المادة: Arduino PWM PID التحكم في درجة الحرارة

أنا. أولاً -مقدمة

أ. لمحة عامة موجزة عن متطلبات التحكم في درجة الحرارة لمشاريع DIY وعلى نطاق أصغر

ب. أردوينو هو منصة شعبية تستخدم للهواة الإلكترونية.

ج. ج. Introduction to Pulse-Width Modulation: تقنية التحكم

تعديل نطاق النبض هو تقنية مهمة للتحكم في كمية الطاقة التي يتلقاها الجهاز الإلكتروني، وخاصة مشغل مثل السخان أو المحرك. PWM هو التحول السريع للناتج الرقمي بين الحالات المنخفضة والعالية. إن دورة التشغيل هو أهم عامل. وهي النسبة المئوية للوقت الذي تكون فيه إشارة الخرج عالية في الدورة. يحاكي PWM إشارة تناظرية عن طريق تغيير دورة العمل. في تطبيقات التسخين، دورات التشغيل الأعلى تعني أن عنصر التسخين سيكون قيد التشغيل لفترة أطول من الوقت. وهذا يزيد من الطاقة، وبالتالي درجة الحرارة. دورة عمل أقل سوف تقلل من الطاقة وبالتالي درجة الحرارة. تتيح هذه الطريقة ضبطًا دقيقًا للطاقة.

د. Introduction to PID Control: Proportional-Integral-Derivative algorithm (باللغة الإنجليزية)

قد تكون ضوابط التشغيل/إيقاف التشغيل البسيطة كافية لبعض التطبيقات الأساسية ولكنها في كثير من الأحيان تفشل في توفير الدقة المطلوبة للتنظيم المستجيب والمستقر لدرجة الحرارة. خوارزمية PID ضرورية في هذه الحالة. إستراتيجية تعريف الهوية المسبق هي التحكم في تغذية راجعة الحلقة المغلقة التي تستخدم الخطأ كفرق في درجة الحرارة المستهدفة ودرجة الحرارة الفعلية. تطبق هذه الخوارزمية ثلاثة مصطلحات مختلفة للتصحيح:

1. تناسبي: هذا التصحيح يتناسب مع الخطأ. ويكون التصحيح أكبر عندما يكون الخطأ أكبر. وهذا يساعد في جعل النظام يصل إلى نقطة ضبطه بسرعة أكبر.

2. تكامل: ويتناسب التصحيح مع الخطأ المتراكم على مر الزمن. ويستخدم هذا المصطلح للقضاء على أخطاء الحالة الثابتة -أي انجراف درجة الحرارة عندما يقترب النظام من النقطة المحددة ولكنه لا يصل إليها بالضبط.

3. المشتقة (D): ويتناسب التصحيح مع التغير في معدل الخطأ. ويستخدم هذا المصطلح للتنبؤ بالأخطاء المستقبلية، وذلك باستخدام الاتجاه الحالي. كما يساعد على تثبيط النظام ومنع التأرجح والتأرجح.

ويمكن أن يؤدي الجمع بين هذه المصطلحات الثلاثة إلى توازن أفضل في الاستجابة والدقة والاستقرار مقارنة مع الأساليب الأبسط.

إي. الغرض من هذه المقالة هو شرح كيف يمكن تنفيذ ضوابط درجة الحرارة PID باستخدام Arduino و PWM.

هذه المادة#الهدف الأساسي لـ 39 هو تقديم دليل عملي ومفصل لتنفيذ نظام التحكم في درجة الحرارة باستخدام متحكم أردوينو الدقيق مع تعديل عرض النبض لعنصر التسخين. وستغطي المادة المفاهيم الأساسية وستجمل جميع مكوناتها. كما سيوفر نظرة ثاقبة حول كيفية برمجة الأردوينو حتى يتمكن من تنفيذ خوارزميات تعريف الهوية الشخصية. We' سوف أرشدك عبر وصلة الأجهزة وسوف أعطيك النصيحة حول ضبط واختبار الإعداد النهائي. بعد قراءة هذه المقالة، ينبغي ان يكون القارئ قادرا على صنع اردوينو خاص بهجهاز التحكم في درجة الحرارة.

