کنترلر

هدف از کنترل، تنظیم فرایند درشرایط مورد نظر است. در آغاز سیستمهای کنترلیِ صنعتی، عموماً سیستمهای نیوماتیک ( بادی) بودند که هم برای انتقال فرمان ها (سیگنال ها) و هم برای تنظیم شیرکنترل مورد استفاده قرار می گرفتند. برخی مفاهیم اساسی در بحث کنترل عبارتند از: متغیرهای کنترلی، مقایسه، کنترلر،فرمان، فرایند، پس خور، اغتشاش و بار، حالت یکنواخت و تاخیر زمانی می باشد. در بحث طراحی کنترلر یکی از مهمترین قسمت ها بررسی پایداری سیستم می باشد. یک سیستم هنگامی پایدار است که اگر یک ورودی محدود به سیستم وارد شود پس از مدت زمان معینی خروجی محدود بماند. روش های مهم در طراحی کنترلر را می توان بدین ترتیب تقسیم کرد:
-سیستم مدار بسته
-کنترل پیش خور
-کنترلر Feed Forward/Feed Back
-کنترل زنجیره ای

نام (فارسی):کنترلر
نام (انگلیسی): Controller
سایر اسامی: دستگاه فرمان – کنترل کننده

سیر تحولات سیستمهای کنترلی
در آغاز سیستمهای کنترلیِ صنعتی، عموماً سیستمهای نیوماتیک( بادی) بودند که هم برای انتقال فرمان ها (سیگنال ها) و هم برای تنظیم شیرکنترل مورد استفاده قرار می گرفتند. سیگنالهای نیوماتیک همگی فشاری هستند و با فشاری بین ۳ تا ۱۵ psi قادر به تنظیم فرمانها می باشند. سیستمهای نیوماتیک با وجود ایمنی زیاد( به خاطر استفاده از هوا) دارای مشکلات فراوانی می باشند. زیرا تمامی قسمتهای سیستم مکانیکی هستند و اصطکاک زیاد و به هم خوردن کالیبراسیون همواره برای واحدهای صنعتی ایجاد مشکل می کنند. مشکل مهم این سیستمها هنگام انتقال سیگنالها و (فرمانها) از قسمت دستگاهها تا اتاق کنترل می باشد که زمان طولانی احتیاج دارد و مشکلات زیادی برای کنترل سیستم به وجود می آورد. در دهه ۶۰ به علت مشکلات به وجود آمده توسط سیستمهای کنترلی بادی و همگام با گسترش صنایع الکترونیکی مهندسان به استفاده بیشتر از تجهیزات الکتریکی روی آوردند. در این زمان با استفاده از قطعات الکترونیکی مثل مقاومت، دیود و سلف تواستند سیگنالهای الکتریکی را جهت تنظیم و کنترل به کار گیرند. مزایای استفاده از چنین سیستمهایی عبارتند از: ارزانتر بودن نسبت به سیستمهای نیوماتیک نداشتن تاخیر زمانی با وجود این مزیتهای مهم به علت مسائل ایمنی، در ابتدا این صنعت زیاد مورد استقبال قرار نگرفت. اما مشکل جرقه زدن با استفاده از short circuit حل شد و پس از آن به سرعت وارد صنعت گردید. در این زمان شیرهای کنترلی جدیدی به نام شیرهای موتوری وارد بازار شدند که دقت زیادی داشتند اما به علت دینامیک کند مورد استقبال قرار نگرفتند. عمدتاً ثابت زمانی شیرهای کنترلی موتوری در حد چند دقیقه می باشد در حالیکه ثابت زمانی شیرهای کنترلی بادی در حد چند ثانیه می باشد. با توجه به دینامیک سریع شیرکنترل های بادی و مزایای سیستمهای کنترل الکترونیکی در این دهه دستگاهی به نام I to P convector به بازار عرضه شد. I to P این اجازه را به طراح می دهد که تا سر شیر کنترل تمامی فرمانها الکترونیکی باشند و درست در بالای شیر کنترل با استفاده از یک I to P این فرمانهای الکتریکی به فرکانسهای نیوماتیک تبدیل می گردند. در دهه ۷۰ عمده تحولات در بخش کنترل به وجود آمد و پس از مدتی وسایل انداره گیری پیشرفته نیز عرضه شد. این بار میکروپروسسور به جای قطعات الکتریکی همچون مقاومت دیود و سلف به کار گرفته شد.

