کنترل اتوماتیک
اهمیت کنترل اتوماتیک در صنایع و زندگی روزمره عصر حاضر بر هیچکس پوشیده نیست و به جرات می توان گفت که یکی از مهمترین بخشهای صنایع پیشرفته امروزی را سیستمهای کنترل اتوماتیک تشکیل می دهد. کاربرد کنترل اتوماتیک موجب بالا رفتن کیفیت و کمیت تولید محصولات و همچنین ایمنی محیطهای صنعتی را بطور چشمگیری افزایش داده است.
اساسا تحت کنترل درآوردن منابع و امکانات سازمان نقش تعیین کننده ای در ارزیابی و بهبود مدیریت دارد. ارزیابی هر چه بهتر عملکرد منابع و درک تاثیر تصمیم گیری ها و شرایط بر وضعیت منابع می تواند به مدیریت کمک کند تا به تدریج نسبت به اصلاح وضعیت و اخذ تصمیمات مناسب تر اقدام نماید. در ساختار سنتی، کنترل از طریق بازرسی و ممیزی های دوره ای انجام می شد و در این فرآیند، وظیفه اصلی بر عهده بازرسان و ممیزات قرار داشت. وسایل و ابزار آلات تشخیص و اندازه گیری نیز در مواقع لزوم مورد استفاده قرار می گرفتند. نمونه واضحی از این گونه عملکرد را می توان در سیستم های نت سنتی مشاهده کرد که اساس آن را بازرسی و ارزیابی های دوره ای کارشناسان نت تشکیل می دهد. کارشناسان نت با مراجعه به دستگاه و انجام برخی تستها، آزمایشات و اندازه گیری ها در خصوص لزوم سرویس تصمیم گیری می کنند. بدیهی است که کنترل مداوم بازرسان بر روی کارکرد دستگاه، دقت و کیفیت سیستم کنترل را بهبود می بخشد اما از سوی دیگر هزینه های کنترل را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. کاهش کنترل نیز باعث عدم اطمینان و خسارات ناشی از خرابی های غیر منتظره و خارج شدن دستگاه از کنترل می گردد. توازن میان هزینه کنترل و خسارات خارج از کنترل بودن می تواند سطح مطلوب کنترل و بازرسی را تعیین کند. به همین لحاظ در سیستم های پیشرفته تر، ب بهره گیری از مدل های گوناگون اقدام به تعیین سطح مطلوب کنترل می گردد.
با افزایش انعطاف پذیری در فرآیندهای تولید و توسعه تکنولوژی های پیشرفته، تجهیزات چندکاره، کامل و پیچیده متعددی به صنعت عرضه شده اند که از دقت بالایی برخوردار بوده و حساسیت زیادی هم دارند. بدلیل کارایی و راندمان بالاف معمولا این تجهیزات قیمت بالایی دارند و حفظ و نگهداری آنها به عنوان سرمایه های اصلی سازمان از اولویت بالاتری برخوردار شده است. این روند در فرآیندهای صنعتی موجب گردیده است که توازن میان هزینه کنترل و خسارت ناشی از عدم کنترل به سمت سطح بالاتری از کنترل به هم بخورد. به همین لحاظ بحث کنترل اتوماتیک فرآیندها و تجهیزات مورد توجه بیشتری قرار گرفت و موضوعاتی همچون نظارت بر وضعیت رونق یافت. در سشیستم های نت گرایش به سمتی جهت گرفت که وضعیت تجهیزات بطور مداوم تحت بازرسی و نظارت قرار گیرند و به محض خارج شدن دستگاه از شرایط کارکرد استاندارد، اقدام به انجام اصلاحات بر روی آن گردد.
نظارت بر وضعیت از مدتها قبل در صنایع پیوسته همچون پتروشیمی، نفت و داروسازی مورد استفاده قرار گرفته است اما امروزه دامنه آن بر گستره کلیه صنایع پیشرفته پهن شده است. اساس این تکنولوژی را در ساختار کنترل اتوماتیک تشکیل می دهد. در کنترل اتوماتیک تلاش می شود تا یک یا چند پارامتر از یک پدیده مورد سنجش، ارزیابی و نهایتا اصلاح قرر گیرد. به عنوان مثال، میزان فشار در یک مخزن می تواند پارامتر تحت کنترل باشد. در طول زمان و با وارد و خارج شدن سیال به/از مخزن، میزان فشار آن تغییر می کند. با قرار دادن یک فشار سنج در داخل مخزن و اتصال آن به یک تحلیل گر می توان نتایج اندازه گیری را به یک برنامه کامپیوتری ارسال کرد و با کنترل میزان فشار، در صورت لزوم دستور توقف ورود سیال و یا باز کردن دریچه های خروجی برای به تعدال رساندن فشار را صادر کرد. این فرآیند نمونه ای از کنترل اتوماتیک را بیان می کند. بطور کلی هر سیستم کنترل اتوماتیک از چها رجز تشکیل شده است :
1- حسگر
2- تحلیل گر
3- تحریک کننده
4- موتور
هر یک از این اجزا وظیفه تعریف شده ای در ساختار سیستم کنترل بر عهده دارند. حس گرها موظف هستند که شرایط پارامترهای مربوط به پدیده را جمع آوی و به صورت قابل پردازش در اختیار تحلیل گر قرار دهند. معمولا مقادیر جمع آوری شده توسط حسگرها به صورت دیجیتال تبدیل می گردند تا با ورود به کامپیوتر یا پردازشگرها به سهولت قابل ارزیابی باشند. حسگرها در حقیقت وسیله اندازه گیری، سنجش و تشخیص هستند و امکاناتی بیش از حواس پنج گانه انسان یعنی بینایی، شنوایی، بویایی، چشایی و لامسه را حاصل می کنند. تا کنون انواع بسیار زیادی از حسگرها ساخته شده و مورد استفاده قرار گرفته اند که از آن جمله می توان به حسگرهای نوری، لیزری، بینایی، شیمیایی، گازی، بویایی، فوق صوت، لرزش سنج، فشارسنج، نیروسنج، الکتریکی، حرارتی، رطوبتی، صوتی، شتاب سنج و ارفاع سنج اشاره کرد.
