مقالة عن التحكم في درجة الحرارة مع مراقب تعريف المنتج

أولاً -مقدمة

ومن ثم يمكن تطبيقها في تحدياتهم الخاصة للتحكم في درجة الحرارة.

ص. مشروع المفاهيم والتصميم

يتضمن هذا المشروع العديد من اعتبارات التصميم الهامة.

ومن المهم أن نحدد أولا بدقة هدف السيطرة. وما هي اللائحة المطلوبة بالضبط؟ ويمكن أن تكون درجة الحرارة في مكان مغلق صغير أو درجة حرارة السائل داخل الوعاء. أو ربما تكون كذلك وذلك لأن طبيعة المتغير المتحكم به، أو "load"، لها تأثير كبير على تصميم المكونات واختيار النظام.

ثانيا، من الضروري تحديد نطاق التشغيل المطلوب.

قرار التصميم الثالث هو اختيار المشغل. يقوم هذا الجهاز بإضافة أو إزالة الحرارة للوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة. ومن المهم أن يكون المشغل الذي تم اختياره متوافقًا مع قدرة إخراج نظام التحكم.

الخطوة الرابعة هي اختيار مستشعر درجة الحرارة الصحيح. يجب أن تكون المستشعرات قادرة على تحديد درجة الحرارة (أو النقطة التمثيلية) بدقة للمتغير الذي يتم التحكم فيه. الأنواع الأكثر شيوعا هي المزدوجات الحرارية التي، في حين أنها قوية، يمكن استخدامها في مجموعة من ظروف درجة الحرارة. ومع ذلك، فإنها تقدم دقة أقل. كاشفات درجة حرارة المقاومة، المعروفة أيضا باسم RTDs، لها دقة واستقرار ودقة أعلى، وخاصة على نطاق أوسع. و مقاوم حراري للتطبيقات التي تتطلب مستوى عالي من الحساسية. يعتمد اختيار هذه الأنواع، بالإضافة إلى خيارات أخرى مثل مكبرات الصوت المزدوجة الحرارية ووحدات الاستشعار المتكاملة على عدة عوامل، بما في ذلك نطاق درجة الحرارة المطلوبة، والدقة المطلوبة، ووقت الاستجابة اللازم، والتكلفة المعنية، والسهولة التي يمكن من خلالها دمج الوحدة في وحدة التحكم. في هذا المشروع، يجب عليك اختيار نوع حساس معين، مثل NTC الترمومتر أو وحدة من نوع K، وتبرير اختيارك باختصار.

يوضح هذا المخطط كيف يعطي المستشعر التغذية الراجعة لجهاز التحكم. كما أنه يوضح كيف يستخدم جهاز التحكم هذه البيانات ويولد إشارة الخرج التي تتحكم في المشغل للتأثير على درجة حرارة الحمل.

الثالث. تحديد مكونات التزويد بالمصادر

الخطوة التالية هي تحديد واختيار الأجهزة المطلوبة. ولكفالة عدم إغفال أي شيء أثناء عملية الاشتراء، توضع قائمة بجميع المكونات اللازمة. وتشمل المكونات الأساسية جهاز الكمبيوتر، المعروف أيضا باسم المتحكم الدقيق. هذا هو المحرك الذي يدير النظام بأكمله. إيتد#غالبا ما يتم اختيار 39 s للتوازن بين قوة المعالجة وسهولة الاستخدام، جنبا إلى جنب مع منافذ الإدخال/الإخراج المتاحة (على سبيل المثال لوحات أردوينو مثل أونو، نانو أو راسبيري بي، أو وحدات ESP32). وثمة خيار آخر هو وحدة تعريف الهوية الشخصية (PID)، التي تدمج خوارزميات تعريف الهوية الشخصية (PID) وتوفر خيارات بينية مبسطة. ومع ذلك، فإن تنفيذ تعريف الهوية الشخصي باستخدام المكتبات على وحدة التحكم المصغرة هو أيضًا منهج تعليمي وقابل للتطبيق.

