مقدمة في التحكم

    نظام التحكم هو عبارة عن نظام ديناميكي ( حركي ) يؤثر في سلوك نظام آخر, و نستطيع رؤية العديد من أنظمة التحكم في حياتنا اليومية , فمثلا ً هناك القليل من الأنظمة الميكانيكية الآن التي لا تتضمن أي جهاز أو وسيلة  تحكم يعمل بالتغذية الراجعة ( طريقة لتحسين الأداء ) .

    وهناك العديد من التطبيقات المختلفة لأنظمة التحكم ; ففي الإنسان الآلي تصميم خوارزميات (خطوات الحل الحسابي) التحكم هي المسؤولة عن حركة الذراع الآلي . و في تطبيقات الطيران, خوارزميات التحكم تُصمم لغايات الثبات و التوازن , ضبط الارتفاع بالإضافة إلى إلغاء الاضطرابات خلال عملية الطيران . أيضا ً المضخمات الالكترونية التي تعمل بالتغذية الراجعة تستخدم للحد من تأثير الضجيج الخارجي ويمكن إلغاءها .

وفي أيامنا هذه أصبحت أنظمة التحكم تُستخدم في مختلف المجالات من تصنيع أشباه الموصلات إلى النظم البيئية.

    هذا المساق سيقوم بتزويدك بالمبادئ و الأساليب الأساسية في تصميم أنظمة التحكم بالتغذية الراجعة ولكن هذه المرحلة يجب أن تكون أتقنت بعضا ً من المواد الأساسية مثل الديناميكا و الهندسة التي نحتاجها في التحليل في هذا المساق.

( تصميم أنظمة التحكم يعتمد على معرفتك في هذه المجالات و لكنه يتطلب أيضا مهارات إضافية في بناء النظام )

    و كما سترى في هذا المساق, تصميم أنظمة التحكم يعتمد على :

1- الإلمام بالمبادئ الهندسية الأساسية مثل الديناميكا , ميكانيكا الموائع  , الحراريات , الدوائر الكهربائية والالكترونية بالإضافة إلى خواص المواد . هذه المبادئ في غاية الأهمية لاستخدامها في تصميم النماذج الرياضية للأنظمة ، كما من الضروري الإلمام بالمبادئ الأساسية للفيزياء خاصة في تحديد المكونات ( الأجهزة ) وخوارزميات التحكم المناسبة .

2- معرفة وسائل ( منهجيات ) تصميم نظام التحكم من حيث القدرات والمحددات) المعوقات) لكن هذه الهيئة (المظهر) لطريقة التصميم ستكون الهدف الأساسي لهذا المساق .

3- معرفة طرق المحاكاة ( تمثيل الواقع رياضياً ) ونظام المحاكاة ضروري في تحديد الدقة للنموذج ويحدد الشكل النهائي للتصميم الذي يحقق جميع المواصفات المطلوبة .

    في هذا المساق سنستخدم برنامج مات لاب ( Mat Lab ) لعمل المحاكاة في تصميم نظام التحكم ، ومن الجدير بالذكر انه في تصميم نظام التحكم سيكون هناك استخدام واسع للمحاكاة باستخدام  المعادلات التفاضلية ، لذلك يجب أن تكون معتاداً على استخدامها .

4- معرفة مكونات نظام التحكم مثل المجسات والمحفزات ( المشغلات )المختلفة والمتوفرة تجارياً ، سوف نقوم بتغطية هذا الجزء بإيجاز في هذا المساق .

5- معرفة البرامج الخاصة بالتحكم لغايات الحصول على المعلومات وتطبيق خوارزميات التحكم.

     قبل البدء بمناقشة ( بعرض ) وسائل التحكم بالتغذية الراجعة ، سوف نقوم بإعطاء لمحة تاريخية عن البدايات ، يعود استخدام آليات التغذية الراجعة إلى الأجهزة ( الأدوات ) التي اخترعت من قبل اليونانيين مثل آلية التحكم بمستوى السائل.

     بدأ العمل رياضياً على التغذية الراجعة والتحكم من قبل العالم الفيزيائي ماكسويل الذي طور وسيلة لمعرفة توازن النظام من خلال تحديد انه محكوم أم لا بمعادلة تفاضلية خطية ومن الرياضيين والفيزيائيين البارزين روث وليبونوف اللذين أسهما بشكل فعال في نظرية التوازن التي تعتبر نتائجهم بمثابة العمود الفقري لتصميم أنظمة التحكم .

    أدت دراسة المضخات الإلكترونية بالتغذية الراجعة إلى توفير الدوافع للتقدم في تصميم أنظمة التحكم خلال الجزء الأول من القرن العشرين فقد قام نايكويست (1932م) والعالم بوود(1945) باستخدام طرق رياضية اعتمدت على التحليل المركب في تحليل التوازن وأداء المضخات الإلكترونية هذه الطرق ما زالت مستخدمة في العديد من التطبيقات التكنولوجية .

بعض طرق التحليل المركب أصبحت تدعى طرق التحكم الكلاسيكية .

    خلال الحرب العالمية الثانية تركز البحث والتقدم في تصميم أنظمة التحكم على استخدام وسائل وتقنيات التحليل العشوائي ( توظيف الاحتمالات في التصميم ) لتصويغ الضجيج وتطوير أساليب جديدة في عمليات الترشيح والتخمين ، وقد تأثر بهذا التطور بشكل ملحوظ الرياضي واينر ( جامعة ميتشغان الأمريكية ) وقد أدت الدراسات خلال هذه الفترة في مختبرات الإشعاع بجامعة ميتشغان إلى إيجاد المزيد من طرق التصميم المنتظمة لآليات مضاعفة الحركة ( آلية تحكم تعمل بالتغذية الراجعة ) .

    وخلال الخمسينيات تم تطوير سبل مختلفة في تحليل وتصميم أنظمة التحكم ، هذه الوسائل ركزت على استخدام المعادلات التفاضلية والأنظمة الديناميكية مناقضة بذلك طرق التحليل المركب ، ومن مميزات هذه الوسائل ( السبل ) صلتها الوثيقة بالتصويغ الفيزيائي واستطاعتها التواصل مع الميكانيكا التحليلية ، أضف إلى ذلك أنها طرق فعالة في كل من تحليل وتصميم أنظمة التحكم ، تأسست نظم التحكم الحديثة على يد كالمان ( الولايات المتحدة) والعالم بونتريفن  (الاتحاد السوفيتي ) .

    حديثاً تهدف البحوث والدراسات إلى إيجاد خوارزميات ووسائل تجمع بين طرق التحليل المركب وطرق الأنظمة الديناميكية بحيث يمكن الوصول إلى أفضل الخصائص  لكل من هذه الطرق وفي هذا المساق سوف يتم التعرف على تقنيات كل من هذه الطرق التي من الواضح مميزات كل منها .