ف. التركيز على كبار المديرين: كلمات رئيسية مثل " ؛ أردينو التحكم في درجة الحرارة التحكم في درجة حرارة معرِّف المنتج أردينو أداة التحكم في تسخين جهاز التحكم في درجة الحرارة " ؛

ص. المكونات الأساسية

أ. متحكم أردوينو الدقيق -الدور والعمليات الأساسية (معالجة المدخلات ومخرجات التحكم).

المتحكم الصغير أردوينو هو جوهر نظام التحكم في درجة الحرارة أردوينو. المتحكمات الدقيقة هي كمبيوتر صغير مبني على دائرة متكاملة. يحتوي المتحكم الدقيق على معالج متكامل، وملحقات إدخال وإخراج قابلة للبرمجة وذاكرة لتخزين كود البرنامج. في هذه الحالة، الأردوينو#وظيفة 39;s الأساسية هي وحدة التحكم في النظام. الأردوينو#مهمة 39;s الرئيسية هي قراءة قراءة درجة الحرارة من جهاز الاستشعار ومعالجتها باستخدام خوارزمية PID من أجل تحديد مستوى التسخين الصحيح. ثم يقوم بتوليد إشارة PWM وكذلك التحكم في SSRs (مرحلات الحالة الصلبة) أو أي آليات تبديل أخرى للتحكم في كمية الطاقة التي يتم تسليمها إلى عنصر التسخين. يقوم بتنفيذ جميع التعليمات المبرمجة، واتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي للحفاظ على درجة الحرارة.

ب. اختيار أجهزة استشعار الحرارة: أنواع شائعة (مثل المزوجات الحرارية DS18B20 و DHT11/22 المزودة بمزوجات حرارية MAX6675 و DHT11/22)

أجهزة استشعار درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية للدقة والموثوقية. وتستخدم أنواع مختلفة من أجهزة استشعار درجة الحرارة في مشاريع أردينو.

· أجهزة الاستشعار الرقمية: هذا المستشعر يحول قياس درجة الحرارة إلى رمز رقمي، مما يجعل من السهل على أردوينو التفسير. DS18B20 هو مقياس حرارة رقمي مع سلك واحد#39;s معروف بدقته، وأجهزة استشعار متعددة، وقدرته على الاستشعار المتعدد. وتشمل الأمثلة الأخرى DHT11 و DHT22 التي يمكن أن تقيس درجة الحرارة والرطوبة. يوفر DS18B20 قراءات دقيقة لـ +-0.5degC مع دقة منخفضة تصل إلى 0.1degج. وتبلغ دقة أجهزة استشعار درجة حرارة مادة DHT (DHT) +2degC. للحصول على قراءات دقيقة، تتطلب أجهزة الاستشعار الرقمية دعم مكتبة من الأردوينو.

· أجهزة استشعار تناظرية: وينتج هذا المستشعر مخرجات جهد تناظرية تتناسب مع درجة الحرارة. المستشعر الخطي LM35 هو مثال شائع، لأنه يخرج 10 ملي فولت لكل درجة مئوية. أجهزة الاستشعار التناظرية بسيطة ولكن يمكن أن يكون لها ضجيج. وهي تتطلب التحويل التناظري إلى التحويل الرقمي لقراءتها (باستخدام Arduino&)#39;s ADC).

· المزدوجات الحرارية وهي مستشعرات قوية يمكن استخدامها في مجموعة من درجات الحرارة (من منخفضة جدا إلى المبردة)، ولكن لديها مستوى دقة أقل من المستشعر الرقمي. يستخدم تأثير سيبيك لتوليد جهد طفيف عند التقاطع بين اثنين من المعادن. وغالبا ما تقرأ الفولتية المزدوجة الحرارية باستخدام دوائر أكثر تعقيدا، أو ICs مثل MAX6675 التي تقدم مخرجات رقمية وتعويض الوصلة الباردة للأزواج الحرارية من نوع N-.

