ρύθμισης, συστήματα

Συσκευή ή σύνολο συσκευών, που προορίζονται για να πραγματοποιούν μια ρύθμιση, να διατηρούν δηλαδή σταθερό ένα ορισμένο φυσικό μέγεθος π.χ. μια ταχύτητα, ένα ηλεκτρικό ρεύμα, μια θερμοκρασία, τη στάθμη ενός υγρού κλπ.). Το ρυθμιζόμενο μέγεθος (output) είναι πάντοτε συνάρτηση δυο ή περισσότερων φυσικών μεγεθών (input). Έτσι, π.χ. ο αριθμός στροφών του κινητήρα ενός αυτοκινήτου εξαρτάται από την ποσότητα του καυσίμου που εισάγεται στον κύλινδρο και από τις καταπονήσεις στις οποίες υποβάλλεται ο κινητήρας (πορεία σε άνοδο, φορτίο κλπ.)· η θερμοκρασία ενός χώρου εξαρτάται από τον αριθμό των σε λειτουργία θερμαντικών στοιχείων και από την εξωτερική θερμοκρασία. Το σύνολο των μεγεθών input, του μεγέθους output και των οργάνων που τα παράγουν αποτελεί το ρυθμιζόμενο σύστημα. Έτσι, π.χ. η εξωτερική θερμοκρασία, τα θερμαντικά στοιχεία, τα χαρακτηριστικά του χώρου και η θερμοκρασία του αποτελούν ένα ρυθμιζόμενο σύστημα, στο οποίο το μέγεθος output είναι η θερμοκρασία του χώρου. Ένα σύστημα ρύθμισης αποτελείται από ένα όργανο ικανό να διαπιστώνει τις μεταβολές ενός από τα φυσικά μεγέθη του ρυθμιζόμενου συστήματος (συγκεκριμένα η μεταβολή του μεγέθους output καλείται «σφάλμα»). Ένα δεύτερο όργανο διευρύνει τη μεταβολή αυτή και τη μετατρέπει σε ενέργεια. Ένα άλλο όργανο εκμεταλλεύεται αυτή την ενέργεια και επενεργεί σε ένα όργανο του ρυθμιζόμενου συστήματος έτσι ώστε να προκαλέσει μια συμψηφιστική μεταβολή ενός μεγέθους input, η οποία με τη σειρά της εκμηδενίζει ή περιορίζει στο ελάχιστο το «σφάλμα». Ας σημειωθεί ότι, συχνά, ένας μόνο μηχανισμός ή ακόμα και ο άνθρωπος με την επέμβασή του, εκτελεί τη λειτουργία δυο ή περισσότερων οργάνων του κυκλώματος ρύθμισης. Αν π.χ. ένας χώρος είναι κρύος, ο άνθρωπος (όργανο ευαίσθητο στις μεταβολές της θερμοκρασίας) αισθάνεται το κρύο και ενεργεί στο θερμαντικό στοιχείο (ενεργεί δηλαδή σε ένα όργανο του ρυθμιζόμενου κυκλώματος). Τα συστήματα ρύθμισης διαιρούνται σε δυο κατηγορίες: συστήματα ανοιχτού κυκλώματος ή παρενεργειακής ρύθμισης και συστήματα κλειστού κυκλώματος ή αναδρομικής ρύθμισης (feedback). Συστήματα ρύθμισης ανοιχτού κυκλώματος. Στα συστήματα αυτά, η συμψηφιστική μεταβολή ενός μεγέθους input προκαλείται από τη μεταβολή ενός άλλου μεγέθους input. Έτσι π.