سیستم‌های کنترلی حلقه باز و سیستم‌های کنترلی حلقه بسته

(برای مطالعه این متن، آگاهی پیرامون مباحث ارائه شده در مطالب قبلی ضروری می باشد)

سیستم‌های کنترلی به معنای عام آن، که می‌تواند شامل سیستم‌های بیولوژیک، مهندسی، اجتماعی و یا ترکیبی از تمامی آنها باشند را از نظر باز و یا بسته بودن حلقه کنترلی می‌توان، به دو دسته «سیستم‌های کنترلی حلقه باز»[1]و «سیستم‌های کنترلی حلقه بسته»[2]، «بازخوردی» و یا «پسخوردی»[3] (فیدبکی)[4] تقسیم نمود. شایان ذکر است  که مفهوم باز و یا بسته بودن حلقه کنترلی، اگرچه می‌تواند در سیستم‌های مهندسی مفهومی مطلق باشد که نمونه‌هایی عینی از آنها نیز در جهان خارج وجود دارد، اما باید توجه داشت که در جهان بیولوژیک و اجتماعی این مفهوم بیشتر مفهومی «فازی» است، به  این معنی که با در نظر داشتن مفاهیم مطرح در نظریه «مجموعه‌های فازی»، در این حوزه‌ها ما با سیستم‌های کنترلی‌ای مواجه هستیم، که دارای درجات عضویت متفاوتی در دو مجموعه سیستم‌های کنترلی حلقه باز و سیستم‌های کنترلی حلقه بسته بوده و یافتن نمونه‌های ایده‌آلی که دارای درجه عضویت «صفر» و یا «یک» در هر یک از دو مجموعه فوق باشند در جهان واقعی غیر ممکن خواهد بود.[5]  

سیستم‌های کنترلی حلقه باز، سیستم‌هایی هستند که در آنها مقدار خروجی، تاثیری بر عمل کنترل و دستورات صادر شده از کنترل کننده ندارد. به بیان دیگر در یک سیستم کنترلی حلقه باز، خروجی، اندازه‌گیری نشده و برای مقایسه با ورودی هم «بازخورد» (فیدبک) نمی‌گردد. برخی ماشین‌های لباس‌شویی که بدون توجه به میزان تمیزی لباس، عمل آب‌گیری، شسشتو و خشک کردن را انجام می‌دهند از نوع «سیستم‌های کنترلی حلقه باز» هستند (اگاتا،1382:4) در سیستم‌های اجتماعی کلان، «سیستم‌های ایدئولوژیک» و اخلاقی مطلق - که البته در جهان واقعی نوع خالص و مطلق آنها کمتر دیده می‌شود و اگر هم تشکیل گردند، بواسطه نقاط ضعفی که این سیستم‌ها در جهت مواجهه با پیچیدگی‌های جهان واقعی دارند و در مطالب بعد به آنها پرداخته خواهد شد عمری کوتاه خواهند داشت- از نوع سیستم‌های حلقه باز هستند؛ به عبارتی این سیستم‌های کنترلی، بدون توجه به خروجی واقعی سیستم،‌ مرتبا دستورات یکسانی را صادر می‌کنند؛ که همانطور که بعدها نیز اشاره خواهد شد همین رویکرد با وارد آوردن آسیب‌های جبران‌ناپذیری به سیستم، در نهایت موجبات فروپاشی سیستم کنترل اجتماعی را فراهم می‌کند. در شکل زیر نمودار بلوکی سیستم کنترلی حلقه باز نشان داده شده است.

شکل 1: نمودار بلوکی سیستم کنترلی حلقه باز

در سیستم‌های مدار باز از آنجا که «خروجی» با «ورودی مرجع» مقایسه نمی‌گردد، هر ورودی مرجع، با یک وضعیت عملکردی ثابت مرتبط است، در نتیجه دقت سیستم به «کالیبره»[6] کردنآن بستگی دارد. بزرگترین ضعف سیستم کنترلی حلقه باز آن است که بهنگام وارد شدن سیگنال‌های اخلال‌گر به سیستم، یک سیستم کنترل حلقه باز عملکرد مطلوبی نخواهد داشت (همان).  

عمل کنترل حلقه باز، تنها در شرایطی مورد استفاده قرار می‌گیرد که رابطه بین ورودی و خروجی سیستم مشخص بوده و «سیگنال‌های اخلال‌گر»[7] نیز وجود نداشته باشند؛ بنابراین همانطور که در مطالب بعد نیز توضیح داده خواهد شد، با توجه به شرایط جامعه، که از یک سو متشکل از کنشگرانی است که پیش­بینی دقیق و کامل رفتار آنها امکان­پذیر  نیست و از سوی دیگر مرتبا تحت تاثیر سیگنال‌های اخلال‌گری از درون و برون سیستم می­باشد، این مدل نمی‌تواند مدل کنترلی مناسبی برای رساندن یک جامعه به نقطه مطلوب با توجه به معیار بقاء و ماندگاری باشد. ضعف «سیستم‌های کنترل اجتماعی ایدئولوژیک» و عدم توانایی آنها برای رقم زدن شرایطی مناسب با توجه به معیار بقا و ماندگاری برای سیستم‌های تحت کنترل‌شان دقیقا از همین موضع قابل ارزیابی است.

