نظام المؤازرة

في الهندسة الميكانيكية وهندسة التحكم ، يُعرف نظام المؤازرة (أو نظام المؤازرة ، أو ببساطة المؤازرة ) بأنه نظام تحكم في موضع النظام الميكانيكي ومشتقاته الزمنية ، مثل السرعة . يتضمن هذا النظام عادةً محرك مؤازر ، ويستخدم التحكم ذو الحلقة المغلقة لتقليل خطأ الحالة المستقرة وتحسين الاستجابة الديناميكية. ^{[ 1 ]} في التحكم ذي الحلقة المغلقة، تُستخدم التغذية الراجعة السلبية لاستشعار الخطأ لتصحيح عمل الآلية. ^{[ 2 ]} في التطبيقات التي يتم التحكم فيها بالإزاحة، يتضمن النظام عادةً مشفرًا مدمجًا أو آلية تغذية راجعة أخرى للموضع لضمان تحقيق المخرجات للتأثير المطلوب. ^{[ 3 ]} يُطلق على تتبع مسار حركة محدد اسم " التحكّم المؤازر " ، ^{[ 4 ]} حيث تُستخدم كلمة "مؤازرة" كفعل . يُشتق مصطلح "مؤازرة " من الكلمة اللاتينية "servus " التي تعني "العبد". ^{[ 1 ]}

ينطبق هذا المصطلح بشكل صحيح فقط على الأنظمة التي تساعد فيها إشارات التغذية الراجعة أو تصحيح الأخطاء في التحكم في الموضع الميكانيكي أو السرعة أو الاتجاه أو أي متغيرات أخرى قابلة للقياس. ^{[ 5 ]} على سبيل المثال، لا يُعد نظام التحكم في نوافذ السيارة الكهربائية نظامًا مؤازرًا، إذ لا توجد تغذية راجعة تلقائية تتحكم في الموضع، بل يقوم المشغل بذلك عن طريق الملاحظة. في المقابل، يستخدم نظام تثبيت السرعة في السيارة تغذية راجعة ذات حلقة مغلقة، مما يصنفه كنظام مؤازر.

المحرك المؤازر هو نوع خاص من المحركات يُدمج مع مشفر دوار أو مقياس جهد لتشكيل آلية مؤازرة. وقد يشكل هذا التجميع بدوره جزءًا من آلية مؤازرة أخرى. يوفر مقياس الجهد إشارة تناظرية بسيطة لتحديد الموضع، بينما يوفر المشفر معلومات عن الموضع، وعادةً السرعة أيضًا، مما يسمح، باستخدام وحدة تحكم PID، بتحكم أدق في الموضع، وبالتالي الوصول إلى موضع مستقر بشكل أسرع (لقدرة محرك معينة). تتأثر مقاييس الجهد بالانحراف عند تغير درجة الحرارة، بينما تتميز المشفرات بمزيد من الاستقرار والدقة.

تُستخدم المحركات المؤازرة في التطبيقات عالية الدقة ومنخفضة الدقة على حد سواء. ففي التطبيقات عالية الدقة، نجد المكونات الصناعية الدقيقة التي تستخدم مشفرًا دوارًا. أما في التطبيقات منخفضة الدقة، فنجد محركات مؤازرة لاسلكية رخيصة الثمن (محركات RC) تُستخدم في النماذج التي يتم التحكم فيها لاسلكيًا، والتي تستخدم محركًا حر الدوران ومستشعر موضع بسيطًا يعتمد على مقياس الجهد مع وحدة تحكم مدمجة. يشير مصطلح "محرك مؤازر" عمومًا إلى المكونات الصناعية عالية الدقة، بينما يُستخدم مصطلح "مؤازر" في أغلب الأحيان لوصف الأجهزة منخفضة التكلفة التي تستخدم مقياس الجهد. لا تُعتبر المحركات الخطوية محركات مؤازرة، على الرغم من استخدامها أيضًا في بناء آليات مؤازرة أكبر. تتميز المحركات الخطوية بقدرتها على تحديد الموضع الزاوي بشكل تلقائي، نظرًا لتصميمها، ويُستخدم هذا عادةً في نظام حلقة مفتوحة بدون تغذية راجعة. وتُستخدم هذه المحركات عمومًا في التطبيقات متوسطة الدقة. ^{[ 6 ]}

تُستخدم محركات التحكم عن بُعد لتوفير الحركة لأنظمة ميكانيكية متنوعة، مثل توجيه السيارة، وأسطح التحكم في الطائرة، ودفة القارب. ونظرًا لانخفاض تكلفتها، وموثوقيتها، وسهولة التحكم بها بواسطة المعالجات الدقيقة، فإنها تُستخدم بكثرة في تطبيقات الروبوتات الصغيرة . يقوم جهاز استقبال التحكم عن بُعد القياسي (أو وحدة التحكم الدقيقة) بإرسال إشارات تعديل عرض النبضة (PWM) إلى المحرك. تقوم الدوائر الإلكترونية داخل المحرك بتحويل عرض النبضة إلى موضع. عند إعطاء أمر دوران للمحرك، يتم تزويده بالطاقة حتى يصل مقياس الجهد إلى القيمة المقابلة للموضع المطلوب.

يُعتبر منظم سرعة محرك البخار الذي ابتكره جيمس وات عمومًا أول نظام تغذية راجعة يعمل بالطاقة. أما مروحة طاحونة الهواء فهي مثال سابق على التحكم الآلي، ولكن نظرًا لعدم احتوائها على مضخم أو كسب ، فإنها لا تُعتبر عادةً آلية مؤازرة.