χ. (*Σχήμα) ένα θερμόμετρο μετρά την εξωτερική θερμοκρασία και, ανάλογα με τη μείωση ή την αύξησή της, ελέγχει τη ζεύξη ή την απόζευξη θερμαντικών στοιχείων στον εσωτερικό χώρο. Ένα σύστημα ρύθμισης ανοιχτού κυκλώματος παρουσιάζει το εξής μειονέκτημα: αν απαιτείται ρύθμιση ακριβείας, είναι απαραίτητη η ακριβής γνώση της σχέσης μεταξύ του ελεγχόμενου μεγέθους και των άλλων φυσικών μεγεθών του συστήματος. Επιπλέον, ένα σύστημα ρύθμισης ανοιχτού κυκλώματος δεν είναι σε θέση να διορθώσει ένα σφάλμα που οφείλεται σε απρόβλεπτες από τη μελέτη αιτίες. Στο ίδιο πάντοτε παράδειγμα, το σύστημα ρύθμισης δεν θα λάβει υπόψη του μια μεταβολή του αριθμού των ατόμων στον χώρο ή το άνοιγμα ενός ή περισσότερων παραθύρων κλπ. Για τους λόγους αυτούς τα συστήματα ανοιχτού κυκλώματος ελάχιστα χρησιμοποιούνται. Συστήματα ρύθμισης κλειστού κυκλώματος. Είναι τα συστήματα στα οποία συμψηφιστική μεταβολή ενός μεγέθους input ελέγχεται από τη μεταβολή του μεγέθους output (δηλαδή από το «σφάλμα»). Έτσι, π.χ. (*Σχήμα) ένα θερμόμετρο μετρά την εσωτερική θερμοκρασία του χώρου και, ανάλογα με τη μείωση ή την αύξηση της θερμοκρασίας αυτής, ελέγχει τη ζεύξη ή την απόζευξη θερμαντικών στοιχείων. Τα πλεονεκτήματα ενός συστήματος ρύθμισης κλειστού κυκλώματος ανάγονται ουσιαστικά στο γεγονός ότι δεν απαιτείται ακριβής γνώση των σχέσεων μεταξύ των διάφορων φυσικών μεγεθών και του ελεγχόμενου μεγέθους και στο ότι είναι ικανό να διορθώσει ένα σφάλμα από οποιαδήποτε αιτία, ακόμα και όταν δεν έχει προβλεφτεί. Έτσι στο προηγούμενο παράδειγμα, αν ανοιχτεί ένα παράθυρο η θερμοκρασία του δωματίου κατεβαίνει και η μεταβολή αυτή προκαλεί τη ζεύξη περισσότερων θερμαντικών στοιχείων. Για τους λόγους αυτούς τα συστήματα ρύθμισης κλειστού κυκλώματος χρησιμοποιούνται πολύ και δεν υπάρχουν μέθοδοι ή συσκευές στις οποίες να μη λειτουργούν ένα ή περισσότερα από τα συστήματα αυτά. Μερικά παραδείγματα ρυθμιστών αυτής της κατηγορίας είναι: ο ρυθμιστής ταχύτητας του Βατ, οι ρυθμιστές στάθμης, οι ρυθμιστές θερμοκρασίας, ο αυτόματος έλεγχος του τόνου. Μηχανικός ρυθμιστής ταχύτητας του Βατ. Είναι το πρότυπο των ρυθμιστών και το εφεύρε ο Τζέιμς Βατ, το 1780. Αποτελείται από δυο μεταλλικά σφαιρίδια αναρτημένα με αρθρώσεις από έναν άξονα, συνδεδεμένο με τον κινητήριο άξονα της ατμομηχανής. Στην κανονική ταχύτητα, εξαιτίας της φυγόκεντρης δύναμης, τα δυο βάρη σταθεροποιούνται σε ένα ορισμένο ύψος. Αν, για οποιοδήποτε λόγο (αύξηση της πίεσης του ατμού, μείωση της αντίστασης στο σύστημα εκμετάλλευσης κλπ.), αυξηθεί η ταχύτητα του κινητήρα, θα αυξηθεί και η ταχύτητα περιστροφής των δυο σφαιριδίων, τα οποία, επειδή θα αναπτυχθεί μεγαλύτερη φυγόκεντρη δύναμη, θα σταθεροποιηθούν σε ύψος μεγαλύτερο από το προηγούμενο. Η ανύψωση αυτή, με ένα κατάλληλο σύστημα μοχλών, ενεργεί στο σύστημα διανομής του ατμού και μειώνει τη ροή του ρευστού, γεγονός που προκαλεί μείωση της ταχύτητας του κινητήρα, ο οποίος αποκτά έτσι