وللحصول على ردود فعل دقيقة، من المهم اختيار مستشعر درجة حرارة مناسب خلال مرحلة التصميم. ومن الضروري أيضا تحديد مشغل درجة الحرارة. يمكن أن يكون هذا وحدة Peltier أو سخان مقاوم. يستخدم الهواة في كثير من الأحيان مشغلات الطاقة المنخفضة نسبيا، ولكن يجب أن تكون لا تزال قادرة على التأثير على نطاق درجة الحرارة من الحمل. هناك حاجة إلى إمدادات طاقة منفصلة للمحكم الدقيق والمستشعر لضمان أن كل مكون يتلقى الجهد والتيار الصحيحين. إذا كانت سنون خرج المتحكم الدقيق غير قادرة على التعامل مع التيار المسحوب من قبل المشغل، قد تكون هناك حاجة إلى وحدة ترحيل. وتشمل القائمة أيضا المكونات الأساسية مثل نموذج لوح تجزئة، وكابلات التوصيل للتوصيل، واحتمال احتواء النظام.

للحصول على هذه المكونات، تحتاج إلى تحديد الموردين الموثوق بهم. أدفروت سباركفون ديجي -كي موسر (بالإنجليزية: Adafruit SparkFuن Digi-Key Mouser) أو أمازون (بالإنجليزية: Amazon) هم جميعًا تجار تجزئة على الإنترنت متخصصون في المكونات الإلكترونية. يمكن العثور على المعدات الأصلية على مواقع الشركة المصنعة.

رابعا -تركيب المعدات وتجميعها

إعداد الأجهزة هي المرحلة التي تترجم مفاهيم التصميم إلى تكوين مادي. تتضمن مرحلة إعداد الأجهزة توصيل كل مكون وفقًا لتصميمه. يتم إعطاء كل اتصال تعليمات مفصلة، مع التركيز على الالتزام بأوراق البيانات المكونة من أجل تجنب الضرر وضمان الوثوقية.

أولاً، يتم توصيل مستشعر درجة الحرارة. وعادة ما تكون دبابيس خرج المستشعر متصلة بدبابيس الإدخال في وحدة تعريف المعلمات أو المتحكم الدقيق (مثل VCC و GND ودبابيس الإشارة في حالة المستشعر التناظري أو دبابيس الإشارة الرقمية). بالنسبة لبعض أنواع أجهزة الاستشعار والواجهات (مثل أجهزة الاستشعار الرقمية التي تتصل عبر I2C أو SPI أو I2C)، قد تكون هناك حاجة إلى مقاومات سحب لأعلى أو مقاومة. من أجل القراءات الدقيقة، من المهم استخدام الأسلاك الصحيحة.

سيتم توصيل المحرك بعد ذلك يمكن استخدام الصمامات الثنائية الارتدادية عبر الأطراف اللولبية للمرحل إذا كنت تقود أجهزة حثية مثل المحركات والمرحلات. وهذا سوف يحمي مسمار الإخراج على وحدة التحكم الدقيقة من المسامير.

ويتطلب تمكين النظام ككل الاهتمام. تتطلب كل من المتحكم الدقيق، والمستشعر، والمحرك، ووحدة المرحل (إن وجدت) فولتات مختلفة (على سبيل المثال 5 فولت، 3.3 فولت، أو 12 فولت، 24 فولت، أو أكثر للمشغل). يجب أن يتوافق مصدر الطاقة مع متطلبات جميع المكونات وأن يكون قادرًا على توصيل تيار كافٍ، وخاصة للمشغل. وينبغي أن تكون الوصلات مأمونة باستخدام الوصلات أو الوصلات الملحومة أو عزلها لتجنب حدوث دوائر قصر. بالنسبة للنمذجة الأولية والتعديل السهل، يمكن أن تكون لوحات العرض خيارًا مريحًا.

البرمجيات هي دماغ نظام التحكم في درجة الحرارة PID، وتحويل بيانات الاستشعار إلى إجراءات للتحكم في المشغل. يتطلب تطوير هذا البرنامج عدة خطوات. وتبدأ مع إعداد بيئة التنمية. يتم تضمين تعليمات التثبيت لأدوات البرمجيات المطلوبة.

هذا لأن خوارزمية تعريف الهوية الشخصي، في حد ذاتها، تشكل جوهر البرنامج. يجب كتابة رمز الوظائف أدناه.

