التعريف بالضوابط التكيفية في مجال الإلكترونيات الكهربائية

وتشكل نظم الطاقة الإلكترونية ونظم المحولات العمود الفقري لتحويل الطاقة الحديثة، إذ تقدم كل ما في ذلك من محركات صناعية إلى تكامل الطاقة المتجددة والإلكترونيات الاستهلاكية، ويجب أن تعمل هذه النظم بصورة موثوقة في إطار مجموعة واسعة من مجموعات المدخلات ذات التأثير على الظروف، والشحنات المتغيرة، وتغيرات درجة الحرارة، والشيخوخة، وكثيرا ما يكافح المتحكمون في الغازات الثابتة (مثل PID) للحفاظ على الأداء في جميع الظروف التشغيلية، مما يؤدي إلى الحد من عدم الاستقرار.

وفي صميمها، تقوم المراقبة التكييفية باستمرار برصد نواتج النظام وتعديل بارامترات التحكم للوفاء بمواصفات الأداء المنشودة، حتى مع تغير ديناميات النباتات، وهذا أمر مهم بصفة خاصة في الكترونيات التي تتسم فيها أوجه عدم الترجيح، وعدم التيقن من البارامترات، والاضطرابات المفاجئة، ومن خلال التكيف مع الظروف المتغيرة، يمكن لهذه المراقبة أن تحافظ على تنظيم الضخ، والحدود الحالية، وتبدل الترددات في إطار تقنيات مأمونة وفعالة.

المبادئ الأساسية للمراقبة التكيفية

فالتحكم التأديبي يستند إلى مفهومين رئيسيين: آلية لتحديد النظام على الإنترنت (تقديرات موازين) وقانون مراقبة يستكمل استناداً إلى تلك التقديرات، ويستخدم نظام تحديد الهوية المدخلات والنواتج المقيسة لحصر نموذج للسلوك الحالي للمصنع، وكثيراً ما يستخدم أقل السقف أو الأساليب القائمة على التدرج، ثم يُعدل قانون الرقابة مكاسبه أو هيكله لتحقيق استجابة مُغلقة كافية.

البارامترات ضد هيكل التكيف

ويمكن تصنيف أجهزة التحكم التكيفية بما تتغير. التكيف مع البارامترات ] يُعدل المعامل العددية في جهاز التحكم في الهياكل الثابتة، على سبيل المثال، المكاسب النسبية والمتكاملة في جهاز التحكم في الانبعاثات المتعددة الأطراف.

تحديد الهوية والإثارة المستمرة

وبالنسبة لتقدير البارامترات الدقيقة، يجب أن تتضمن مدخلات النظام محتوى الترددات الكافية لإثارة أنماط الاهتمام الدينامية - وهي حالة معروفة باسم الإثارة المستمرة، وفي أجهزة توليد الطاقة الكهربائية، فإن تبديل الضوضاء يوفر بطبيعة الحال بعض الإثارة، ولكن في ظل ظروف ثابتة، قد يصبح التقدير بطيئا أو متحيزا، وكثيرا ما يضخ المصممون اشارة صغيرة أو يضغطون على أجهزة نقل المقاييس من أجل الحفاظ على نوعية الفقد.

تصنيف تقنيات الرقابة التكيفية

وقد طبقت بنجاح عدة هياكل راسخة للرقابة على التكيف على النظم الإلكترونية للطاقة، وأهمها الرقابة المرجعية النموذجية، والمنظمون المستقلون، والتصميمات القائمة على ليابونوف، وكل منها له مواطن قوة ومبادلات متميزة.

نموذج المراقبة الارشادية

وفي لجنة التنسيق الإقليمية، يحدد السلوك المغلقة المرغوب فيه بنموذج مرجعي - نموذجي - نظام خطي منخفض - يمثل الاستجابة المثالية، ويعدّل المراقب معاييره للتقليل إلى أدنى حد من الخطأ بين الناتج الفعلي للنظام والناتج النموذجي المرجعي، ويستخدم قانون التكيف الموحد معدل الخطأ الممتد فيما يتعلق بالمؤشرات، ويقترن في كثير من الأحيان بوظيفة ليابونوف لضمان الاستقرار.

