وحدة تحكم ذات حلقة مفتوحة

في نظرية التحكم ، يُعرف المتحكم ذو الحلقة المفتوحة ، أو المتحكم غير المُغذّي ، بأنه جزء من حلقة التحكم في نظام التحكم، حيث يكون فعل التحكم ("المدخلات" للنظام ^{[ 1 ]} ) مستقلاً عن "مخرجات العملية"، وهي متغير العملية الذي يتم التحكم فيه. ^{[ 2 ]} ولا يستخدم هذا النوع من المتحكمات التغذية الراجعة لتحديد ما إذا كانت مخرجاته قد حققت الهدف المرجو من أمر الإدخال أو نقطة ضبط العملية .

توجد العديد من أنظمة التحكم ذات الحلقة المفتوحة ، مثل تشغيل/إيقاف الصمامات والآلات والمصابيح والمحركات والسخانات، حيث تكون نتيجة التحكم كافية تقريبًا في الظروف العادية دون الحاجة إلى تغذية راجعة. وتكمن ميزة استخدام التحكم ذي الحلقة المفتوحة في هذه الحالات في تقليل عدد المكونات والتعقيد. مع ذلك، لا يستطيع نظام الحلقة المفتوحة تصحيح أي أخطاء يرتكبها أو معالجة الاضطرابات الخارجية، على عكس نظام التحكم ذي الحلقة المغلقة .

يُستخدم نظام التحكم ذو الحلقة المفتوحة غالبًا في العمليات البسيطة نظرًا لبساطته وانخفاض تكلفته، لا سيما في الأنظمة التي لا تتطلب تغذية راجعة. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك مجفف الملابس المنزلي القديم ، حيث يعتمد وقت التجفيف فيه كليًا على تقدير المستخدم، دون وجود تغذية راجعة تلقائية لمدى جفاف الملابس.

على سبيل المثال، قد يكون نظام الري بالرش ، المُبرمج للتشغيل في أوقات محددة، مثالاً على نظام الحلقة المفتوحة إذا لم يقيس رطوبة التربة كنوع من التغذية الراجعة. فحتى لو كان المطر يهطل بغزارة على الحديقة، سيعمل نظام الرش في الموعد المحدد، مما يؤدي إلى هدر المياه.

مثال آخر هو المحرك الخطوي المستخدم للتحكم في الموضع. يؤدي إرسال سلسلة من النبضات الكهربائية إليه إلى دورانه بعدد الخطوات المحدد، ومن هنا جاءت التسمية. إذا افترضنا أن المحرك يؤدي كل حركة بشكل صحيح دائمًا، دون أي تغذية راجعة للموضع، فسيكون هذا تحكمًا مفتوح الحلقة. أما إذا وُجد مُشفِّر للموضع، أو مستشعرات لتحديد موضعي البداية والنهاية، فسيكون هذا تحكمًا مغلق الحلقة، كما هو الحال في العديد من طابعات نفث الحبر . يتمثل عيب التحكم مفتوح الحلقة في المحركات الخطوية في أنه إذا كان حمل الآلة مرتفعًا جدًا، أو حاول المحرك التحرك بسرعة كبيرة، فقد يتم تخطي بعض الخطوات. لا يملك جهاز التحكم أي وسيلة لاكتشاف ذلك، وبالتالي تستمر الآلة في العمل بشكل غير مضبوط تمامًا حتى تتم إعادة ضبطها. لهذا السبب، تستخدم الروبوتات وآلات التشغيل الأكثر تعقيدًا محركات مؤازرة بدلًا من المحركات الخطوية، والتي تتضمن مُشفِّرات وأجهزة تحكم مغلقة الحلقة .

مع ذلك، يُعدّ التحكم ذو الحلقة المفتوحة مفيدًا واقتصاديًا للغاية للأنظمة المحددة جيدًا، حيث يمكن نمذجة العلاقة بين المدخلات والحالة الناتجة بدقة باستخدام معادلة رياضية. على سبيل المثال، يُعدّ تحديد الجهد الكهربائي اللازم لتغذية محرك كهربائي يُشغّل حملاً ثابتًا، لتحقيق السرعة المطلوبة ، تطبيقًا جيدًا. ولكن إذا كان الحمل غير قابل للتنبؤ وأصبح مفرطًا، فقد تتغير سرعة المحرك تبعًا للحمل وليس الجهد فقط، ولن يكون التحكم ذو الحلقة المفتوحة كافيًا لضمان تحكم متكرر في السرعة.

من الأمثلة على ذلك نظام النقل الذي يتطلب سرعة ثابتة. عند ثبات الجهد الكهربائي، يتحرك الناقل بسرعة مختلفة تبعًا للحمل الواقع على المحرك (المُمثَّل هنا بوزن الأجسام على الناقل). ولضمان استمرار عمل الناقل بسرعة ثابتة، يجب تعديل جهد المحرك وفقًا للحمل. في هذه الحالة، يلزم استخدام نظام تحكم ذي حلقة مغلقة.