يعتمد اختيار المستشعر على تطبيقك &#متطلبات 39. ويشمل ذلك نطاق درجات الحرارة المطلوبة، والدقة المطلوبة، والتكلفة، ومنافذ الإدخال/الإخراج المتاحة على لوحة أردوينو. تعد أجهزة الاستشعار DS18B20 و DHT خيارًا رائعًا لمعظم مشاريع الهواة. فهي توفر توازنا بين الدقة والتكلفة وسهولة الاستخدام.

C. اعتبارات عناصر التسخين وأنواعها (مثل الأسلاك المقاومة، وكتل المقاومة، وما إلى ذلك)

عناصر التسخين هي المكونات التي تولد الحرارة اللازمة لزيادة أو الحفاظ على العملية#39 ؛ درجة الحرارة. هناك عدة أنواع متاحة.

· سلك مقاوم (ملف تدفئة): هذا السلك المقاوم، والذي غالبا ما يكون مصنوعا من مواد مثل النيكروم أو غيره من المعادن المماثلة، يسخن عندما يتدفق التيار الكهربائي من خلاله. يمكن تشكيل السلك في لفائف أو شرائط ثم تثبيتها في جسم للحرارة.

• كتل التدفئة: وتصنع الكتل الصلبة من مادة موصلة للحرارة ومضمنة في مكونات مقاومة. توفر هذه الكتل سطحًا موحدًا للتسخين وتستخدم بشكل شائع في حاملات الطابعة ثلاثية الأبعاد وحاضنات المختبرات وما إلى ذلك.

· مرحلات الحالة الصلبة: المرحلات ذات الحالة الصلبة هي أجهزة تبديل. ومع ذلك، في هذه الحالة تلعب دورا حاسما كواجهة بين Arduino&#إشارة الطاقة المنخفضة في 39 وعنصر التسخين. وتستخدم هذه الأجهزة تكنولوجيا أشباه الموصلات لتشغيل/إيقاف مصدر الطاقة الرئيسي. وعادة ما يتم التحكم فيها عن طريق إشارة إدخال الجهد المنخفض، مثل إخراج Arduino PWM. أسرع وأكثر موثوقية من المرحلات الميكانيكية (لا اتصالات معدنية)، ولكن لها أيضا عمر أقصر.

عند اختيار عنصر التسخين المناسب لتطبيقك، يجب أن تأخذ في الاعتبار عوامل مثل متطلبات الطاقة، ونطاقات درجات الحرارة المطلوبة، وتماثل توزيع الحرارة، والتكلفة، والسلامة وغيرها. كما يتأثر اختيار آليات التحويل (SSR والترحيل) بنوع مصدر الطاقة (التيار المتردد أو المستمر).

د. مفهوم دورة العمل وتوليد إشارة PWM على أردوينو

كما هو مذكور سابقا، هي طريقة لمحاكاة الإشارات التناظرية باستخدام الإشارات الرقمية. يتم دعم PWM من قبل عدة دبابيس على معظم لوحات أردوينو القياسية. على اللوحات مع ساعة 8 بت (مثل أونو ونانو)، هذه الدبابيس قادرة على توليد موجة مربعة، والتي لديها معدل تشغيل متغير. النطاق عادة ما يكون من 0 ٪ (دائما متوقف) إلى 255 (دائما قيد التشغيل). دورات العمل تمثل النسبة المئوية في الدورة التي تنشط فيها الإشارة. إن دورة الرسوم الجمركية 0% تعني أن الناتج سوف يكون منخفضاً دوماً. 50 ٪ دورة الرسوم الجمركية يعني أنها ستكون دائما مرتفعة، ولكن فقط لنصف الوقت. % % دورة العمل تعني دائماً عالية عند استخدام خوارزمية أردوينو لتحديد الهوية الشخصية لضبط درجة الحرارة فإنها تحسب دورة عمل (بين 0 و 255) مناسبة على أساس الخطأ. ثم يتم إرسال هذه القيمة إلى موصل PWM المتصل بـ SSR. يفسر SSR إشارة PWM هذه للتحكم في متوسط الطاقة التي يتم تسليمها إلى عنصر السخان.