For further reading, a foundational tutorial is Model Reference Adaptive Control] on ScienceDirect.

منظمو اللصوص الذاتي

ويجمع استعراضات المعالم على شبكة الإنترنت مع نظام آلي لتصميم قوانين الرقابة، وفي كل لحظة من مراحل أخذ العينات، يقدم المرصد نموذجاً مستكملاً للمصانع؛ ويعاد حساب المكاسب التي يحققها المتحكم (مثلاً، أو التبديل أو الاختبار على أساس الترددات العالية) وبالتالي، فإن هذا النهج يتسم بالمرونة الشديدة ويمكن أن يعالج حالات التأخير في التحلل الزمني، بل وحتى التحلل المكثفي من خلال تعديل نظام التحكم

Lyapunov —Based Adaptive Control

ويوفّر نظرية ليابونوف إطارا صارما لتصميم أجهزة التحكم التكيّفي مع ضمان الاستقرار، ويستمد هيكل المراقب وقانون التكيّف في آن واحد من وظيفة مرشحة ليابونوف يُجبر مشتقاتها على أن تكون واضحة، وهذا يضمن أن يُعلن النظام وأخطاء البارامترات تتناغم مع الصفر أو تظل مقيدة، وفي أجهزة التحكم في الطاقة الإلكترونية، تكون أساليب ليابونوف القائمة على التر معروفة لدى المحولات غير الخطية مثل تعزيزات المحولة

النهج التأديبية الأخرى

وإلى جانب ثلاثية الكلاسيكية، ظهرت عدة تقنيات تكيفية أخرى. Adaptive Backping] تبني قانون الرقابة بشكل مستقيم لنظم التغذية المكثفة، وتستخدم في أسطح المحولات المكادبة.

التطبيقات العملية في نظم المخالفين

وقد برهنت المراقبة التصحيحية على نطاق كامل من أجسام محول الطاقة، وتبرز الفروع الفرعية التالية ثلاثة مجالات رئيسية ذات أهمية صناعية ثابتة.

DC —DC Converters

وفي إطار نظام التحويل الصناعي (البطي، والتعزيز، والحساسية من حيث الازدهار، والضغط، وما إلى ذلك) تعمل في نطاق واسع من الفول والشحن، ولا سيما في الأجهزة ذات الطاقة الكهربائية المتوسطة، ونظم الطاقة الشمسية، وتحافظ الرقابة على الإنتاج القوي دون تغيير يدوي، مثلاً يمكن أن يُعدل الحاويات التي تخضع لرقابة ثابتة من حيث الترددات، وذلك من أجل القضاء على خطأ ثابت في تحديد نسبة المكسب بنسبة 100 في المائة.

AC —DC Converters and Power Factor Correction (PFC)

ويجب أن يحافظ محولو عوامل إصلاح القوة على عامل القوة القريب من حيث الوئام وعلى التشويه الضارب المنخفض، بينما يتباين حجم الحمولة من الخفق إلى كامل الطاقة، كما يمكن لأجهزة التحكم التكيفية أن تعدل المكسب الحالي من أجل إبقاء الموصل في حالة التصريف المستمر، وأن تعوض عن التسامح بين العناصر والانجراف في درجة الحرارة، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تقدر قيمة التردد الثابت لحجم المدخلات، ثم تؤدي إلى إحداث تغيير في مسارها.

Motor Drives

(ب) أجهزة كهربائية دائمة (الآلات المتزامنة) وأجهزة استدراج المركبات - ذات المحركات التي تختلف اختلافاً كبيراً مع درجة الحرارة، ومستوى التدفق، وسرعة التشغيل، والتحكم التأديبي ضروري للتحكم المكثف في المسارات المتجهة نحو الميدان، ومراقبة الحركة المباشرة (DTC).

المُستغَرِفين المُحَجَّلين

ويجب أن يتزامن مع الشبكة وطاقة الحقن مع الامتثال للمعايير الصارمة (E Std 1547, IEC 61727). وتساعد الضوابط التكيفية على الحفاظ على استقرار الحلقة الحالي في ظل ظروف ضعيفة من حيث الوصل إلى الشبكة، ويختلف النهج المشترك في استخدام حلقة لايبونوف الحالية التي تتكيف مع اضطرابات التواتر التواتر الحاد والتكافلات المانعة للصدمات.