قراءة بيانات جهاز الاستشعار: تطبيق رمز لقراءة قيم درجة الحرارة من جهاز الاستشعار. وهذا يمكن أن ينطوي على قراءة الجهد التناظري (باستخدام التناظرية القراءة (على Arduino)) أو قراءة البيانات الرقمية (باستخدام Wire.beginTransmission()، Wire.طلب من ()، الخ، لأجهزة الاستشعار I2C).

تنفيذ تعريف الهوية الشخصي: دمج معادلات تعريف الهوية الشخصي في الشفرة. على الرغم من أنه يمكن للمرء كتابة منطق تعريف الهوية الشخصي الخاص به، فإنه يوصى بأن يستخدم المبتدئون مكتبة مثل PID_v1. يتعامل مع جميع الحسابات داخليا ويقدم خيارات التكوين. تتطلب المكتبة أن تحدد أنواع الكسب (Kp و Ki و Kd)، ودرجة الحرارة المحددة، بالإضافة إلى قياس المدخلات. المكتبة تحسب الخطأ (الفرق في النقاط المحددة والقياسات)، وتستخدم تعريف الهوية المعلمي لمعالجة هذا الخطأ، ومن ثم مخرجات قيمة.

حساب إشارات المخرجات: غالبًا ما تتطلب المخرجات الأولية من مكتبات تعريف المنتج توسيع النطاق أو تفسيره. إذا كنت تستخدم مرحل حرارة على سبيل المثال فقد يكون من الضروري استخدام إشارة تعريف المعلمات لضبط دورة التشغيل على إشارة نطاق النبض المعدل ويمكن أيضا أن يكون مجرد رقم رقمي (0 أو 1) لتشغيل المُرحل. ويمكن أن يكون الناتج رقمًا يتم إرساله إلى لجنة المساعدة الإنمائية أو يتم التحكم فيه بشكل مباشر.

التحكم في المشغل: في الخطوة الأخيرة، يتم استخدام إشارة الخرج للتحكم في المشغل. يمكن التحكم في المتحكم الدقيق من خلال دبابيس الخرج الرقمية أو دبابيس الخرج التناظرية لـ PWM، بالإضافة إلى وحدة المرحل.

معالجة الخطأ الأساسي من خلال تنفيذ معالجة الخطأ البسيطة مثل التحقق من حالات الفشل في اتصالات المستشعر أو حالة المشغلات، يمكنك زيادة قوة النظام.

ومن المهم توفير الهيكل الكامل للمدونة، أو الإطار الأدنى. وهذا يشمل جميع التعليقات التي تشرح وظيفة المتغيرات والغرض منها. هيكلة الشفرة لجعلها سهلة القراءة والصيانة. إذا كنت ترغب في تضمين وظائف العرض وواجهة المستخدم (على سبيل المثال عرض النقاط المحددة ودرجة الحرارة معرف المنتج على شاشة العرض البلورية)، سيكون هناك رمز إضافي مطلوب لربط وحدة العرض، بالإضافة إلى مدخلات أزرار التعامل لضبط النقاط.

عملية ضبط تحديد الهوية الشخصية

والضبط الصحيح لبارامترات تحديد الهوية المعلوماتية (النسبية (P) والمتكاملة (I) والمتشتقة (D) أمر حاسم لتحقيق التحكم الفعال في درجة الحرارة. قبل التوليف، من المهم أن نفهم كيف تؤثر المعايير على سلوك النظام. المصطلح النسبي (P)، الذي يؤثر مباشرة على الناتج، يتناسب مع الخطأ. (الفرق بين درجة الحرارة المحددة ودرجة الحرارة المقاسة). إذا تم تعيين إلى قيمة أعلى، فإن مصطلح P سيستجيب بشكل أقوى للأخطاء. ومع ذلك، فإنه يمكن أن يسبب التذبذب أو عدم الاستقرار إذا كان مرتفعا جدا. في مصطلح التكامل، تتراكم أخطاء الماضي مع مرور الوقت. ويستخدم هذا التعديل المستمر لإزالة خطأ حالة الاستقرار. تصرفات أنا المفرطة يمكن أن تسبب تذبذبات المصطلح المشتق (D)، الذي يتنبأ بالخطأ المستقبلي على أساس الأخطاء الحالية، يساعد على تقليل التذبذبات، وتحسين زمن استجابة النظام، والمساهمة في الاستقرار.

