Kapalı Çevrim Sistemi

Kapalı çevrim sistemi, hataları azaltmak ve kararlılığı artırmak için çıkış sinyalinin bir kısmının girişe geri beslendiği geri bildirimi kullanır.

Çıktı miktarının kontrol sürecine girdi üzerinde hiçbir etkisinin olmadığı sistemlere açık çevrim kontrol sistemleri denir ve bu açıkçevrim sistemleri tam da bu, açık uçlu geri beslemesiz sistemlerdir.

Ancak herhangi bir elektrikli veya elektronik kontrol sisteminin amacı, bir süreci ölçmek, izlemek ve kontrol etmektir ve süreci doğru bir şekilde kontrol edebilmemizin bir yolu, çıktısını izlemek ve gerçek çıktıyı karşılaştırmak için bir kısmını geri “beslemek”tir. hatayı azaltmak için istenen çıktıyı verir ve bozulursa sistemin çıktısını orijinal veya istenen yanıta geri getirir.

Ölçülen çıktının miktarına “geri besleme sinyali” denir ve hem kendini kontrol etmek hem de kendini ayarlamak için geri besleme sinyallerini kullanan kontrol sistemi tipine Kapalı Çevrim Sistemi denir.

Geri besleme kontrol sistemi olarak da bilinen Kapalı Çevrim Kontrol Sistemi, ileri yolu olarak bir açık çevrim sistemi kavramını kullanan, ancak bir veya daha fazla geri besleme döngüsüne (dolayısıyla adı) veya çıkışı ile onun arasında bir yola sahip olan bir kontrol sistemidir. “Geri bildirim” referansı, basitçe, çıktının bir kısmının, sistem uyarımının bir parçasını oluşturmak için girdiye “geri” döndürüldüğü anlamına gelir.

Kapalı çevrim sistemler, istenen çıktı koşulunu gerçek durumla karşılaştırarak otomatik olarak elde etmek ve sürdürmek için tasarlanmıştır. Bunu, çıkış ve referans girişi arasındaki fark olan bir hata sinyali üreterek yapar. Başka bir deyişle, bir “kapalı döngü sistemi”, kontrol eyleminin bir şekilde çıkışa bağlı olduğu tam otomatik bir kontrol sistemidir.

Örneğin, önceki Açık Çevrim Sistemi eğitimindeki elektrikli çamaşır kurutma makinemizi düşünün. Giysilerin sıcaklığını veya kuruluğunu sürekli olarak izlemek için bir sensör veya dönüştürücü (giriş cihazı) kullandığımızı ve kuruluk ile ilgili bir sinyali aşağıda gösterildiği gibi kontrolöre geri gönderdiğimizi varsayalım.

Kapalı Çevrim Sistemi

Kapalı Çevrim Sistemi
Kapalı Çevrim Sistemi

Bu sensör, giysilerin gerçek kuruluğunu izler ve bunu giriş referansıyla karşılaştırır (veya ondan çıkarır). Hata sinyali (hata = gerekli kuruluk – gerçek kuruluk) kontrolör tarafından güçlendirilir ve kontrolör çıkışı, herhangi bir hatayı azaltmak için ısıtma sistemine gerekli düzeltmeyi yapar. Örneğin, giysiler çok ıslaksa, kontrolör sıcaklığı veya kuruma süresini artırabilir. Benzer şekilde, giysiler neredeyse kuruysa, giysileri aşırı ısıtmamak veya yakmamak vb. için sıcaklığı düşürebilir veya işlemi durdurabilir.

Ardından kapalı çevrim konfigürasyonu, giysi kurutma sistemimizdeki sensörden türetilen geri bildirim sinyali ile karakterize edilir. Ortaya çıkan hata sinyalinin büyüklüğü ve polaritesi, giysilerin gerekli kuruluk ve gerçek kuruluğu arasındaki farkla doğrudan ilişkili olacaktır.

Ayrıca, kapalı çevrim bir sistem çıkış durumu hakkında (sensör aracılığıyla) bir miktar bilgiye sahip olduğundan, istenen görevi tamamlama yeteneğini azaltabilecek herhangi bir sistem bozukluğunu veya koşullardaki değişiklikleri ele almak için daha donanımlıdır.

Örneğin, daha önce olduğu gibi, kurutucu kapağı açılır ve ısı kaybedilir. Bu sefer sıcaklıktaki sapma geri besleme sensörü tarafından algılanır ve kontrolör, önceden ayarlanmış değerin sınırları içinde sabit bir sıcaklığı korumak için hatayı kendi kendine düzeltir. Veya muhtemelen işlemi durdurur ve operatörü bilgilendirmek için bir alarmı etkinleştirir.