مزایای میکروپروسسور عبارتند از:
ارزانتر بودن قابلیت محاسبه با سرعت بسیار زیاد به کارگیری تنظیم کننده خودکار (Auto tuner mode)
اتاق کنترل یک سیستم کنترلی دیجیتال در دهه ۸۰ با استفاده از یک کامپیوتر قوی تحول عمده ای در صنعت کنترل صورت گرفت. تا قبل از استفاده از سیستم های DCS هر حلقه کنترلی با یک میکروپروسسور کنترل می شد اما پس از ابداع DCS کل plant با استفاده از یک میکروپروسسور قوی کنترل می شود. تنها مشکل DCS این است که اگر میکروپروسسور از کار بیفتد تمامی plant به تبع آن از کار می افتد. در نیمه این دهه با قسمت کردن plant تا حدود زیادی مشکل حل شد اما از آنجا که هر قسمت یک میکروپروسسور لازم دارد، هزینه کنترل بالا رفت. امروزه جهت مقابله با این مشکل از دو میکروپروسسور به صورت موازی استفاده می شود. یعنی کل plant با دو میکروپروسسور کنترل می شود. این عمل بدین صورت است که هر دو میکروپروسسور ورودی دارند و محاسبات را همزمان انجام می دهند اما تنها یکی از این دو خروجی دارد و دیگری در حالت آماده به کار (Stand By) می باشد تا اگر میکروپروسسور اول از کار افتاد (fail کرد) سریعا دومی در همان لحظه وارد عمل گردد.

شرح و توصیف:
هدف از کنترل، تنظیم فرایند درشرایط مورد نظر است. در ابتدا جهت آشنایی با برخی از مفاهیم کنترل فرایند به شکل ساده ای از کنترل یک فرایند می پردازیم. فرایند مورد نظر برای گرم کردن آب (توسط یک سیال داغ) بکار رفته است. نحوه عمل بدین صورت است که ابتدا آب وارد یک مخزن به عنوان آب گرمکن می شود و توسط یک کویل حرارتی (لوله هایی که در آن یک سیال داغ وجود دارد) آب گرم می شود.
الف) اندازه گیری: توسط مسئول دستگاه و با استفاده از لمس نمودن آب خروجی از آب گرمکن میزان گرم یا سرد بودن آب اندازه گیری می شود.
ب) مقایسه: مسئول دستگاه، میزان گرمی آب خروجی را با میزان گرمی مطلوب ( آنچه باید باشد ) در ذهن مقایسه می کند.
ج) کنترل: حال با توجه به مقایسه صورت گرفته و متناسب با میزان دوری از حالت مطلوب، شیر ج را باز یا بسته می نماید و سعی می نماید اختلاف دمای موجود را کاهش دهد.
این مجموعه عملیات الف-ب-ج آنقدر ادامه می یابد تا در نهایت میزان گرمی آب خروجی برابر مقدار مطلوب شود. این مثال ساده اساس کار یک کنترلر متداول می باشد اما مسلم است که در صنعت هیچگاه از یک شخص به طور مستقیم و مداوم نمی توان استفاده کرد.
در مقایسه گر، متغیر کنترل شونده با مقدار مطلوب (مقدار مقرر ) مقایسه می شود و اگر اختلافی بین مقدار متغیر اندازه گیری شده و مقدار مطلوب موجود باشد توسط مقایسه گر، خطا (error) ایجاد می شود و به کنترلر (Controller) فرستاده می شود. حال کنترلر با توجه به خطای ورودی تنظیمات لازم را برای شیرکنترل( عنصر کنترل نهایی) ارسال می کند. حال دوباره اندازه گیر( مثلاً دماسنج) با اندازه گیری هایی که از سیستم به عمل می آورد برای مقایسه کننده مشخص می کند که آیا به مقدار مطلوب رسیده ایم یا خیر و پس از آن مجموعه مراحل فوق دوباره تکرار می شود.