يمكن أن يكون من الصعب العثور على أفضل قيم P و I و D، والتي غالبا ما تتطلب التجريب والمراقبة عن كثب. على الرغم من وجود روتينات ضبط تلقائية يمكن دمجها مع وحدات تعريف الهوية الشخصي وغيرها من وحدات التحكم، إلا أنه من المهم فهم عملية الضبط اليدوي. زيغلر -نيكولز هي طريقة شائعة لتحديد النظام#39;s الكسب النهائي والوقت النهائي للدراجات. وهذا ينطوي على زيادة الكسب النسبي حتى تكون التذبذبات ثابتة في السعة. واستنادًا إلى الصيغ التجريبية، يمكن استخدام هذه القيم لتحديد القيمة الأولية لـ P و I و D. وقد يكون من الصعب استخدام هذه الطريقة للمشاريع الصغيرة أو تلك التي تقل إمكانية التنبؤ بها.

وعادة ما تكون تقنيات الضبط اليدوي العملي لهذا المشروع أكثر فعالية وجدوى. ومن الشائع أن تبدأ مع النسبية. ابدأ بقيمة P منخفضة (على سبيل المثال P=1 و P=0.1)، ثم لاحظ كيف يستجيب النظام عند تغيير النقطة المحددة. زيادة P تدريجيا حتى ترى النظام يتذبذب. فالنقطة التي يبدأ عندها النظام في التأرجح تعطي فكرة عما قد تكسبه في النهاية. بدلا من ذلك، يمكنك البدء باستخدام قيمة P معتدلة ومن ثم تعديلها وفقا لملاحظاتك. بعد أن يتم العثور على P قيمة لتوفير استجابة سريعة، دون التذبذبات التي هي مفرطة، يمكنك إدخال الحد التكاميلي. ضع Ki على قيمة منخفضة، على سبيل المثال Ki=0.1، وانظر ما إذا كان يحسن قدرة النظام على الحفاظ على النقطة المحددة، والقضاء على الانجراف البطيء. إذا استمر الانجراف، قم بزيادة كي ببطء. تأكد من أن تبقي عينيك على التذبذبات الجديدة. يمكن إضافة المصطلح المشتق في النهاية. ضع Kd عند قيمة منخفضة، على سبيل المثال Kd=0.01 وانظر ما إذا كان التخميد سيتحسن. ينطوي الموالفة المتكررة على تغيير معلمة واحدة في وقت واحد ومراقبة كيفية تصرف النظام. ثُمَّ تُجْرَى تَعْدِيلَاتٌ أُخْرَى.

ومن الأهمية بمكان إيجاد نظام متوازن يستجيب بسرعة للتغيرات التي تطرأ على هذه النقطة المحددة. والهدف هو أن يصل النظام إلى النقطة المحددة دون تجاوز الحد والحفاظ على درجة حرارة مستقرة حول النقطة المحددة والتعافي بسرعة من أي اضطرابات. هناك العديد من نصائح الضبط، بما في ذلك البدء مع P والانتقال إلى I و D، ومراقبة التذبذب، تجاوز الهدف وأوقات التسوية، فضلا عن إجراء تعديلات صغيرة. يجب حفظ القيم النهائية ل P و I و D في البرنامج. إذا سمح المتحكم الدقيق بذلك، يمكن أيضًا استخدام التخزين غير المتطاير.

السابع. اختبار النظام والتحقق منه

بعد تجميع الأجهزة وضبط معلمات تعريف الهوية الشخصي، من المهم اختبار النظام بصرامة من أجل ضمان أن الأداء هو كما هو متوقع. يبدأ الاختبار بالفحوصات الأساسية. شغل النظام وتأكد من أن المتحكم يدير البرنامج تأكد أيضاً من صحة قراءات المستشعر وشاشة العرض حتى لو كان متحكماً#تم تعيين إشارة التحكم في 39;s في البداية على مستوى ثابت (على سبيل المثال التشغيل الكامل، إيقاف التشغيل)، والتحقق من أن المشغل يستجيب بشكل مناسب.

