Λύσεις — Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου στο Αυτοκίνητο (σελ. 73) – ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΛΕΓΧΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΓΝΩΣΕΩΝ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Συστήματα Αυτομάτου Ελέγχου στο Αυτοκίνητο

Λύσεις στις 12 ερωτήσεις του κεφαλαίου: ανοικτός/κλειστός βρόχος, ανάδραση (θετική/αρνητική), παράδειγμα αισθητήρα οξυγόνου/λάμδα, αυτορυθμιζόμενα συστήματα.

Ορισμός ανοικτού συστήματος

Ερώτηση: Ποιο σύστημα λέγεται ανοικτό ή ανοικτού βρόγχου;

Απάντηση:

• Ποιο σύστημα λέγεται ανοικτό ή ανοικτού βρόγχου;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα σύστημα θεωρείται ανοικτό, όταν η έξοδός του δεν επηρεάζει την είσοδό του — είναι δηλαδή ένα γραμμικό σύστημα (ανοικτός βρόγχος). Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι, σε ένα συμβατικό αυτοκίνητο, η πορεία του καυσίμου από τον εξαερωτήρα (καρμπιρατέρ), μέσα από την πολλαπλή εισαγωγή, προς τον κινητήρα (καύση) και την εξαγωγή προς την εξάτμιση, χωρίς καμία δυνατότητα ρύθμισης ή διόρθωσης βάσει του αποτελέσματος της καύσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ανοικτό σύστημα = η έξοδος δεν επηρεάζει την είσοδο (γραμμικό σύστημα) — π.χ. σύστημα τροφοδοσίας καρμπιρατέρ χωρίς έλεγχο αποτελέσματος καύσης

Ορισμός κλειστού συστήματος

Ερώτηση: Ποιο σύστημα λέγεται κλειστό ή κλειστού βρόγχου;

Απάντηση:

• Ποιο σύστημα λέγεται κλειστό ή κλειστού βρόγχου;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα σύστημα θεωρείται κλειστού βρόχου όταν, μετά το αποτέλεσμα (έξοδος), υπάρχει έλεγχος-μέτρηση και δυνατότητα διόρθωσης-ρύθμισης του πιθανού λάθους, δηλαδή η έξοδός του επηρεάζει την είσοδό του, ώστε να υπάρχει αυτορύθμιση. Παράδειγμα στο σύγχρονο αυτοκίνητο είναι το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου με αισθητήρα οξυγόνου (λάμδα), που ελέγχει το οξυγόνο στα καυσαέρια και ενημερώνει την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου να διορθώσει τον ψεκασμό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Κλειστό σύστημα = η έξοδος επηρεάζει την είσοδο μέσω ελέγχου/διόρθωσης, ώστε το σύστημα να αυτορυθμίζεται

Ορισμός ανάδρασης

Ερώτηση: Τι ονομάζεται ανάδραση;

Απάντηση:

• Τι ονομάζεται ανάδραση;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Η διαδικασία ή η δυνατότητα η οποία επηρεάζει την είσοδο του συστήματος (με βάση την έξοδό του) λέγεται ανάδραση (feedback). Είναι αυτή η πληροφόρηση/ενέργεια που «μετατρέπει» ένα ανοικτό σύστημα σε κλειστό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ανάδραση (feedback) = η διαδικασία/πληροφορία που επηρεάζει την είσοδο ενός συστήματος με βάση την έξοδό του, μετατρέποντάς το από ανοικτό σε κλειστό

Θετική ανάδραση

Ερώτηση: Πότε σε ένα σύστημα υπάρχει θετική ανάδραση;

Απάντηση:

• Πότε σε ένα σύστημα υπάρχει θετική ανάδραση;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Αν το αποτέλεσμα ενός βρόχου είναι «ενισχυτικό» -δηλαδή ενισχύει διαρκώς την αρχική μεταβολή αντί να την διορθώνει, απομακρύνοντας το σύστημα από την ισορροπία- τότε υπάρχει θετική ανάδραση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Θετική ανάδραση = όταν το αποτέλεσμα του βρόχου είναι «ενισχυτικό» (ενισχύει τη μεταβολή αντί να τη διορθώνει)

Αρνητική ανάδραση

Ερώτηση: Πότε σε ένα σύστημα υπάρχει αρνητική ανάδραση;