المزايا والاستحقاقات

وتتيح المراقبة التكيفية عدة مزايا قاهرة على التصميمات الثابتة - المشتركة:

تعزيز الاستقرار والسطو

ومن خلال تحديث بارامترات الضبط باستمرار، يمكن أن تحافظ أساليب التكيف على استقرار التشغيل حتى عندما تتحول ديناميات النبات إلى ما يتجاوز الهوامش التي صمم لها جهاز التحكم الثابت، فعلى سبيل المثال، فإن محول باك مع مكثفات إنتاجية متطورة سيفي بمتطلبات الهامش التدريجي إذا ما عادت الحلقة التكيفية إلى الظهور في المحاسب، وهذا النفوذ يقلل من خطر الفشل الميداني ويمتد من عمر المنتج.

تحسين كفاءة الطاقة

يمكن لأجهزة التحكم التكيفية أن تُصبح نقطة التشغيل للمحول إلى أقصى حد من الكفاءة عبر نطاق الحمولة، في جهاز تنظيم متعدد المراحل، على سبيل المثال، يمكن تكييف عدد المراحل النشطة على أساس الطلب الحالي، بينما يتم تعديل التردد المبدل ليتم توازن السلوك والخسائر التحويلية، وهذا النوع من التكيف الموجه نحو الكفاءة شائع في إمدادات القوى العاملة في الخواديم وفي إيصال الطاقة الكهربائية في مركز البيانات.

دليل تخفيض التطعيم والتجهيز الهندسي

وفي بيئات الإنتاج، قد يكون لكل وحدة من الوحدات تسامحات مختلفة اختلافا طفيفا في العناصر (المنتجات، والعجز، والحركة المتحركة، والمقاومة الجماعية)، إذ تتطلب أجهزة التحكم المختلط هامشاً من أسوأ الحالات أو معايرة فردية، وتعوض الرقابة التأديبية عن هذه التباينات تلقائياً، وتخفض تكاليف التصنيع والوقت، وتقضي النظم التي تنشر في الميدان، على التكييف، على الحاجة إلى تغيير عنصر الخدمات في مجال التحكم البيئي بعد الاستبداله.

التحديات

ورغم الفوائد، فإن نشر الرقابة التكيّفية في أجهزة الطاقة الإلكترونية في العالم الحقيقي ليس أمراً تافهاً، ويجب التصدي للعديد من التحديات.

التعقيد الحاسوبي

ويحتاج العديد من الخوارزميات التكييفية إلى عمليات مصفوفة، أو حسابات ايجينوفي، أو مشتقات ليابونوف، التي يمكن أن تتطلب وجود ملوثات صغيرة أو مجهزات للإشارة الرقمية التي تدار بمئات الكيلوهرتز، وقد تكون هناك حاجة في كثير من الأحيان إلى تطوير البرمجيات المحتوية على البرمجيات المربحة للتحقق من إمكانية حساب التكيف في إطار دورة تحويل واحدة.

ضمانات الاستقرار أثناء المارة

وتفترض نظرية التحكم التكييفية الموحدة نباتات متغيرة زمنياً بطيئة، إذ إن أجهزة الإلكترونيات الكهربائية غير خطية ومتحولة؛ وكثيراً ما تستند الأدلة على التقارب إلى نماذج متفاوتة قد لا تستوعب ديناميات التحول السريع، فالأحداث التي تُعد مثل أخطاء الدائرة القصيرة أو العزل المفاجئ للشبكة يمكن أن تؤدي إلى التكيف مع الركض بعيداً إن لم يكن محدوداً صراحة.

قضايا الاستشعار والقياس

وتستند المراقبة التصحيحية إلى قياسات دقيقة في الوقت الحقيقي للفولط والتيارات وأحيانا درجة الحرارة، ويمكن أن تؤدي الضوضاء الحسّية، والقياس الكمي، والحدود في عرض النطاق الترددي إلى انخفاض نوعية التقدير، وعلى وجه الخصوص، فإن أجهزة الاستشعار الحالية المنخفضة التكلفة التي تُقابل الانجراف، إلى أخطاء ثابتة في تقدير البارامترات، وباستخدام مرشحات كالمان أو تقنيات قائمة على مراقبين، يمكن أن تخفف من هذه المسائل، ولكنها تزيد من الحساب.