در مقابل سیستم‌های کنترلی حلقه باز، سیستم‌های کنترل بازخوردی (فیدبکی) و یا حلقه بسته قرار دارند، که با توجه به توضیح ارائه شده درباره کنترل بازخوردی (فیدبکی)، سیستم‌هایی هستند که برای رساندن پاسخ سیستم به نقطه مرجع مطلوب از طریق یک «مقایسه‌گر»، مقدار واقعی خروجی سیستم را، با مقدار ورودی مرجع مقایسه کرده و حاصل این تفاضل را به کنترل کننده، جهت صدور دستورات مناسب به سیستم و رساندن خروجی به ورودی مرجع، ارسال می‌کنند. سیستم کنترل دمای اتاق، مثالی از این گونه است. یک سنسور، با اندازه‌گیری دمای واقعی اتاق، سیگنالی را به مقایسه‌گر ارسال کرده و مقایسه‌گر نیز با مقایسه این سیگنال با ورودی مرجع که معرف دمای مطلوب اتاق است؛ سیگنالی را به کنترل کننده ارسال می‌کند؛ کنترل کننده نیز با توجه به این سیگنال، و توابع دستوری پیش‌بینی شده در آن، دستورات لازم، جهت روشن و یا خاموش شدن وسایل گرمایشی و سرمایشی و در نتیجه رساندن اتاق به درجه حرارت مطلوب را صادر می‌نماید، به نحوی که دمای اتاق، مستقل از دمای بیرون و یا سایر سیگنال‌های اخلال‌گر درونی وبیرونی که می‌توانند بر هر یک از اجزاء سیستم کنترلی وارد شوند، در سطح مطلوب باقی بماند (نگاه کنید به همان، 3). در شکل زیر نمودار بلوکی یک سیستم کنترلی حلقه بسته بازخوردی (فیدبکی) را ملاحظه می‌نمایید.

شکل 2: نمودار بلوکی یک سیستم کنترل حلقه بسته

مهمترین ویژگی های وجود یک حلقه فیدبک در یک سیستم کنترلی را می‌توان به صورت زیر برشمرد:

الف) توانایی سیستم برای بازتولید ورودی به صورت درست و صحیح افزایش می‌یابد؛

ب) حساسیت نسبت خروجی به ورودی را کاهش می‌دهد؛

ج) اثر عوامل غیر خطی‌ و اختلالات را کاهش می‌دهد؛

د) پهنای باند را افزایش می‌دهد ( پهنای باند یک سیستم محدوده‌‌ی فرکانس ورودی، که در آن محدوده، سیستم عملکرد رضایت بخشی دارد را مشخص می‌کند)؛ (به عبارتی سیستم‌های اجتماعی ایدئولوژیک در مقایسه با سیستم‌های کنترل اجتماعی عملگرا از پهنای باند کمتری برخوردار می‌باشند)؛

ه) گرایش سیستم به نوسان و بی ثباتی را افزایش می‌دهد؛

و) اثرات اخلال‌گرها و یا نویزهای خارجی را کاهش می‌دهد؛ (Dukkipati, 2006:8-9).

سیستم‌های خطی مستقل از زمان[8] و سیستم‌‌های وابسته به زمان[9]

علاوه بر تقسیم‌بندی ارائه شده از سیستم‌های کنترلی در بخش قبل، این سیستم‌ها را از نظر رابطه‌ای که با زمان دارند، می‌توان به دو دسته سیستم‌‌های مستقل از زمان و سیستم‌های وابسته به زمان تقسیم نمود.

یک سیستم خطی مستقل از زمان، سیستمی است که زمان، در خروجی و پاسخ سیستم تاثیرگذار نیست و می‌توان آن سیستم دینامیکی را که از عناصر خطی مستقل از زمان تشکیل شده است، با یک معادله دیفرانسیل خطی مستقل از زمان توصیف نمود ( اگاتا، 1382:30) . در این سیستم، پارامترهای سیستم به عنوان تابعی از زمان تغییر نمی‌کنند (Dukkipati, 2006:7) در مقابل، سیستم وابسته به زمان، سیستمی است که زمان پارامتری تاثیرگذار در خروجی و پاسخ سیستم بوده و معادله دیفرانسیل چنین سیستمی ضرایبی تابع زمان دارد.