Απάντηση:

• Πότε σε ένα σύστημα υπάρχει αρνητική ανάδραση;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Αν το αποτέλεσμα είναι ρυθμιστικό, δηλαδή επαναφέρει το σύστημα σε μια κατάσταση ισορροπίας, τότε υπάρχει αρνητική ανάδραση. Αυτού του είδους η ανάδραση είναι που χρησιμοποιείται στα αυτορυθμιζόμενα συστήματα του αυτοκινήτου, όπως στο σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου με αισθητήρα οξυγόνου, όπου η συνεχής διόρθωση ανάμεσα σε φτωχό και πλούσιο μείγμα οδηγεί το σύστημα στην ιδανική κατάσταση (θέση ισορροπίας).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αρνητική ανάδραση = όταν το αποτέλεσμα είναι ρυθμιστικό και επαναφέρει το σύστημα σε ισορροπία (π.χ. διόρθωση μείγματος καυσίμου-αέρα)

Μετατροπή ανοικτού σε κλειστό σύστημα

Ερώτηση: Πώς μπορεί ένα ανοικτό σύστημα να μετατραπεί σε κλειστό;

Απάντηση:

• Πώς μπορεί ένα ανοικτό σύστημα να μετατραπεί σε κλειστό;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα ανοικτό σύστημα μετατρέπεται σε κλειστό όταν προστεθεί σε αυτό η δυνατότητα ελέγχου-μέτρησης της εξόδου (του αποτελέσματος) και διόρθωσης-ρύθμισης του πιθανού λάθους, δηλαδή όταν προστεθεί ανάδραση (feedback), που επηρεάζει την είσοδο του συστήματος με βάση την έξοδό του. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου ενός αυτοκινήτου: στο ανοικτό σύστημα (καρμπιρατέρ ή απλός ψεκασμός χωρίς αισθητήρα) δεν υπάρχει έλεγχος του αποτελέσματος της καύσης. Με την προσθήκη ενός αισθητήρα οξυγόνου (αισθητήρα λάμδα), που μετράει το οξυγόνο στα καυσαέρια στην πολλαπλή εξαγωγή και ενημερώνει την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, δημιουργείται η δυνατότητα διόρθωσης του ψεκασμού καυσίμου με βάση το πραγματικό αποτέλεσμα της καύσης — έτσι, ο αισθητήρας οξυγόνου «μετατρέπει» το ανοικτό σύστημα σε κλειστό.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Προσθέτοντας ανάδραση: έναν αισθητήρα που μετρά την έξοδο και ενημερώνει τη μονάδα ελέγχου να διορθώσει την είσοδο — π.χ. ο αισθητήρας οξυγόνου (λάμδα) στο σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου

Γέμισμα μπανιέρας: ανοικτός vs κλειστός βρόχος

Ερώτηση: Περιγράψτε τρόπους γεμίσματος μιας μπανιέρας με ανοιχτό και με κλειστό βρόγχο.

Απάντηση:

• Περιγράψτε τρόπους γεμίσματος μιας μπανιέρας με ανοιχτό και με κλειστό βρόγχο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Με βάση τη λογική των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου του κεφαλαίου, το γέμισμα μιας μπανιέρας με ανοικτό βρόχο θα γινόταν χωρίς καμία μέτρηση ή έλεγχο του αποτελέσματος: ανοίγουμε τη βρύση και την αφήνουμε ανοιχτή για ένα προκαθορισμένο χρονικό διάστημα (π.χ. με χρονοδιακόπτη), χωρίς κανένα σύστημα να ελέγχει πόσο νερό έχει πράγματι μπει μέσα· αν η πίεση του νερού διαφέρει από το συνηθισμένο, η μπανιέρα θα γεμίσει λιγότερο ή περισσότερο απ' όσο θέλαμε, χωρίς διόρθωση. Το γέμισμα με κλειστό βρόχο θα γινόταν με έναν αισθητήρα στάθμης (π.χ. πλωτήρα, όπως στο καζανάκι), που θα μετρούσε συνεχώς το ύψος του νερού (η έξοδος) και θα έστελνε αυτή την πληροφορία (ανάδραση) πίσω στον μηχανισμό ελέγχου της βρύσης, ο οποίος θα έκλεινε αυτόματα τη βρύση μόλις η στάθμη έφτανε στο επιθυμητό επίπεδο, ανεξάρτητα από μεταβολές στην πίεση του νερού.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ανοικτός βρόχος: γέμισμα με προκαθορισμένο χρόνο, χωρίς έλεγχο στάθμης· Κλειστός βρόχος: αισθητήρας στάθμης (π.χ. πλωτήρας) στέλνει ανάδραση που κλείνει αυτόματα τη βρύση στο επιθυμητό επίπεδο