και πάλι την ταχύτητα κανονικής λειτουργίας. Αντίθετα, αν η ταχύτητα μειωθεί, τα σφαιρίδια κατέρχονται και προκαλούν μεγαλύτερη ροή ατμού. Μηχανικοί ρυθμιστές στάθμης. Χρησιμοποιούνται για να διατηρούν σταθερή τη στάθμη ενός υγρού σε μια δεξαμενή, ένα δοχείο, ένα λέβητα κλπ., από όπου το υγρό αφαιρείται κατά διαλείμματα ή συνεχώς. Ενεργούν εκμεταλλευόμενοι την κίνηση ενός πλωτήρα, που βρίσκεται στην επιφάνεια του υγρού και ο οποίος ακολουθεί την κίνηση της στάθμης και κατέρχεται ή ανέρχεται με αυτή. Ο πλωτήρας, συνήθως ένα κοίλο κυλινδρικό μεταλλικό σώμα, αρθρώνεται στο ένα άκρο με ένα σύστημα μοχλών, έτσι ώστε να ενεργεί στο όργανο παροχέτευσης του υγρού στη δεξαμενή, κατά την έννοια ότι αυξάνει τη ροή όταν η στάθμη τείνει να κατέλθει και αντίστροφα. Αυτόματος έλεγχος τόνου (CAV). Είναι ένα κύκλωμα που χρησιμοποιείται στους ραδιοφωνικούς δέκτες, ικανό να εξουδετερώσει τις μεταβολές του σήματος υψηλής συχνότητας που δέχεται η κεραία του δέκτη, ώστε να έχουμε σταθερό σήμα εξόδου χαμηλής συχνότητας (να έχουμε δηλαδή σταθερό τόνο ακρόασης ανεξάρτητα από τις μεταβολές του σήματος εισόδου). Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η εξής: το σήμα υψηλής συχνότητας αφού μετατραπεί σε σήμα μέσης συχνότητας διέρχεται από μια δίοδο που καλείται δίοδος εμφάνισης. Στην έξοδο από τη φάση αυτή έχουμε μια τάση ίση με το άθροισμα μιας συνεχούς τάσης και μιας εναλλασσόμενης. Η εναλλασσόμενη τάση προχωρεί προς τις φάσεις χαμηλής συχνότητας και, ύστερα από κατάλληλη ενίσχυση, φτάνει στο μεγάφωνο. Αντίθετα, η συνεχής συνισταμένη, αφού φιλτραριστεί και ενισχυθεί πολλές φορές, διοχετεύεται στην εσχάρα ελέγχου των ενισχυτών των φάσεων υψηλής και μέσης συχνότητας. Οι τελευταίοι αυτοί είναι ειδικές λυχνίες μεταβλητής κλίσης ή μεταβλητού μ., των οποίων ο συντελεστής ενίσχυσης μεταβάλλεται με τη μεταβολή της «πόλωσης» της εσχάρας ελέγχου. Αν, για έναν οποιοδήποτε λόγο, το σήμα που δέχεται η κεραία αυξηθεί, θα έχουμε στην έξοδο της διόδου εμφάνισης μια υψηλότερη αρνητική συνεχή συνισταμένη της τάσης, η οποία αυξάνει την αρνητική πόλωση της εσχάρας ελέγχου και κατά συνέπεια μειώνει τον συντελεστή ενίσχυσης έτσι ώστε το όλο σύστημα σταθεροποιείται εκ νέου, με την ίδια σχεδόν έξοδο από τη δίοδο εμφάνισης και επομένως με τον ίδιο σχεδόν τόνο ακρόασης. Το αντίθετο συμβαίνει αν το σήμα που δέχεται η κεραία μειωθεί. 1 - Άξονας συνδεδεμένος με τον κινητήριο άξονα· 2 - σφαιρίδια σε κανονική θέση (ταχύτητα κανονικής λειτουργίας)· 3 - θέση σφαιριδίων σε υψηλή ταχύτητα· 4 - μοχλός ελέγχου σε κανονική θέση· 5 - θέση μοχλού ελέγχου σε υψηλή ταχύτητα.