إي. خوارزمية تعريف الهوية الشخصي: ملخص موجز للمصطلحات (P و I و D) بالإضافة إلى أهميتها للتحكم الديناميكي

يتطلب فهم خوارزمية تعريف المعلمات إعادة تلخيص. من المهم فهم خوارزمية تعريف الهوية الشخصي من أجل تنفيذها.

1. المدة النسبية (ع): ينتج هذا المصطلح مخرجات تحكم تتناسب مع الخطأ الحالي. ناتج P_output يساوي Kp*إي. زيادة الخطأ سوف يؤدي إلى ارتفاع إشارة الخرج التي تحاول تصحيح درجة الحرارة بسرعة. ومع ذلك، يمكن لمكسب P مرتفع أن يجعل النظام يتذبذب ويتجاوز النقطة المحددة له. ثابت الكسب النسبي Kp، وهو معلمة متغيرة، يمكن تعديلها.

2. المدة المتكاملة (طاء): يعالج المصطلح الخطأ التراكمي في الوقت. المصطلح I يدمج الخطأ (E dt)، ويضيف هذا إلى القيمة التكاملية. I_output = KI*E dt. يزيل هذا المصطلح أخطاء الحالة الثابتة -فروق درجة الحرارة التي تبقى حتى إذا كان النظام بالقرب من النقطة المحددة. وسوف ينمو المصطلح المتكامل إذا استمر الخطأ لفترة طويلة من الزمن. وهذا يدفع المخرجات لتصحيح المشكلة. التكامل القوي جدا يمكن أن يسبب تذبذبات. يمكن أيضًا أن يكون ثابت الكسب التكاملي Ki قابلاً للضبط.

3. المصطلحات المشتقة (دال): تتوقع المصطلحات D الأخطاء المستقبلية من خلال تحليل المعدل الذي يتغير به الخطأ. D_output = dE/dt*Kd. يحسب النظام تغييرات الخطأ مع مرور الوقت، ويخمد استجابته باستخدام هذه المعلومات. تشير شروط D الإيجابية إلى أن النظام قد يقوم بتصحيح المشكلة بسرعة كبيرة ويمكن أن يتجاوز الهدف. وبالتالي، فإنه يقلل من المخرجات. تشير المصطلحات D السلبية إلى أن النظام قد صحح ببطء شديد. وهذا يؤدي إلى زيادة في الإنتاج. تساعد الشروط D على استقرار النظام ومنع تجاوز الحد. ثابت كسب المشتقة Kd، هو عامل آخر يمكن تعديله.

وهذه هي الطريقة التي تحسب بها ناتج معرّف المعلمات: U = Kp. E + KiE + Kd*dE/dt. الناتج المحسوب هو ما يمثل إجراء التحكم الذي ترغب في اتخاذه، في هذه الحالة دورة تشغيل PWM. طريقة تعريف الهوية المعلوماتي فعالة بشكل خاص في التحكم في درجة الحرارة، كما أنها تعالج في نفس الوقت الخطأ الحالي (P)، والخطأ التراكم (I) ومعدل التغيير د. وهذا يؤدي إلى استجابة أكثر دقة واستقرارا من طرق التحكم الأخرى.

ف. التركيز الرئيسي: كلمات رئيسية مثل مجس درجة حرارة أردينو عنصر التسخين أردوينو التحكم في نطاق النبض المعدل شرحت خوارزمية معرِّف المعلمات أردينو إس إس آر. " ؛

الثالث. خوارزمية أردوينو

أ. إعداد بيئة أردوينو: IDE والمكتبات

ويرجع ذلك إلى أن المنطق الأساسي لجهاز التحكم في تعريف المنتج يكمن في برنامج أردينو. يتم استخدام بيئة التطوير المتكاملة لأردوينو، وهو تطبيق حر عبر المنصات تم إنشاؤه من قبل فريق أردوينو، لكتابة الكود (رسم). وهو يشتمل على محرر نصي وجهاز مراقبة تسلسلي لتصحيح الأخطاء. يجب أن يتفاعل البرنامج مع الأجهزة، وقراءة مسمار من المستشعر، وحساب تعريف المعلمات، ثم كتابة دورة العمل المحسوبة من PWM إلى مسمار PWM الصحيح. يمكن أن يكون حساب تعريف الهوية الشخصي معقدًا، ولكن مجتمع أردوينو لديه عدد من المكتبات لتبسيط التنفيذ. إن PID_v1. هو خيار شائع. فهو يوفر إطاراً متكاملاً لضوابط تحديد الهوية الشخصية، ويعالج حسابات المشتقات. وعادة ما يطلب من مدير مكتبة أردوينو تثبيت هذه المكتبات. قد تكون هناك مكتبات أخرى مطلوبة لقراءات أجهزة استشعار معينة.