Gördüğümüz gibi, bir kapalı çevrim kontrol sisteminde giriş sinyali ile geri besleme sinyali arasındaki fark olan hata sinyali (çıkış sinyalinin kendisi veya çıkış sinyalinin bir fonksiyonu olabilir) kontrolöre beslenir. Sistem hatasını azaltmak ve sistemin çıktısını istenen değere geri getirmek için. Bizim durumumuzda giysilerin kuruluğu. Açıkça, hata sıfır olduğunda çamaşırlar kurudur.

Kapalı çevrim kontrolü terimi, sistemdeki herhangi bir hatayı azaltmak için her zaman bir geri besleme kontrol eyleminin kullanımını ve açık döngü ile kapalı döngü sistemi arasındaki temel farkları ayıran “geri bildirimini” ifade eder. Bu nedenle çıktı, genel olarak çok doğru yapılabilen geri besleme yoluna bağlıdır ve elektronik kontrol sistemleri ve devreleri içinde geri besleme kontrolü, açık döngü veya ileri besleme kontrolünden daha yaygın olarak kullanılır.

Kapalı çevrim sistemleri, açık çevrim sistemlere göre birçok avantaja sahiptir. Kapalı çevrim geri besleme kontrol sisteminin birincil avantajı, sistemin harici parazitlere karşı hassasiyetini azaltma yeteneğidir, örneğin kurutucu kapağının açılması, sisteme daha sağlam bir kontrol sağlar, çünkü geri besleme sinyalindeki herhangi bir değişiklik, telafi ile sonuçlanacaktır.

Daha sonra Kapalı Çevrim Kontrolün ana özelliklerini şu şekilde tanımlayabiliriz:

  • Sistem girişini otomatik olarak ayarlayarak hataları azaltmak.
  • Kararsız bir sistemin kararlılığını artırmak için.
  • Sistem hassasiyetini artırmak veya azaltmak için.
  • Süreçteki dış etkenlere karşı sağlamlığı artırmak.
  • Güvenilir ve tekrarlanabilir bir performans üretmek.

İyi bir kapalı çevrim sistemi, bir açık çevrim kontrol sistemine göre birçok avantaja sahip olabilirken, ana dezavantajı, gerekli miktarda kontrolü sağlamak için bir kapalıçevrim sisteminin bir veya daha fazla geri besleme yoluna sahip olarak daha karmaşık olması gerektiğidir. Ayrıca, kontrolörün kazancı, giriş komutlarındaki veya sinyallerindeki değişikliklere karşı çok hassassa, kararsız hale gelebilir ve kontrolör kendini aşırı düzeltmeye çalıştığında salınım yapmaya başlayabilir ve sonunda bir şeyler bozulur. Bu nedenle, sisteme önceden tanımlanmış bazı sınırlar içinde nasıl davranmasını istediğimizi “söylememiz” gerekir.

Kapalı Çevrim Sistemi Toplama Noktaları

Bir kapalı çevrim geri besleme sisteminin herhangi bir kontrol sinyalini düzenlemesi için, öncelikle gerçek çıkış ile istenen çıkış arasındaki hatayı belirlemesi gerekir. Bu, geri besleme döngüsü ve sistem girişi arasında karşılaştırma öğesi olarak da adlandırılan bir toplama noktası kullanılarak elde edilir. Bu toplama noktaları, bir sistem ayar noktasını gerçek değerle karşılaştırır ve kontrolörün de yanıt verdiği pozitif veya negatif bir hata sinyali üretir.

Burada: Hata = Ayar noktası – Gerçek nokta.

Kapalı Çevrim Sistemi

Kapalı çevrim sistemler blok diyagramında bir toplama noktasını temsil etmek için kullanılan sembol, gösterildiği gibi iki çapraz çizgili bir dairenin sembolüdür. Toplama noktası  , cihazın bir “sum” (pozitif geri besleme için kullanılır) olduğunu gösteren bir Artı ( + ) sembolünün kullanıldığı sinyalleri birbirine ekleyebilir veya sinyalleri birbirinden çıkarabilir, bu durumda bir Eksi (  –  ) gösterildiği gibi cihazın bir “karşılaştırıcı” (negatif geri besleme için kullanılır) olduğunu gösteren sembolü kullanılır.

Toplama Noktası Türleri

Kapalı Çevrim Sistemi

Toplama noktaları, toplama veya çıkarma girişleri olarak birden fazla sinyale sahip olabilir, ancak girişlerin cebirsel toplamı olan yalnızca bir çıkışa sahip olabilir. Ayrıca oklar sinyallerin yönünü gösterir. Belirli bir noktada daha fazla girdi değişkeninin toplanmasına izin vermek için toplama noktaları birlikte basamaklandırılabilir.