برخی مفاهیم اساسی در بحث کنترل متغیرهای کنترلی:
در بحث کنترل فرایند، متغیرهای کنترلی عبارتند از ۱-دما ۲-فشار ۳- جریان ۴- سطح
اندازه گیری:
عمل اندازه گیری توسط عنصر اندازه گیرِ متغیرهای کنترلی در یک فرایند( ۴ مورد فوق ) صورت می گیرد. چگونگی اندازه گیری و دستگاههای مربوطه در ابزار دقیق به طور مفصل مورد بحث قرار گرفته اند.
مقایسه:
مقایسه توسط دستگاه مقایسه کننده صورت می گیرد. این مقایسه بین مقدار مطلوب (Set point) و کمیت اندازه گیری شده توسط عنصر اندازه گیر انجام می گیرد. قلم های ثبات در کنترل کننده های قدیمی این عمل را انجام می دهند و نتیجه را به صورت فاصله عقربه از مقدار مقرر برای کنترلر ارسال می کنند.
کنترلر:
با توجه به خطای (error) فرستاده شده از مقایسه گر فرمان مقتضی را برای شیر کنترل ارسال می کند. مثلاً در مرسوم ترین نوع کنترلر که کنترلر PID (Proportional Integral Differential)  می باشد فرمان ارسال شده به صورت سیگنالهای الکتریکی یا بادی می باشد.
فرمان (Signal): پس از اندازه گیری تغییرات مشاهده شده در فرایند باید این تغییرات را به طریقی به سایر قسمتها منتقل کرد. در یک مدار کنترل از یکی از فرمانهای زیر استفاده می شود.
۱-فرمان برقی:
فرمان برقی بیشتر برای مسافت های دور مورد استفاده قرار می گیرد. مثلاً برای فرستادن فرمان از اتاق کنترل تا سر شیرکنترل یا از وسایل اندازه گیری تا اتاق کنترل.
۲-فرمان بادی:
در فواصل کوتاه برای انتقال تغییر روند از فرمان هوایی استفاده می گردد. در بعضی شرایط بجای هوا ازگازها و یا مایعات (هیدرولیکی) نیز استفاده می گردد. به علت سرعت بالای تغییرات در شیر کنترل از فرمان بادی به صورت هوای فشرده استفاده می گردد. بدین ترتیب از اتاق کنترل تا سر شیر کنترل فرمان به صورت الکتریکی و برای سرعت بخشیدن به دینامیک سیستم از هوای فشرده جهت باز و بسته شدن اکثر شیرهای کنترلی استفاده می شود. البته گاهی اوقات شیر کنترل با موتور الکتریکی به حرکت در می آید که همانطور که گفته شد سرعت پایینی دارد.
۳-فرمان مکانیکی:
این نوع فرمان در داخل ابزار دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و در مدار کنترل استفاده نمی شود.

فرایند: دستگاه یا مجموعه دستگاه هایی که باید در حد شرایط مورد نظر کنترل شوند را فرایند گویند.
پس خور: اغلب راهکار تنظیم یک فرایند به صورت پس خور می باشد یعنی پس از آنکه تغییرات توسط کنترلر به سیستم اعمال شد، به صورت مستمر متغیرهای سیستم(فرایند ) اندازه گیری می شوند و به مقایسه گر پس خورانیده می شوند تا آنکه خطا صفر شود.
حالت یکنواخت: یک فرایند را هنگامی می توان در حالت یکنواخت نامید که هیچ یک از متغیرها با گذشت زمان تغییر نکند. در اکثر فرایندهای صنعتی تمامی دستگاهها باید حول یک نقطه ثابت که طراحی شده اند کار کنند که نقطه یکنواخت نامیده می شود.
اغتشاش و بار: معمولاً فرایند ها همیشه در یک نقطه مشخص که طراحی شده اند عمل نمی کنند. این موضوع به علت نویزها می باشد. به عنوان مثال غلظت یا دبی خوراک ورودی به یک واحد ممکن است همواره تغییر کند. اگر اغتشاش ورودی به فرایند قابل اندازه گیری باشد و به نوعی بتوان آنرا مدل کرد آنرا بار (load) می نامند. راهکارهای زیادی جهت مبارزه با نویزها و بارها وجود دارد.
تاخیر زمانی (Lag): در اکثر فرایند های صنایع شیمیایی همواره یک تاخیر زمانی بین ورودی و خروجی وجود دارد. در ساده ترین مورد هنگامی که یک سیال از لوله عبور می کند هیچگاه به محض ورود به لوله از سوی دیگر خارج نمی شود. یعنی مدت زمانی به اندازه زمانیکه لازم است تا لوله با سیال ورودی پر شود لازم است تا اثر ورود سیال در خروجی ظاهر شود. این پدیده را تاخیر زمانی یا Lag می گوییم. به عنوان مثال اثر تغییر در شرایط خوراک ورودی به یک دستگاه تقطیر ممکن است دهها دقیقه به طول بیانجامد تا تاثیر آن در محصول تقطیر شده خروجی از بالای برج مشخص گردد.