Παράδειγμα ανοιχτού βρόχου

Ερώτηση: Δώστε παραδείγματα ανοιχτού βρόγχου.

Απάντηση:

• Δώστε παραδείγματα ανοιχτού βρόγχου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χαρακτηριστικό παράδειγμα ανοικτού βρόχου, σύμφωνα με το κεφάλαιο, είναι το σύστημα τροφοδοσίας ενός συμβατικού αυτοκινήτου: το καύσιμο αναμειγνύεται στον εξαερωτήρα (καρμπιρατέρ) με τον αέρα και ακολουθεί, μέσα από την πολλαπλή εισαγωγή, μια πορεία προς τον κινητήρα (κυλίνδρους) για καύση και εξαγωγή προς την εξάτμιση, χωρίς καμία δυνατότητα ρύθμισης ή διόρθωσης του αποτελέσματος της καύσης (Σύστημα τροφοδοσίας → Κινητήρας → Εξαγωγή καυσαερίων). Ακόμα και ένα σύγχρονο σύστημα με ηλεκτρονικό καρμπιρατέρ ή ψεκασμό, αν δεν διαθέτει αισθητήρα που να ελέγχει το αποτέλεσμα της καύσης και δεν έχει δυνατότητα διόρθωσης, συμπεριφέρεται και αυτό ως σύστημα ανοικτού βρόχου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Το σύστημα τροφοδοσίας συμβατικού αυτοκινήτου (καρμπιρατέρ→κινητήρας→εξάτμιση) χωρίς αισθητήρα ελέγχου αποτελέσματος καύσης — ακόμα κι αν είναι ηλεκτρονικό καρμπιρατέρ/ψεκασμός, χωρίς δυνατότητα διόρθωσης παραμένει ανοικτού βρόχου

Παράδειγμα κλειστού βρόχου

Ερώτηση: Δώστε παραδείγματα κλειστού βρόγχου.

Απάντηση:

• Δώστε παραδείγματα κλειστού βρόγχου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χαρακτηριστικό παράδειγμα κλειστού βρόχου, στο σύγχρονο αυτοκίνητο, είναι το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου που διαθέτει αισθητήρα οξυγόνου (αισθητήρα λάμδα): Σύστημα τροφοδοσίας → Κινητήρας → Αισθητήρας λάμδα → Καταλυτικός μετατροπέας → Εξαγωγή καυσαερίων, με την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (Η.Μ.Ε.) να δέχεται συνεχή ανάδραση από τον αισθητήρα λάμδα. Ο αισθητήρας ελέγχει-μετράει στην πολλαπλή εξαγωγή το οξυγόνο που περιέχεται στα καυσαέρια, δηλαδή το αποτέλεσμα της καύσης, και η Η.Μ.Ε. διορθώνει συνεχώς τον χρόνο ψεκασμού των μπεκ (εμπλουτίζοντας ή φτωχαίνοντας το μείγμα), ώστε να επιτυγχάνεται συνεχώς η ιδανική κατάσταση καύσης.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου με αισθητήρα οξυγόνου (λάμδα): μετρά το οξυγόνο των καυσαερίων και η Η.Μ.Ε. διορθώνει συνεχώς τον ψεκασμό μπεκ, ώστε να ρυθμίζεται συνεχώς το μείγμα (φτωχό-πλούσιο) γύρω από την ιδανική κατάσταση

Πότε ένα σύστημα είναι ρυθμιζόμενο

Ερώτηση: Πότε ένα σύστημα είναι (αυτό)ρυθμιζόμενο;

Απάντηση:

• Πότε ένα σύστημα είναι (αυτό)ρυθμιζόμενο;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα σύστημα είναι (αυτο)ρυθμιζόμενο όταν είναι κλειστού βρόχου, δηλαδή όταν διαθέτει τη δυνατότητα συνεχούς ελέγχου (μέτρησης) του αποτελέσματός του και διόρθωσης του πιθανού λάθους μέσω ανάδρασης προς την είσοδό του. Αυτή η δυνατότητα συνεχούς ελέγχου και διόρθωσης, ανάμεσα σε δύο ακραίες καταστάσεις (π.χ. φτωχό-πλούσιο μείγμα), κάνει το σύστημα να επανέρχεται συνεχώς σε μια ιδανική κατάσταση (θέση ισορροπίας) και να συμπεριφέρεται «τέλεια», χωρίς εξωτερική (χειροκίνητη) παρέμβαση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ένα σύστημα είναι αυτορυθμιζόμενο όταν είναι κλειστού βρόχου: ελέγχει συνεχώς την έξοδό του και διορθώνει την είσοδό του μέσω ανάδρασης, ώστε να επιστρέφει σε κατάσταση ισορροπίας χωρίς εξωτερική παρέμβαση

Ο όρος «ρυθμιζόμενος καταλύτης»

Ερώτηση: Τι υποδηλώνει ο όρος ρυθμιζόμενος καταλύτης;

Απάντηση:

• Τι υποδηλώνει ο όρος ρυθμιζόμενος καταλύτης;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο όρος «ρυθμιζόμενος καταλύτης» χρησιμοποιείται —κατά παράφραση— για συστήματα ψεκασμού που διαθέτουν αισθητήρα οξυγόνου (λήπτη λάμδα). Ωστόσο, ο καταλύτης δεν ρυθμίζεται ο ίδιος· αυτό που στην πραγματικότητα ρυθμίζεται συνεχώς είναι το μείγμα καυσίμου-αέρα, από το ίδιο το (κλειστό) σύστημα ψεκασμού, χάρη στην ανάδραση του αισθητήρα οξυγόνου. Επομένως, ο όρος «ρυθμιζόμενο» πρέπει να αναφέρεται στο σύστημα ψεκασμού (το κλειστό σύστημα) και όχι στον ίδιο τον καταλύτη, ο οποίος απλώς μετατρέπει (επεξεργάζεται) τα καυσαέρια χωρίς να ρυθμίζεται.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Παραπλανητικός όρος: δεν ρυθμίζεται ο ίδιος ο καταλύτης, αλλά το κλειστό σύστημα ψεκασμού (μέσω αισθητήρα οξυγόνου) ρυθμίζει συνεχώς το μείγμα καυσίμου-αέρα

Πλεονεκτήματα αυτορυθμιζόμενου συστήματος

Ερώτηση: Ποια τα πλεονεκτήματα ενός αυτορυθμιζόμενου συστήματος;

Απάντηση:

• Ποια τα πλεονεκτήματα ενός αυτορυθμιζόμενου συστήματος;

Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένα αυτορυθμιζόμενο (κλειστού βρόχου) σύστημα, χάρη στη δυνατότητα συνεχούς ελέγχου και διόρθωσης του αποτελέσματός του μέσω ανάδρασης, μπορεί να επανέρχεται συνεχώς σε μια ιδανική κατάσταση (θέση ισορροπίας) και να συμπεριφέρεται «τέλεια», δηλαδή να διορθώνει αυτόματα τυχόν αποκλίσεις από τη σωστή λειτουργία, χωρίς να χρειάζεται εξωτερική (χειροκίνητη) ρύθμιση. Στο παράδειγμα του συστήματος τροφοδοσίας καυσίμου με αισθητήρα λάμδα, αυτό σημαίνει ότι το μείγμα καυσίμου-αέρα διατηρείται συνεχώς κοντά στην ιδανική (στοιχειομετρική) αναλογία, ανεξάρτητα από μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας, με αποτέλεσμα καλύτερη απόδοση καύσης, μειωμένη κατανάλωση καυσίμου και μειωμένους ρύπους καυσαερίων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Συνεχής, αυτόματη διόρθωση/προσαρμογή του συστήματος στην ιδανική κατάσταση (ισορροπία) χωρίς εξωτερική παρέμβαση — καλύτερη απόδοση καύσης, λιγότερη κατανάλωση και λιγότεροι ρύποι