هر یک از این حسگرها قادر هستند که نوع خاصی از پارامترها را اندازه گیری کنند. برای اندازه گیری یک پدیده با توجه به شرایط خاص ممکن است که از حسگرهای مستقیم و یا حسگرهایی که به صورت غیرمستقیم قادر به اندازه گیری هستند استفاده کرد. بعنوان مثال برای اندازه گیری حجم آب موجود در یک مخزن می توان از حسگرهای ارتفاع سنج،نیرو سنج و یا حسگرهای فوق صوت ( برای اندازه گیری غیر مستقیم) استفاده کرد. این حسگرها ب جمع آوری اطلاعات از یک یا چند پارامتر پدیده آنها را به صورت دیجیتال تبدیل نموده و برای تحلیلگر ارسال می کنند. این اطلاعات از طریق یک شبکه برای تحلیلگر ارسال می شوند تا مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرند. شبکه ای که برای انتقال اطلاعات مورد استفاده قرار می گیرد کاملا بستگی به شرایط و نوع کنترل دارد. در کنترل ها حساس و در لحظه می بایست سرعت انتقال بسیار سریع باشد و این موضوع شبکه های خاص خود را طلب می کند. در کنترل هایی که حساسیت کمتری دارند و زمان بیشتری برای پاسخگویی وجود دارد نیز می توان از شبکه های متناسب استفاده نمود. به هر صورت شبکه محلی، شبکه گسترده و شبکه کنترل با توجه به خصوصیات کنترل مورد نظر می توانند مورد استفاده قرار گیرند. بر این اساس می توان شبکه های کنترل از راه دور را نیز بنا کرد.
تحلیلگر سیستم کنترل برایافت اطلاعات از حسگرها اقدام به پردازش و ارائه خروجی می نماید. حلیلگر می تواند پردازشگر یا کامپیوتر باشد که از طریق برنامه نرم افزاری خود به ارزیابی اطلاعات حاصل از حسگرها می پردازد. در صورت بالا بودن حجم پردازش ها ممکن است که یک شبکه کامپیوتری وظیفه پردازش را بر عهده داشته باشد. برنامه نرم افزاری تحلیل گر می تواند پردازش های عمیقی را برعهده داشته باشد و یا صرفا با پردازش های ساده، اقدام به نمایش اطلاعات بر روی نمایشگر نماید. اگر چنانچه تحلیل گر تنها نتایج را بر روی نمایشگر در معرض دید اپراتور قرار دهد و به صورت اتوماتیک هیچ اقدام اصلاحی بر روی پدیده انجام ندهد آنگاه شبکه کنترل را حلقه باز می نامند. این شبکه به صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است.
این شبکه، سطح پایین تری از کنترل است که برای اقدامات اصلاحی نیاز به حضور اپراتور و کنترل مستمر نتایج توسط نیروی انسنی دارد. سطح بالاتر کنترل را شبکه حلقه کنترل بسته تشکیل می دهد. در این شبکه، پردازش ها ی پیچیده تری در تحلیل گر انجام می شوند و پاسخ های اصلاحی مناسب تولید می گردند. برای انجام اصلاحات لازم است که بصورت مکانیکی و یا الکترونیکی تغییراتی در تنظیمات ایجاد شوند. دستور اجرای اصلاحات و راه اندازی موتورها از سوی تحریک کننده در شبکه کنترل صادر می شود. در حقیقت تحریک کننده قدرت لازم برای راه اندازی موتورهای مناسب جهت انجام اصلاحات را تامین می کند. در نهایت، موتورها وظیفه جا به جایی ها و انجام تنظیمات را بر عهده دارند.
اگر چنانچه تنظیمات بصورت الکترونیکی امکان پذیر باشد، که انجام آنها ساده تر است اما تنظیمات و تغییرات مکانیکی به کمک موتورها به اجرا در می آیند. بطور کلی عناصر مکانیکی، الکترونیکی، پنوماتیک و هیدرولیک با دریافت دستور از تحریک کننده، تغییرات را انجام می دهند. این اجزا مانند روبات عمل می کنند و با دستور کنترل کننده، عملیات مشخصی را اجرا می کنند. در حقیقت روباتها ترکیبی از اهرم ها، جهت دهنده ها، موتورها و کنترل کننده ها هستند و با دریافت اطلاعات، اعمال تعریف شده را به اجرا در می آورند. نمای یک حلقه کنترل بسته در شکل زیر نشان داده شده است.
