Section 1.5 - عملية التصميم (The Design Process)
يتبع التصميم الفعّال لنظام التحكم حلقة منظمة من النمذجة والتركيب والتحقق. تجاهل أي خطوة يؤدي غالباً إلى مفاجآت متأخرة. فلنستعرض العملية بعقلية مهندس.
الخطوة 1: توضيح المتطلبات
- دوّن مواصفات الأداء (دقة الحالة المستقرة Steady-State Accuracy، حدود الاستجابة الانتقالية Transient Limits) والقيود (حدود المشغلات Actuator Limits، لوائح السلامة).
- وثّق الظروف البيئية والاضطرابات المتوقعة.
لحظة قائمة التحقق: هل تستطيع إعادة صياغة كل مطلب أداء كهدف رقمي؟ إذا لم تستطع، اطرح أسئلة توضيحية قبل المتابعة.
الخطوة 2: نمذجة المعدّة (Model the Plant)
- ابن أوصافاً رياضية مثل دوال التحويل (Transfer Functions)، أو نماذج فضاء الحالة (State-Space Models)، أو المحاكاة العددية.
- تحقق من صحة النموذج باستخدام بيانات تجريبية أو مواصفات المصنع لضمان الدقة حيث تهم.
الخطوة 3: تحليل السلوك الأساسي
- حدد استقرار الحلقة المفتوحة، والأقطاب السائدة، واستجابة التردد (Frequency Response).
- اكتشف نقاط الضعف: الاستجابة البطيئة، أو الخطأ الكبير في الحالة المستقرة، أو ضعف رفض الضوضاء.
الخطوة 4: تركيب متحكم (Synthesize a Controller)
- اختر بنية التحكم المناسبة (متحكم PID، تغذية راجعة عن الحالة State Feedback، تحكم أمثل Optimal Control، تحكم متين Robust Control).
- اضبط معاملات المتحكم باستخدام قواعد تصميم تحليلية، أو تحسين (Optimization)، أو تحسين تكراري.
$$ u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(\tau), d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt} $$
تجربة تصميم: جرّب تغيير قيم $K_p$ و$K_i$ و$K_d$ في محاكاة. أي معلمة تؤثر أكثر في خطأ الحالة المستقرة؟ أيها يؤثر في التخميد (Damping)؟
الخطوة 5: التحقق من تحقيق الأهداف
- حاكي الاستجابات في المجال الزمني وفي المجال الترددي للتأكد من تحقيق الأهداف.
- اختبر المتانة بحقن الاضطرابات وتغيير المعلمات ضمن التفاوتات المتوقعة.
الخطوة 6: التنفيذ والتكرار
- حوّل المتحكم إلى عتاد أو برمجيات، ثم أجر اختبارات الحلقة المغلقة مع العتاد (Hardware-in-the-Loop) واختبارات النظام الكامل.
- حدّث النموذج بالبيانات المقاسة، وحسّن المتحكم، وكرر الدورة حسب الحاجة.
في كل مرحلة، أبقِ أصحاب المصلحة على اطلاع؛ فتوثيق حلقة التصميم يضمن إمكانية التتبع ويعزز الثقة في المتحكم النهائي.