Kapalı Çevrim Sistem Transfer Fonksiyonu

Transfer Fonksiyonu herhangi bir elektrikli veya elektronik kontrol sisteminin sistem giriş ve çıkış arasındaki matematiksel bir ilişki olduğu ve bu yüzden sistemin davranışını tarif etmektedir. Ayrıca, belirli bir cihazın çıktısının girdisine oranının, kazancını temsil ettiğine dikkat edin. O zaman çıktının her zaman sistemin transfer fonksiyonu çarpı girdi olduğunu doğru bir şekilde söyleyebiliriz. Aşağıdaki kapalı döngü sistemini düşünün.

Kapalı Çevrim Sistemi
Kapalı Çevrim Sistem Temsili

Burada: G bloğu, kontrolörün veya sistemin açık döngü kazançlarını temsil eder ve ileri yoldur ve H bloğu, geri besleme yolundaki sensör, dönüştürücü veya ölçüm sisteminin kazancını temsil eder.

Yukarıdaki kapalı döngü sisteminin transfer fonksiyonunu bulmak için, önce çıkış sinyalini θo giriş sinyali θi cinsinden hesaplamalıyız . Bunun için verilen blok diyagramın denklemlerini aşağıdaki gibi kolayca yazabiliriz.

Output = Çıktı , Input = Girdi , Error = Hata

Sistemden gelen çıktı şuna eşittir:     Çıktı = G x Hata

Hata sinyalinin, θe ayrıca ileri besleme bloğunun girişi olduğuna dikkat edin:   G

Toplama noktasından elde edilen çıktı şuna eşittir:     Hata = Girdi – H x Çıktı

Eğer, H = 1 ise (geri beslemeli):

Toplama noktasından çıkan çıktı şöyle olacaktır:     Hata (θe) = Giriş – Çıkış

Hata terimini ortadan kaldırmak için:

Çıktı şuna eşittir:     Çıktı = G x (Giriş – H x Çıktı)

Bu nedenle:     G x Girdi = Çıktı + G ​​x Y x Çıktı

Yukarıdakileri yeniden düzenlemek bize aşağıdakilerin kapalı döngü transfer fonksiyonunu verir:

Kapalı Çevrim Sistemi

Bir kapalı çevrim sisteminin transfer fonksiyonu için yukarıdaki denklem, paydada negatif geri beslemeyi temsil eden bir Artı ( + ) işareti gösterir. Pozitif bir geri besleme sistemi ile, payda Eksi ( – ) işaretine sahip olacaktır ve denklem şöyle olur: 1 – GH.

Kapalı Çevrim Sistemi

Ayrıca, sistem kararlı durum kazancı G azaldıkça, G/(1 + G) ifadesi çok daha yavaş azalır. Başka bir deyişle, sistem, G ile temsil edilen sistem kazancındaki değişikliklere karşı oldukça duyarsızdır ve bu, bir kapalı döngü sisteminin ana avantajlarından biridir.

Çoklu Kapalı Çevrim Sistemi

Yukarıdaki örneğimiz tek girişli, tek çıkışlı kapalı çevrim sistemiyken, temel transfer işlevi hala daha karmaşık çok döngülü sistemler için geçerlidir. Çoğu pratik geri besleme devresi, bir tür çoklu çevrim kontrolüne sahiptir ve çok döngülü bir konfigürasyon için, kontrollü ve manipüle edilmiş bir değişken arasındaki transfer işlevi, diğer geri besleme kontrol döngülerinin açık veya kapalı olmasına bağlıdır.

Aşağıdaki çoklu çevrim sistemini düşünün.

Kapalı Çevrim Sistemi

1 ve G 2 gibi basamaklı bloklar ve ayrıca gösterildiği gibi iç döngünün transfer fonksiyonu azaltılabilir.

Kapalı Çevrim Sistemi

Blokların daha da azaltılmasından sonra, önceki tek döngülü kapalı döngü sistemine benzeyen son bir blok diyagramı elde ederiz.

Kapalı Çevrim Sistemi

Ve bu çok döngülü sistemin transfer fonksiyonu şu hale gelir:

Kapalı Çevrim Sistemi

O zaman, karmaşık çok bloklu veya çok döngülü blok diyagramlarının bile, tek bir ortak sistem transfer fonksiyonu ile tek bir blok diyagramı verecek şekilde indirgenebileceğini görebiliriz.