با توجه به توضیحاتی که در مطالب پسین داده می‌شود، سیستم کنترلی جامعه در کلیت آن سیستمی وابسته به زمان می‌باشد که پاسخ و خروجی آن در زمان‌های مختلف متفاوت خواهد بود؛ به همین دلیل است که در طراحی سیستم‌های کنترل اجتماعی می‌بایست پاسخ آنها را در زمان‌های طولانی‌تری نیز در نظر داشت؛ چرا که ممکن است خطاهای ناشی از عدم طراحی مناسب سیستم، که خود را در زمان‌های اولیه چندان نشان نمی‌دهد، با گذر زمان بزرگ‌تر شده و سیستم را به سوی ناپایداری‌های ویرانگر سوق دهد. به عنوان مثال یک سیستم کنترل اجتماعی که در لحظات و سال‌های اولیه طراحی، سیستمی دموکراتیک به نظر می‌رسد که خرده سیستم‌های موجود در آن، رابطه‌ای نسبتا متوازن با یکدیگر دارند، تنها بواسطه آنکه یکی از خرده سیستم‌ها در لحظه اولیه تنها به میزان اندکی از امکانات و قدرت بیشتری از سایر خرده سیستم‌ها برخوردار است، در یک فرایند زمانی می‌تواند به یک سیستم غیر دموکراتیک و نامتوازن از نظر سیستمی تبدیل شود، که در آن، همان خرده سیستمی که در لحظات اولیه، تنها به میزان اندکی از قدرت و امکانات بیشتری برخوردار بوده است، با استفاده از همان میزان اندک برتری و با افزایش آن در گذر زمان که مکانیزمی برای کنترل آن نیز در نظر گرفته نشده است، می‌تواند سایر سیستم‌ها و خرده سیستم‌ها را تحت سلطه خود در آورده و سبب ایجاد یک سیستم اجتماعی – سیاسی نامتوازن و غیر دموکراتیک گردد؛ به این موضوع در مطالب بعدی که به چگونگی شکل‌گیری سیستم‌های اجتماعی پرداخته خواهد شد، باز خواهیم گشت.     

در مطلب پسین توضیحاتی پیرامون نظریه کنترل مدرن و طراحی و تحلیل سیستم‌های کنترلی ارائه شده و به این ترتیب زمینه را برای ورود کامل‌تر به بحث سیستم‌های کنترل اجتماعی آماده خواهیم نمود.  

 

---

[1] open loop control system

[2] closed loop control system

[3] feedback

[4]  کنترل فیدبکی به معنای کنترل سیستم با توجه به سیگنالی است که حاصل تفاضل خروجی و ورودی مرجع سیستم می‌باشد؛ این فرایند شامل اندازه‌گیری[4] خروجی سیستم، مقایسه[4] آن با ورودی مرجع و اعمال حاصل این مقایسه به کنترل‌کننده است تا با در نظر داشتن حاصل این مقایسه، دستورهایی را صادر نماید که خروجی سیستم به نقطه مرجع نزدیکتر شده و یا در بهترین حالت بر آن منطبق گردد؛ در این عمل ضمن حضور سیگنال اخلال‌گر، سعی در کاهش اختلاف بین خروجی سیستم و ورودی مرجع می‌شود... در اینجا فقط سیگنال‌های اخلال‌گر پیش‌بینی نشده مدنظرند زیرا انواع اخلال‌گرهای قابل پیش‌بینی یا شناخته شده همواره در سیستم قابل جبران می‌باشند (نگاه کنید به اگاتا، 1382).

[5]  برای آشنایی با نظریه مجموعه‌های فازی و کاربرد آن در علوم اجتماعی به کتاب زیر مراجعه نمایید:

Ragin, charles c. (2000) Fuzzy set social science, Chicago: The university of chicago press

 

[6] Calibration

کالیبراسیون به معنای تنظیم یک وسیله اندازه‌گیری از طریق مقایسه آن با یک استاندارد تایید شده است.

[7]  اخلال‌گر یا مزاحم سیگنالی است که با وارد شدن بر یک سیستم کنترلی، موجب می‌شود پاسخ سیستم به نقطه مرجع نرسد؛ اگر سیگنال اخلال‌گر در داخل سیستم تولید گردد، آن را اخلال‌گر داخلی و اگر در بیرون تولید و به صورت یک ورودی به سیستم وارد شود آن را اخلا‌ل‌گر خارجی می­گوییم (نگاه کنید به اگاتا، 1382:2). سیگنال‌های اخلال‌گر می‌توانند بر هر جزئی از سیستم وارد شده و بر مقدار خروجی اثر بگذارند. اخلال‌گرها از این نظر که سبب می‌شوند سیستم به اهداف خود دست نیابد؛ می‌بایست کنترل شده و یا اثرات آنها تا حد ممکن کاهش داده شود.

 

[8] Time invariant linear systems

[9] Time variant systems