تضخيم عملية التذبذب مع الوقت حتى تخرج عن السيطرة تماما‪.‬‬ ‫هناك بعض الطرق المشهورة في عملية الموالفة التقريبية والتي تحاول الستفادة من تجربة عملية )تتم‬ ‫عادة بالسلوب اليدوي ‪ (Manual Mode‬أولية أو أكثر على العملية ‪ Process‬وقد تكون إما حلقة‬ ‫مفتوحة أو مغلقة أشهرها مايلي‪.‬‬ ‫الموالفة اليدوية‬ ‫‪Ziegler-Nichols‬‬ ‫‪Software tools‬‬ ‫‪Cohen-Coon‬كوهن كون‬

‫‪KEEP OUR EFFORTS ROLLING‬‬

Thank You…

[email protected] (Tel): (Fax):

KEEP OUR EFFORTS ROLLING

+ 962 6 5522807 + 962 6 5532707