Kapalı Çevrim Motor Kontrolü

Peki Kapalı Çevrim Sistemleri Elektronikte nasıl kullanabiliriz. Önceki açık çevrim eğitimindeki DC motor kontrolörümüzü düşünün. DC motorun miline takometre gibi bir hız ölçüm transdüseri bağlasaydık, hızını algılayabilir ve amplifikatöre motor hızıyla orantılı bir sinyal gönderebilirdik. Takometre jeneratörü olarak da bilinen takometre, motorun hızıyla orantılı bir DC çıkış voltajı veren sabit mıknatıslı bir DC jeneratörüdür.

Ardından, potansiyometre kaydırıcısının konumu, DC motoru , sistemin çıkışını, θo’yu temsil eden bir N ayar hızında sürmek için amplifikatör (kontrolör) tarafından yükseltilen girişi, θi’yi temsil eder ve takometre T kapalı döngü olacaktır. Giriş voltajı ayarı ile geri besleme voltajı seviyesi arasındaki fark, gösterildiği gibi hata sinyalini verir.

Kapalı Çevrim Motor Kontrolü

Kapalı Çevrim Sistemi

Motor yükünün artması gibi kapalı çevrim motor kontrol sisteminde herhangi bir harici bozulma, gerçek motor hızında ve potansiyometre giriş ayar noktasında bir fark yaratacaktır.

Bu fark, kontrolörün motor hızını ayarlayarak otomatik olarak yanıt vereceği bir hata sinyali üretecektir. Ardından kontrolör, ayar noktasına eşit olan gerçek hızı gösteren sıfır hata ile hata sinyalini en aza indirmek için çalışır.

Elektronik olarak, böyle basit bir kapalı döngü takometre-geri beslemeli motor kontrol devresini, gösterildiği gibi kontrolör için bir işlemsel yükselteç (op-amp) kullanarak uygulayabiliriz.

Kapalı Çevrim Motor Kontrol Devresi

Kapalı Çevrim Sistemi

Bu basit kapalı çevrim motor kontrolörü, gösterildiği gibi bir blok diyagram olarak gösterilebilir.

Geri Besleme Denetleyicisi için Blok Şeması

Kapalı Çevrim Sistemi

Kapalı çevrim motor kontrolörü, kontrolörden girişe uygulanan ortalama voltajı değiştirerek değişen yük koşulları altında istenen bir motor hızını korumanın yaygın bir yoludur. Takometre, bir optik kodlayıcı veya Hall-etki tipi konumsal veya döner sensör ile değiştirilebilir.

Özetle

Bir veya daha fazla geri besleme yoluna sahip bir elektronik kontrol sisteminin Kapalı Çevrim Sistemi olarak adlandırıldığını gördük. Kapalı çevrim kontrol sistemleri aynı zamanda “geri besleme kontrol sistemleri” olarak da adlandırılır, proses kontrol ve elektronik kontrol sistemlerinde çok yaygındır. Geri besleme sistemleri, istenen ayar noktası koşuluyla karşılaştırma için girişe “geri beslenen” çıkış sinyallerinin bir kısmına sahiptir. Geri besleme sinyalinin türü, olumlu geri besleme veya olumsuz geri besleme ile sonuçlanabilir.

Kapalı çevrim bir sistemde, bir sistemin çıkışını gerekli koşulla karşılaştırmak ve hatayı, hatayı azaltmak ve sistemin çıkışını istenen yanıta geri getirmek için tasarlanmış bir kontrol eylemine dönüştürmek için bir kontrolör kullanılır. Daha sonra kapalı döngü kontrol sistemleri, sisteme gerçek girişi belirlemek için geri besleme kullanır ve birden fazla geri besleme döngüsüne sahip olabilir.

Kapalı çevrim kontrol sistemleri, açık çevrim sistemlere göre birçok avantaja sahiptir. Bir avantajı, geri besleme kullanımının sistem tepkisini, sıcaklık gibi sistem parametrelerindeki harici rahatsızlıklara ve dahili değişikliklere karşı nispeten duyarsız hale getirmesidir. Bu nedenle, belirli bir proses veya tesisin doğru kontrolünü elde etmek için nispeten yanlış ve pahalı olmayan bileşenlerin kullanılması mümkündür.

Bununla birlikte, sistem kararlılığı, özellikle kötü tasarlanmış kapalı döngü sistemlerde, sistemin kontrolünü kaybetmesine ve salınmasına neden olabilecek herhangi bir hatayı aşırı düzeltmeye çalışabileceğinden büyük bir sorun olabilir.

Elektronik Sistemler hakkındaki bir sonraki derste, bir sistemin girişine bir toplama noktası eklemenin farklı yollarına ve sinyalleri ona geri beslemenin farklı yollarına bakacağız.