نظريات التحكم الكلاسيكية

أهمية التعرف على أسباب تطور نظريات التحكم الكلاسيكية:

تُستخدم طرق التحكم عندما يجب جعل بعض الكمية منظبطة، مثل درجة الحرارة أو الارتفاع أو السرعة، حيث تتصرف بطريقة مرغوبة بمرور الوقت، وعلى سبيل المثال، يتم استخدام طرق التحكم للتأكد من أن درجة الحرارة في منازلنا تبقى ضمن المستويات المقبولة في الشتاء والصيف؛ كذلك تحافظ الطائرات على الاتجاه المطلوب والسرعة والارتفاع؛ وبالتالي فإن انبعاثات السيارات تفي بالمواصفات.

كما يعتبر منظم الحرارة الذي ينظم تشغيل الفرن في منزل نموذجي مثالاً على جهاز يتحكم في نظام التدفئة، بحيث يتم الحفاظ على درجة الحرارة عند مستوى معين، كما أن الطيار الآلي في طائرة ركاب التي تحافظ على السرعة والارتفاع والعنوان هو مثال على نظام تحكم أوتوماتيكي أكثر تطوراً.

حيث يعتبر نظام تثبيت السرعة في السيارة، والذي يحافظ على ثبات السرعة بشكل مستقل عن منحدرات الطريق؛ مثالاً آخر على نظام التحكم، كما تتيح طرق التحكم في التطبيقات الطبية الحيوية استخدام إشارات الأعصاب الكهربائية للتحكم في الأطراف الصناعية والروبوتات الدقيقة لقطع الثقوب في العظام لزرع المفاصل الاصطناعية، بحيث ينتج عنه نوبات أكثر إحكاماً مما كان يُعتقد سابقاً.

السيطرة في كل مكان بموجب نظريات التحكم:

يعد التحكم مفهوماً شائعاً، حيث توجد دائماً متغيرات وكميات، والتي يجب أن تتصرف بطريقة مرغوبة بمرور الوقت، وبالإضافة إلى الأنظمة الهندسية؛ فإن المتغيرات في الأنظمة البيولوجية مثل سكر الدم وضغط الدم في جسم الإنسان.

حيث يتم التحكم في هذه الحيثات من خلال عمليات يمكن دراستها بطرق التحكم الآلي، وبالمثل في النظم الاقتصادية، بحيث يمكن دراسة المتغيرات مثل البطالة والتضخم، والتي تتحكم فيها القرارات المالية الحكومية باستخدام طرق التحكم.

كما تفرض المطالب التكنولوجية اليوم مشكلات تحكم شديدة الصعوبة ومتنوعة على نطاق واسع، بحيث تتراوح هذه المشاكل من الطائرات والمركبات تحت الماء إلى السيارات والتلسكوبات الفضائية، ومن العمليات الكيميائية والبيئة إلى التصنيع والروبوتات وشبكات الاتصالات.

أساليب ممارسة السيطرة بواسطة نظريات التحكم:

يتضمن جزء كبير من التصميم الهندسي ميزات التحكم الآلي، وفي كثير من الأحيان؛ يتم تنفيذ عمليات التحكم في معالج دقيق مضمن يراقب الإشارات من المستشعرات ويوفر إشارات أوامر للمشغلات الكهروميكانيكية.

كذلك قد تتراوح التطبيقات من الغسالات إلى المحركات النفاثة عالية الأداء، وكثيراً ما يستخدم المصممون برامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) التي تجسد خوارزميات التصميم النظري، كما وتسمح بإجراء مقارنات بين مقاييس الأداء المختلفة مثل سرعة الاستجابة وكفاءة التشغيل والحساسية للشكوك في نموذج النظام.

وعادةً ما يتم اختبار تصميمات التحكم المقترحة، خاصةً تلك الخاصة بالتطبيقات المعقدة والمكلفة، وذلك باستخدام عمليات المحاكاة القائمة على الكمبيوتر، كما يواكب خبراء هندسة التحكم أحدث التطورات النظرية، حيث يتم تجميع معظم أنظمة التحكم من قبل مهندسين ذوي عقلية عملية لديهم فهم شامل لمجالات التطبيق مثل محركات السيارات وأتمتة المصانع وديناميكيات الروبوت والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء.

المنهجية المتمثلة في وضع أفكار التحكم:

تتمثل الخطوة الأولى في فهم الأفكار الرئيسية لمنهجية التحكم في إدراك أننا نطبق التحكم في حياتنا اليومية، على سبيل المثال، عندما نسير أو نرفع كوباً من الماء أو نقود السيارة، حيث يمكن الحفاظ على سرعة السيارة بدقة إلى حد ما، وذلك من خلال مراقبة عداد السرعة بعناية وزيادة أو تقليل الضغط على دواسة الوقود بشكل مناسب.