ب. قراءة كود بيانات المستشعر: يسمح لك هذا الكود بقراءة درجة الحرارة من المستشعر.

أولاً، يجب أن تحصل على قراءة درجة الحرارة من المستشعر. الخطوة الأولى هي تكوين الدبابيس الرقمية أو المدخلات التناظرية على الأردوينو. بعد ذلك، ستحتاج إلى استخدام الوظيفة الصحيحة أو المكتبة من أجل قيم درجة الحرارة. إن سلك واحد )، على سبيل المثال، لإرسال البيانات عبر شبكة سلكية واحدة، في حين يتم استدعاء وظيفة القراءة لجهاز الاستشعار DS18B20. لأجهزة الاستشعار التناظرية مثل LM35 قراءة مماثلة () تستخدم وظيفة أردوينو لقراءة الجهد الكهربي للدبوس التناظري. ويمكن بعد ذلك تحويل هذا الجهد إلى درجة حرارة باستخدام خصائص الاستشعار. إن DHT المكتبة تتعامل مع جهاز استشعار DHT.#بروتوكول الاتصال المحدد 39. ولضمان الحصول على قراءات صحيحة، ينبغي أن يتضمن الرمز وظيفة التحقق من الأخطاء. يتم تمرير قيمة درجة الحرارة الخام إلى مكتبة PID.

C. اكتب أو استخدم رمز المكتبة الموجود لدالة PID على أردوينو

يتم حساب تعريف الهوية الشخصي عادة في إطار وظيفة المكتبة. على سبيل المثال، تتطلب مكتبة PID_v1Library تحديد بنية معرف المعلمات، وتحديد المدخلات والمخرجات والنقطة المحددة واستدعاء الدالة Compute() في الدالة Loop(). يتم استخدام قراءة درجة الحرارة كمدخل، ويتم حساب الخرج دورات تشغيل PWM ويتم إدخال النقطة المحددة من قبل المستخدم. بالإضافة إلى ذلك، تتطلب المكتبة من المستخدم تحديد أو توفير معلمات الضبط. هذه هي الكسب النسبي Kp، والكسب التكاملي Ki والكسب المشتق Kd. المراقب#يتم تحديد سلوك 39 حسب هذه المكاسب. في القسم السابع، نناقش التوليف بمزيد من التفصيل.

D. أهمية ضبط المتغيرات (Kp Ki Kd) والطرق الأساسية

الضبط هو المفتاح لتحقيق أداء جيد مع PID. تحدد معلمات الضبط Kp و Ki و Kd مدى عدوانية كيفية تفاعل المتحكم مع الخطأ. يعتمد الاستقرار والدقة على إيجاد أفضل القيم. قد يكون النظام أبطأ في التفاعل إذا كان Kp منخفض. ويمكن أيضا أن تكون هناك أخطاء في الحالة الثابتة. إذا أصبح Kp مرتفعا جدا، فإنه يمكن أن يتسبب في أن يصبح النظام غير مستقر ويتذبذب حول نقطة ضبطه. Ki يمكن أن يسبب عدم الاستقرار والتذبذبات إذا كان مرتفعا جدا. هذا يحدث خصوصا عندما تكون درجات الحرارة منخفضة. يتم ترك خطأ الحالة الثابتة إذا كانت القيمة منخفضة للغاية. إذا كان Kd عالي جدا يمكن أن يسبب ضوضاء، ولكن إذا كان#39; منخفضة جدا ثم قد يكون التخميد غير كاف. على الرغم من وجود عدد من تقنيات الضبط، لا توجد طريقة واحدة تناسب الجميع. طريقة زيغلر نيكولز: نهج ينطوي على إيجاد الكسب النهائي للنظام ووقت دورته النهائي. على أساس هذه القيم، يتم تطبيق قواعد بسيطة لتحديد Kp و Ki الأوليين. ومن الصعب استخدام هذه الطريقة في العالم الحقيقي لأنها يمكن أن تسبب عدم الاستقرار.