طراحی کنترلر:
در حالت کلی به سه منظور کنترلر طراحی می گردد، اگر سیستم خیلی تند باشد و بخواهیم سرعت آنرا تعدیل کنیم. به عنوان مثال در مواردی سیستم بسیار حساس است و با یک تغییر کوچک عکس العمل های شدیدی ممکن است به شیر کنترل وارد کند که باعث استهلاک آن می گردد. در نتیجه بایدکنترلری طراحی شود تا مانع از عکس العمل های شدید شیرکنترل شود. در این حالت اصطلاحاً می گوییم یک دینامیک در سیستم وارد کرده ایم. گاهی سیستم مورد نظر بسیار کند است و می خواهیم سیستم سریعتر به جواب برسد. در این حالت باید مدار کنترلی بخشی از دینامیک فرایند را خنثی سازد. این کار با مدلسازی فرایند و حذف دینامیک سیستم تا جای ممکن عملی می شود. سیستم ناپایدار است و باید پایدار شود. بحث پایداری مهمترین بحث طراحی کنترلر می باشد و تمامی سیستمها باید به دقت مورد مطالعه واقع شوند تا ببینیم سیستم پایدار است یا خیر. در صورت پایداری باید با الگوریتم های موجود آنرا پیاده سازی کنیم. حتی اگر سیستم پایدار باشد باید مواظب باشیم تا پس از بستن مدار و طراحی کنترلر سیستم ناپایدار نگردد. در هنگام طراحی از این عامل به عنوان یکی از پارامترهای طراحی استفاده می کنیم.
الف. یک سیستم درجه دو که خروجی شدیدی دارد.
ب. پس از قراردادن یک دینامیک در سیستم پاسخ تعدیل شده است.

تنظیم کنترلر:
در تنظیم کنترلر همواره دو عامل در نظر گرفته می شود، پایداری در بحث طراحی کنترلر یکی از مهمترین قسمت ها بررسی پایداری سیستم می باشد. یک سیستم هنگامی پایدار است که اگر یک ورودی محدود به سیستم وارد شود پس از مدت زمان معینی خروجی محدود بماند. به عنوان مثال اگر یک تغییر در دما یا دبی ورودی راکتور به وجود بیاید پس از یک مدت زمان معین انتظار آنست که شرایط عملیاتی راکتور و کیفیت محصول خارج شده مقدار معینی باشد نه آنکه پس از مدتی راکتور از کنترل خارج شود و مثلاً منفجر گردد. هنگام تنظیم کردن؟ tune کنترلر باید متوجه موضوع پایداری بود. عملکرد کنترلر در بحث عملکرد کنترلر معمولاً چند عامل در نظر گرفته می شوند و سعی طراح بر آن است که کنترلر را طوری تنظیم کند که به بهترین جواب برسد.
برخی از مهمترین پارامترهایی که در تنظیم عملکرد کنترلر در نظر گرفته می شوند عبارتند از : سرعت رسیدن به جواب نهایی آفست یا خطای ماندگار در برخی از سیستم ها به وجود می آید و باعث می شود که سیستم هیچگاه به جواب نهایی نرسد و تنها در حدود جواب نهایی قرار گیرد. معمولاً در طراحی ها سعی می شود مقدار انحراف به حداقل برسد.
اورشوت: در برخی سیستمها به وجود می آید. در این حالت سیستم در لحظه ای که ورودی به آن وارد می شود عکس العمل شدیدی نشان می دهد. این موضوع باعث بالا رفتن سرعت رسیدن به جواب نهایی می شود.اما از طرف دیگر باعث استهلاک کنترلر و خراب شدن محصولات نیز می گردد. میزان اورشوت باید بهینه می باشد.
انتگرال خطا: سطح زیر نمودار می باشد. مشخص است که هرچه این سطح کوچکتر باشد کنترلر عملکرد بهتری دارد. عموماً در طراحی دو عامل پایداری و عملکرد با هم در تقابل می باشند. بدین معنا که غالباً به خاطر پایداری باید مقداری از کیفیت عملکرد سیستم بکاهیم. به عنوان مثال برای اینکه سیستم معیار پایداری بهتری داشته باشد خصوصاً در مقابل خطای مدلسازی مقاومت نشان دهد و اصطلاحاً Robust باشد مجبوریم از سرعت دینامیکی سیستم بکاهیم و به نوعی مانع از ورودی های شدید به سیستم شویم. در تنظیم کنترلر معمولاً از روشها و جداول استاندارد استفاده می شود. یکی از مهمترین این روشها تنظیم کنترلر با روش زیگلر-نیکولز می باشد که با رجوع به جداول مربوطه می توان کنترلرهای PID را تنظیم کرد.