وربما يمكن تحقيق دقة أعلى من خلال التطلع إلى الأمام لتوقع منحدرات الطريق التي تؤثر على السرعة، حيث أن هذه هي الطريقة التي يتحكم بها السائق العادي في السرعة، خاصةً إذا تم التحكم في السرعة بواسطة آلة بدلاً من السائق؛ فعندئذٍ يتحدث المرء عن أنظمة التحكم التلقائي في السرعة، والتي يشار إليها عادةً باسم أنظمة التحكم في التطواف.

كما يقوم نظام التحكم الأوتوماتيكي، مثل نظام التحكم في التطواف في السيارة، بتنفيذ عملية اتخاذ القرار في وحدة التحكم، كما وتسمى أيضاً قانون التحكم، والتي تحدد إجراءات التحكم المناسبة التي يجب اتخاذها للحفاظ على السرعة ضمن التفاوتات المقبولة.

كما يتم اتخاذ هذه القرارات بناءً على مدى اختلاف السرعة الفعلية عن السرعة المرغوبة، ويسمى الخطأ، وعلى سبيل معرفة استجابة السيارة للوقود بالزيادة والنقصان، عادةً ما يتم التقاط هذه المعرفة في نموذج رياضي، بحيث يتم إعادة المعلومات المتعلقة بالسرعة الفعلية إلى وحدة التحكم بواسطة المستشعرات، كما ويتم تنفيذ قرارات التحكم عبر جهاز المشغل، والذي يزيد أو يقلل من تدفق الوقود إلى المحرك.

الأسس والطرق المتبعة لتطوير التحكم:

المركزية في مجال أنظمة التحكم هي دراسة الأنظمة الديناميكية، وفي التحكم في الأنظمة الديناميكية؛ فإنه من المتوقع “اشتقاق قرارات التحكم” وتنفيذها في الوقت الفعلي، والتي تُستخدم التعليقات على نطاق واسع للتعامل مع أوجه عدم اليقين بشأن النظام وبيئته.

كما أن التعليقات هي مفهوم رئيسي، حيث يتم استشعار القيم الفعلية لمتغيرات النظام وإعادتها واستخدامها للتحكم في النظام، ومن ثم؛ فإن عملية اتخاذ قرار قانون التحكم لا تعتمد فقط على التنبؤات حول سلوك النبات المشتق من نموذج النظام (كما هو الحال في التحكم في الحلقة المفتوحة)، ولكن أيضاً على المعلومات المتعلقة بسلوك النظام الفعلي (التحكم في ردود الفعل ذات الحلقة المغلقة).

كما تستند نظرية أنظمة التحكم على أسس رياضية ثابتة، وعادةً ما يتم وصف سلوك متغيرات النظام التي يجب التحكم فيها بواسطة “معادلات تفاضلية” أو فرق في المجال الزمني، وذلك بواسطة لابلاس، حيث يتحول (Z) و (Fourier) في مجال التحويل (التردد).

كما أن هناك طرق مفهومة جيداً لدراسة الاستقرار والأمثل، بحيث تستخدم أحياناً النظريات الرياضية من “المعادلات التفاضلية الجزئية” والطوبولوجيا والهندسة التفاضلية والجبر المجرد لدراسة الظواهر المعقدة بشكل خاص، كذلك تستفيد أبحاث نظرية نظام التحكم أيضاً من مجالات أخرى، مثل معالجة الإشارات والاتصالات والهندسة الطبية الحيوية والاقتصاد.

التحديات التي تواجه السيطرة:

تفرض المطالب التكنولوجية المتزايدة للمجتمع احتياجات لحلول تحكم جديدة وأكثر دقة وأقل تكلفة وأكثر كفاءة للمشاكل الحالية والجديدة، كما ان الأمثلة النموذجية هي متطلبات التحكم لطائرات الركاب والسيارات في الوقت نفسه.

وغالباً ما تكون الأنظمة التي يجب التحكم فيها أكثر تعقيداً، بينما قد تتوفر معلومات أقل حول سلوكها الديناميكي، وعلى سبيل المثال هذا هو الحال في هياكل الفضاء المرنة الكبيرة، حيث سيتطلب تطوير منهجيات التحكم لمواجهة هذه التحديات أفكاراً جديدة ومقاربات متعددة التخصصات، بالإضافة إلى زيادة تطوير وتحسين الأساليب الحالية.

مناطق التحكم الناشئة:

إن التوافر المتزايد لقوة الحوسبة الهائلة بتكلفة منخفضة والتقدم في علوم وهندسة الكمبيوتر؛ قد يؤثران على التطورات في التحكم، وعلى سبيل المثال؛ فإنه يمكن اعتبار التخطيط والأنظمة الخبيرة على أنها عمليات اتخاذ القرار التي تخدم أغراضاً مشابهة لأنظمة التحكم، وبالتالي تؤدي بشكل طبيعي إلى البحث متعدد التخصصات وإلى أساليب التحكم الذكية.

كما أن هناك اهتمام كبير بفهم عمليات التصنيع والتحكم فيها بشكل أفضل، والتي تتم دراستها عادةً في تخصصات مثل بحوث العمليات، وقد أدى ذلك إلى بحث متعدد التخصصات لدراسة التحكم في أنظمة الأحداث المنفصلة (DES).