من أجل إجراء الاختبار الأولي، سوف تحتاج إلى تعيين درجة الحرارة المطلوبة من خلال واجهة النظام (على سبيل المثال مقياس الجهد أو إعدادات البرمجيات إذا كان متوفرا). راقب استجابة النظام وهو يحاول الحفاظ على هذه الحرارة والوصول إليها. يتم رصد درجات الحرارة مع مرور الوقت بشكل أفضل باستخدام ميزات تسجيل ورسم البرنامج، إذا كانت متاحة. وتتمثل مؤشرات الأداء الرئيسية في زمن الارتفاع، وهو مدى السرعة التي تصل بها درجة الحرارة إلى النقطة المحددة لها. وتتمثل الاستجابة المثالية في أن يكون النظام سريعًا وسلسًا نسبيًا، ويحافظ على درجة الحرارة قريبة من النقطة المحددة.

أدخل اضطرابات مضبوطة لتختبر قوة نظامك أكثر وإذا كان النظام يتحكم في الحاوية، يمكنك فتحها لفترة وجيزة للسماح للهواء البارد بالدخول ورؤية كيف يتفاعل النظام. وينبغي أن يكون قادرا على كشف الانخفاض في درجة الحرارة، وزيادة خرج التدفئة إذا لزم الأمر لرفع درجة الحرارة إلى نقطة محددة. وإذا كنت تتحكم في درجة حرارة السائل، فأضف سائلا ابرد وشاهد رد الفعل.

استعراض البيانات التي تم تسجيلها (مثل الرسوم البيانية لدرجة الحرارة مقابل الوقت). فمن الممكن تحليل أداء النظام بمزيد من التفصيل، مما يجعل من الأسهل بكثير للكشف عن أي مشاكل، مثل التذبذبات المستمرة أو الاستجابات البطيئة، فضلا عن الفشل في الوصول إلى نقاط محددة. قد تتطلب الملاحظات تعديلات طفيفة في معلمة تعريف الهوية الشخصي، ولكن الضبط الأكثر أهمية عادة ما يكون محجوزاً لمرحلة الضبط. مرحلة الاختبار تعطي الثقة في قدرة النظام على الحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة في ظل ظروف مختلفة.

الثامن. استنتاجات المشروع والمزيد من الاستكشافn

ويشكل تنفيذ ضوابط درجة الحرارة باستخدام وحدة تحكم في كشف البيانات الشخصية إثباتاً لمبادئ التحكم الأساسية. وقد تم توجيه القارئ خلال جميع المراحل الرئيسية: من التصميم والمفهوم الأوليين، إلى اختيار المكونات، وتجميع المعدات، والبرمجيات، وضبط وحدات تحديد الهوية الشخصية، واختبار النظم. هذا المشروع لم يسمح فقط للأفراد ببناء نظام التحكم في درجة الحرارة، ولكن أيضا الحصول على خبرة قيمة في تطبيق نظرية اضطراب الهوية الشخصية. إذا كان الضبط صحيحًا وتم اختيار المكونات بشكل صحيح، فإن التشغيل الناجح لهذا النظام سيوفر فهمًا ملموسًا لهذه المفاهيم.

التأمل في المشروع#من المحتمل أنك واجهت تحديات على طول الطريق وقد تكون بعض هذه التحديات صعوبات في الحصول على مشاكل مستقرة في ضبط معرفات البيانات الشخصية أو تكامل المستشعر، بالإضافة إلى مشاكل في استكشاف الأخطاء وإصلاحها فيما يتعلق باتصالات الأجهزة. والتعلم للتغلب على هذه التحديات هو جزء حاسم من التعلم. وفي كثير من الحالات، تشير المسائل الشائعة مثل التذبذبات والردود البطيئة إلى الحاجة إلى مزيد من ضبط خاصية تحديد الهوية المسبق، ربما بإجراء تعديلات أصغر أو البدء من نقطة جديدة. وبمعالجة هذه المسائل، يمكنكم أن تفهموا المبادئ بشكل أفضل.

هناك العديد من الفرص لتحسين واستكشاف المشروع. يمكن تحسين البيئة المتحكم فيها بإضافة المزيد من المواد العازلة، والتي من شأنها أن تقلل من الضغط على المشغل وتحسين الكفاءة. ويمكن للترقية إلى أجهزة استشعار أكثر دقة لدرجة الحرارة أو متحكمات دقيقة أعلى دقة تحسين الدقة. تنفيذ استراتيجيات مراقبة متطورة مثل التعاقبية أو