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ويتطور مجال التحكم التكييفي في مجال الكترونيات الطاقة بسرعة، مدفوعاً بتقدم في الحساب والتعلم الآلي، ومطالب الشبكات الذكية.

إدماج التعلم في مجال الآلات

ويجري استكشاف الشبكات العصبية والتعلم في مجال تعزيزات المهام المتعلقة بالتحكم التكييفي حيث تكون ديناميات النظام معقدة للغاية بالنسبة للنموذج التحليلي، ويمكن للتعلم عن التعزيزات العميقة أن يعدل أنماط التحول في الوقت الحقيقي للتقليل إلى أدنى حد من الخسائر أو التناسق دون اتخاذ خطوة منفصلة لتحديد الهوية، غير أن هذه الأساليب تتطلب بيانات تدريبية كبيرة، وكثيرا ما تفتقر إلى ضمانات استقرار رسمية، تشكل عائقا أمام تطبيقات السلامة الحرجة، كما أن النهج الهجينة التي تجمع بين متحكم التكيفي التقليدي وبين شبكة مبشرة بالخيرة.

نموذجي مؤاتٍ للمراقبة الافتراضية

وقد أصبحت الرقابة النموذجية للتنبؤات شائعة بالنسبة لمحولي الطاقة بسبب قدرته على التعامل مع القيود ووظائف التكاليف المتعددة الأغراض، وتوسّع هذه القاعدة بشكل إيجابي عن طريق تحديث نموذج التنبؤ على الإنترنت باستخدام تحديد التصحيحات، وتظهر البحوث الأخيرة أن برنامج حماية البيئة يمكن أن يحقق استجابة سريعة عابرة وكفاءة شبه آلية تحت حمولات وخطائب مختلفة.

التوابل الرقمية والتصوير الفعلي

والتوائم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من المحول الذي يعمل بالتوازي مع النظام المادي، ويمكن للأغلازم الايجابية أن تستخدم التوأم الرقمي لاختبار سياسات المراقبة قبل تطبيقها على المعدات الحقيقية، وتحسين السلامة والأداء، ويجري استكشاف هذا المفهوم للمزارع ذات النطاق الفلكي الواسع والمحركات المتعددة الأطراف التي ترتفع فيها تكلفة الفشل.

برامج تطوير برامجيات البرمجيات

ويمكن أن تقوم برامجيات إدارة الدعم الجديدة وأجهزة الاتصال المزودة بمصفوفات مصممة بالأجهزة المشتركة بتنفيذ خوارزميات التحكم التكييفية مع وجود تساهل دون الثانية الصغرى، مع وجود وحدات تشغيلية واسعة النطاق ذات الترددات العالية، يمكن أن تُجرى حلقات التكيُّف بسرعة غير قابلة للاستدامة في السابق، وهذا يفتح الباب للتحكم المكيف في أجهزة التحويل ذات الترددات العالية جداً(10).

خاتمة

وقد تطورت أساليب المراقبة التصحيحية من الانضباط الأكاديمي إلى مجموعة أدوات عملية للمهندسين الذين يصممون أجهزة إلكترونية ونظم تحويلية، ومن خلال تمكين المتحكمين من التكيف مع ظروف التشغيل المتغيرة، وعدم التيقن من البارامترات، والاضطرابات، والطرق التكييفية، وتعزيز الاستقرار والكفاءة، والقوة عبر مجموعة واسعة من التطبيقات من المحولات التي تعمل في مجال تطوير القدرات، ومن أجهزة الاستشعار بالأشعة دون الإقليمية إلى أجهزة الدفع المتحرك والتنبؤ.

وبالنسبة للقراء الذين يرغبون في الغوص أعمق، فإن الإشارة الشاملة هي ] المراقبة الأبوية للالكترونيات الكهربائية ] (وايلي)، وبالإضافة إلى ذلك، توجد دراسة استقصائية ممتازة بشأن التحكم في السيارات ] .]