1. الطريقة الأكثر شعبية للتنفيذ هي اطلع عليه بتاريخ 25 أكتوبر 2011. "Try-and Error". هذا يعمل بشكل أفضل مع مكتبة تعريف الهوية الشخصية. وتبدأ هذه العملية بتخمين أولي لـ Kp و Ki وتلاحظ استجابة النظام للتغيير في النقطة المحددة. ثم يتم تعديل المكاسب على أساس السلوك المرصود (على سبيل المثال باستخدام مراقب أردوينو التسلسلي، لعرض PV، SP والمخرجات المحسوبة). من المهم الحصول على استجابة سريعة ومستقرة (الحد الأدنى من التذبذبات، والحد الأدنى من التجاوز، وخطأ الحالة الثابتة الصغيرة). هذه العملية تنطوي على ضبط Kp وضبط Ki إلى الصفر، تليها إضافة عمل متكامل، وإذا لزم الأمر، عمل مشتق.

E. يتم قياس دورة العمل لتتناسب مع نطاق آردوينو PWM (0-255، لمعظم دبابيس PWM).

تحسب مكتبات PID التحكم في الإخراج، والذي يتم عرضه في كثير من الأحيان كمجموعة من القيم التي قد تكون بعيدة عن نطاق 0-255 مناسب ل PWM على العديد من لوحات أردوينو. لإنتاج إشارة التحكم، يجمع تعريف المعلمات البنود I و D (على سبيل المثال دورة العمل المطلوبة ل PWM). يجب قياس القيمة المحسوبة بحيث تتناسب مع النطاق من 0-255. الأمر بهذه البساطة قيمة PWM_ = خرائط (مخرجات) منخفضة _bound وأعلى _bound (0,255); حيث PID_output تمثل القيمة المحسوبة من المكتبة. منخفضة، و حدد نطاق الإخراج إن PWM_value الناتجة عن هذه مكتوبة باستخدام analogueWrite(pwmPin and PWM_value);. وتستخدم دورة العمل للتحكم في SSR الذي بدوره يتحكم في الطاقة المسلمة إلى عنصر السخان.

ف. التركيز على كبار المديرين التنفيذيين: كلمات رئيسية مثل " أردينو رمز تعريف الهوية الشخصية مكتبة تعريف الهوية الشخصية ضبط معرِّف المعلمات أردينو قراءة المستشعر أردينو إخراج Arduino PWM. "

الوريدي. تركيب الأجهزة وتوصيل المكونات

أ. عرض تخطيطي عام تمثيلات تخطيطية للوصلات (جهاز استشعار -> أردوينو، أردوينو -> تسخين العنصر عبر SSR & ؛ PWM, Power Supply Consideration.

لا يمكن وضع مخطط تفصيلي في هذا النص. ومع ذلك، فمن المفيد إلقاء نظرة عامة على هذا المفهوم. تتصل المستشعرات بدبابيس الإدخال التناظرية والرقمية على أردينو. تم توصيل مسمار أردوينو PWM إلى SSR's الإدخال. يتم توصيل أطراف إخراج SSR بمصدر الطاقة (الفولطية والأرضية)، وعنصر التسخين. يحتاج أردوينو إلى مصدر طاقة يطابق الجهد (عادة 5 فولت أو DC 12 فولت). وكإجراء احتياطي، يجب تركيب صمام على الخط الذي يوفر الطاقة لعناصر SSR/التسخين. قد ترغب في التفكير في الحماية الاساسية، مثل المكثّف الموضوع عبر SSRT.#39 محطة طرفية. عبر الإنترنت، يمكنك العثور على مخططات لبعض تركيبة المجس/SSR.