محیط مجازی
در تکمیل سیستم های کنترل کامپیوتری که پس از تولید اطلاعات در پدیده کار خود را آغاز می نمودند و تدریجا عملات اصلاحی را به اجرا در می آورند، این هم احساس قوت گرفت که بتوان با استفاده از شبیه سازی بسیاری از حقایق را پیش از وقوع کشف کرد و از رخداد وقایع نامطلوب جلوگیری نمود. با استفاده از محیط شبیه سازی شده می توان ضمن صرف هزینه های به مراتب کمتر از محیط واقعی، اطلاعات مورد نیاز را کسب کرد. براساس این دیدگاه، فلسفه ایجاد محیط مجازی شکل گرفت. نسل های اولیه و ساده این محیط کاملا با محیط های شبیه سازی سنتی مطابقت دارند. مثال شفافی از آن، محیط های شبیه سازی تصادفات خودروهاست که در آن تصادف خودرو با سرعت های مختلف و در شرایط گوناگون شبیه سازی می شود و نتایج حاصل از تصادف بر روی کامپیوتر مشاهده و ثبت می گردد.
بر خی بر این اعتقاد هستند که محیط مجازی صرفا شامل واسط های کامپیوتری بهتری نسبت به برنامه های قدیمی نت است. گروهی دیگر اعتقاد ارند که در این محیط دسترسی به اطلاعات ساده تر و بهتر است و برخی آن را نمایش و تفسیر بهتر مجموعه ای از داده ها به صورت گرافیکی می دانند. عده ای نیز اعتقاد دارند که هر محیط غیر واقعی که الگویی از واقعیت را ارائه کند نیز یک محیط مجازی است و حتی تئاتر هم یک محیط مجازی است..
در نهایت آنچه که مشخص است این که محیط مجازی در واقع یک محیط شبیه سازی شده از واقعیت است که سعی دارد با استفاه از تکنولوژی های پیشرفته، حس نزدیکی از واقعیت را برای کاربر ایجاد نماید.
براساس آنچه ذکر شد، وین وی ژگی های محیط مجازی را به صورت زیر عنوان می کند:
1- در این محیط، بانک اطلاعات کامپیوتری وجود دارد.
2- امکان تبادلات و کنترل های متعددی را به کاربر می دهد و نسبت به بسیاری از فعالیت های کاربر واکنش نشان می دهد.
3- کاربران، بخشی از زمان خود را صرف محاوره با محیط مجازی از طریق استفاده از وسایل ورودی مانند تکان دادن اعضا، صحبت و جابه جا کردن وسایل می کنند.
4- این محیط حسی از حقیقت را ایجاد می کند یعنی کاربران چنین احساس می کنند که واقعا در محیط حقیقی هستند در صورتیکه در محیط شبیه سازی شده قرار دارند.
نت مجازی
نت مجازی با هدف مقایسه رفتار تجهیزات مجازی و تجهیزات در دنیای واقعی طراحی شده است و در این راستا از وسایل سمعی و بصری، وسایل حس ساز و حسگرهای از راه دور استفاده می شود. نمونه ای از ساختار پیشنهادی برای این سیستم در دانشکده مهندسی ابزار دقیق دانشگاه توکیو در ژاپن ایجاد شده است که شامل یک سیستم مدلسازی جامد برای ایجاد مدل های هندسی تجهیزات و یک نرم افزار شبیه سازی برای مطالعه رفتار متحرک و پویای قطعات مونتاژی می باشد. یکی از راه های تولید یک شی مجازی این است که مجموعه ای از تصاویر جمع آوری شده از طریق یک دوربین عکسبرداری دیجیتال پردازش شوند و بدین ترتیب یک مدل سه بعدی از شی مورد نظر ایجاد گردد. هر دو نوع مدل اشاره شده را می توان در یک دنیای مجازی گنجاند و برای این منظور می توان از یک جعبه ابزار نرم افزار واقعیت مجازی استفاده کرد. اشیا مجازی را می توان با وسایل حس ساز دارای 6 درجه آزادی و یا به کمک یک دستکش که در تماس با قطعات می لرزد لمس کرد. یک سیستم صوتی سه بعدی این امکان را فراهم می سازد که در دنیای مجازی، منبع تولید لرزش شناسایی گردد. یک وسیله سرپوش با ردیاب مکانی، امکان مشاهده بصری محیط را فراهم می آورد. با ترکیب یک نرم افزار شبیه سازی متداول و نرم افزار تخصصی مانندSpacar می توان رفتار پویای اشیا را مدلسازی کرد و این رفتار را می توان به اشیا موجود در دنیای مجازی تخصیص داد به همین سبب استفاده کننده قادر است که مکانیزم های مجازی را دیده، شنیده و احساس کند.