كان أول جهاز للتحكم في موضع التغذية الراجعة هو محرك توجيه السفينة ، الذي استُخدم لتحديد موضع دفة السفن الكبيرة بناءً على موضع عجلة القيادة. وكان جون مكفارلين غراي رائدًا في هذا المجال، حيث استُخدم تصميمه الحاصل على براءة اختراع في السفينة إس إس غريت إيسترن عام 1866. وقد يستحق جوزيف فاركوت فضلًا مماثلًا في مفهوم التغذية الراجعة، إذ حصل على عدة براءات اختراع بين عامي 1862 و1868. ^{[ 7 ]}

اخترع أندرو بيتس براون جهاز التحكم عن بعد (Telemotor) حوالي عام 1872 ، مما سمح بتبسيط الآليات المعقدة بين غرفة التحكم والمحرك بشكل كبير. ^{[ 8 ]} تميزت محركات التوجيه البخارية بخصائص نظام المؤازرة الحديث: مدخل، ومخرج، وإشارة خطأ، ووسيلة لتضخيم إشارة الخطأ المستخدمة في التغذية الراجعة السلبية لتقليل الخطأ إلى الصفر. وكانت آلية راغونيه لعكس الحركة عبارة عن مضخم مؤازر للأغراض العامة يعمل بالهواء أو البخار للحركة الخطية، وقد حصلت على براءة اختراع عام 1909. ^{[ 9 ]}

تم استخدام الآليات المؤازرة الكهربائية في وقت مبكر من عام 1888 في جهاز التلغراف الخاص بإليشا غراي .

تتطلب آليات التحكم الكهربائية مضخم طاقة. شهدت الحرب العالمية الثانية تطوير آليات التحكم الكهربائية في إطلاق النار ، باستخدام مكبر صوت من نوع " أمبليداين " كمضخم طاقة. استُخدمت مضخمات الصمامات المفرغة في محرك أشرطة "يونيسيرفو" الخاص بحاسوب "يونيفاك 1" . بدأت البحرية الملكية تجاربها على نظام التحكم عن بُعد بالطاقة ( RPC ) على متن سفينة "إتش إم إس تشامبيون" عام 1928، وبدأت باستخدامه للتحكم في كشافات الإضاءة في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين. خلال الحرب العالمية الثانية، استُخدم نظام التحكم عن بُعد بالطاقة للتحكم في قواعد المدافع وأجهزة توجيهها.

تستخدم آليات المؤازرة الحديثة مضخمات طاقة الحالة الصلبة، والتي تُصنع عادةً من أجهزة MOSFET أو الثايرستور . وقد تستخدم آليات المؤازرة الصغيرة ترانزستورات الطاقة .

يُعتقد أن أصل الكلمة يعود إلى الكلمة الفرنسية " Le Servomoteur " أو المحرك العبد، والتي استخدمها لأول مرة جيه جيه إل فاركوت في عام 1868 لوصف المحركات الهيدروليكية والبخارية المستخدمة في توجيه السفن. ^{[ 10 ]}

تستخدم أبسط أنواع المحركات المؤازرة التحكم الثنائي (bang-bang) . أما أنظمة التحكم الأكثر تعقيداً فتستخدم التحكم النسبي، والتحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) ، والتحكم في فضاء الحالة، وهي الأنواع التي يتم دراستها في نظرية التحكم الحديثة .

يمكن تصنيف المحركات المؤازرة من خلال أنظمة التحكم في التغذية الراجعة الخاصة بها: ^{[ 11 ]}

• محركات المؤازرة من النوع 0: في ظل ظروف الحالة المستقرة، فإنها تنتج قيمة ثابتة للإخراج مع إشارة خطأ ثابتة؛
• محركات المؤازرة من النوع 1: في ظل ظروف الحالة المستقرة، فإنها تنتج قيمة ثابتة للإخراج مع إشارة خطأ معدومة، ولكن معدل التغير الثابت للمرجع يعني وجود خطأ ثابت في تتبع المرجع؛
• محركات المؤازرة من النوع الثاني: في ظروف التشغيل المستقرة، تُنتج هذه المحركات قيمة ثابتة للخرج مع إشارة خطأ معدومة. ويعني معدل التغير الثابت للإشارة المرجعية انعدام الخطأ في تتبعها. كما يعني معدل التسارع الثابت للإشارة المرجعية ثبات الخطأ في تتبعها.

يشير عرض نطاق المؤازرة إلى قدرة المؤازرة على متابعة التغييرات السريعة في المدخلات المطلوبة.

• محرك ذو قدرة حصانية جزئية
• التحكم في الحركة – مجال من مجالات الأتمتة يدرس كيفية تحريك أجزاء الآلات بدقة 
• التحكم المؤازر – جانب من جوانب تشغيل المؤازرة 
• محولات التزامن - محولات متغيرة تُستخدم في أنظمة التحكم 

• بينيت، س. (1993). تاريخ هندسة التحكم 1930-1955 . لندن: بيتر بيرغرينوس المحدودة. نيابة عن مؤسسة المهندسين الكهربائيين. ISBN 0-86341-280-7.
• هسو-شين تسين (1954) هندسة التحكم الآلي ، ماكجرو هيل ، رابط من هاثي تراست

• أخبار أونتاريو: "رائد في تكنولوجيا المؤازرة"
• تعريف "حلقة المؤازرة" في مرجع رين برو للصوت
• مقال "ما هو المحرك المؤازر؟" الصادر عن جمعية سياتل للروبوتات، مؤرشف بتاريخ 11 يوليو 2007 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• أنواع مختلفة من محركات السيرفو" مؤرشفة بتاريخ 26-10-2014 في أرشيف الإنترنت