وبالتالي، هناك العديد من عناصر التحكم ذات الحلقة المفتوحة، مثل تشغيل وإيقاف الصمامات أو الأضواء أو المحركات أو السخانات، حيث تكون النتيجة معروفة بأنها كافية تقريبًا دون الحاجة إلى التغذية الراجعة.

يمكن تحسين نظام التحكم ذي التغذية الراجعة، مثل وحدة التحكم PID ، من خلال دمج التغذية الراجعة (أو التحكم ذو الحلقة المغلقة ) مع التحكم ذي التغذية الأمامية (أو التحكم ذو الحلقة المفتوحة). يمكن تغذية معلومات النظام (مثل التسارع المطلوب وعزم القصور الذاتي) إلى الأمام ودمجها مع خرج وحدة التحكم PID لتحسين أداء النظام بشكل عام. غالبًا ما توفر قيمة التغذية الأمامية وحدها الجزء الأكبر من خرج وحدة التحكم. يتعين على وحدة التحكم PID بشكل أساسي تعويض أي فرق أو خطأ متبقٍ بين نقطة الضبط واستجابة النظام للتحكم ذي الحلقة المفتوحة. نظرًا لأن خرج التغذية الأمامية لا يتأثر بتغذية العملية الراجعة، فإنه لا يمكن أن يتسبب أبدًا في تذبذب نظام التحكم، مما يحسن استجابة النظام دون التأثير على استقراره. يمكن أن تستند التغذية الأمامية إلى نقطة الضبط وإلى اضطرابات إضافية مقاسة. يُعد ترجيح نقطة الضبط شكلاً بسيطًا من أشكال التغذية الأمامية.

على سبيل المثال، في معظم أنظمة التحكم بالحركة، يتطلب تسريع الحمل الميكانيكي الخاضع للتحكم قوة أكبر من المشغل. إذا تم استخدام وحدة تحكم PID ذات حلقة سرعة للتحكم في سرعة الحمل وتحديد القوة التي يطبقها المشغل، فمن المفيد أخذ التسارع اللحظي المطلوب، وتعديل قيمته بشكل مناسب، وإضافته إلى خرج وحدة تحكم PID ذات حلقة السرعة. هذا يعني أنه كلما تسارع الحمل أو تباطأ، يتم توجيه قوة متناسبة من المشغل بغض النظر عن قيمة التغذية الراجعة. تستخدم حلقة PID في هذه الحالة معلومات التغذية الراجعة لتغيير الخرج المجمع لتقليل الفرق المتبقي بين نقطة ضبط العملية وقيمة التغذية الراجعة. بالعمل معًا، يمكن لوحدة التحكم ذات التغذية الأمامية ذات الحلقة المفتوحة ووحدة تحكم PID ذات الحلقة المغلقة توفير نظام تحكم أكثر استجابة في بعض الحالات.

• كاتاراكت ، وحدة التحكم في السرعة ذات الحلقة المفتوحة لمحركات الشعاع المبكرة
• نظرية التحكم ، مجال هندسي ورياضي يهتم بسلوك الأنظمة الديناميكية ذات المدخلات، وكيف يتم تعديل سلوكها بواسطة التغذية الراجعة.
• التغذية الأمامية ، هي تكوين في نظام التحكم يقوم بتمرير إشارة تحكم من مصدر في بيئته الخارجية إلى حمل في مكان آخر في بيئته الخارجية.
• تشكيل المدخلات ، تقنية تحكم تُستخدم لإلغاء الاهتزازات في أنظمة التحكم ذات الحلقة المفتوحة
• تصف دالة التحويل ذات الحلقة المفتوحة ديناميكيات نظام التحكم بدون تغذية راجعة
• وحدة التحكم التناسبية التكاملية التفاضلية ، آلية حلقة التحكم المستخدمة في هندسة التحكم بناءً على ثلاثة مصطلحات (P و I و D).
• التحكم في العمليات ، وأنظمة الأتمتة التي تستخدم نظرية التحكم وأنظمة التحكم الصناعية الفيزيائية للحفاظ على إنتاجية عملية معينة ضمن نطاق محدد.

• كو، بنجامين سي. (1991). أنظمة التحكم الآلي (الطبعة السادسة). نيوجيرسي: برنتيس هول. ISBN 0-13-051046-7.
• زيني فليكوب (2004). "مدخلات محدودة، تحكم محدد مسبقًا محدود، مخرجات محدودة" ( http://arXiv.org/pdf/cs/0411015 )
• باسو، كريستوف (2012). "تصميم حلقات التحكم لمصادر الطاقة الخطية والتبديلية: دليل تعليمي". دار أرتيك هاوس، رقم ISBN 978-1608075577