تجربة مع جهاز تحكم في تحديد الهوية الشخصية للتحكم في درجة الحرارة

فهم التحكم في درجة الحرارة باستخدام معرفات المعلمات: دليل التجربة خطوة بخطوة الوصف Meta: Learn PID درجة الحرارة التحكم باستخدام التجارب العملية. يقدم هذا الدليل شرحًا تفصيليًا للنظرية، والتشكيل، والضبط (دليل زيغلر نيكولز)، والاختبار والتحليل لمساعدتك على تعلم التحكم في العملية.

1. المقدمة

الدقةالتحكم في درجة الحرارة) في العديد من الصناعات ولأغراض علمية. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على جودة المنتج وتعزيز الكفاءة في مجموعة متنوعة من البيئات، من الأغذية والتجهيز الكيميائي، إلى الأجهزة المنزلية والبحوث المختبرية. ومن بين استراتيجيات المراقبة الأكثر فعالية والاستخدام على نطاق واسع لتحقيق هذا المستوى من الدقة والاستقرار هو السيطرة التناسبية المتكاملة المشتقة (PID). المتحكم بي آي دي#يتم تعديل مخرجات 39;s ديناميكيًا استنادًا إلى الاختلافات بين النقطة المحددة المطلوبة (الهدف) ومتغير العملية الفعلي. ويتحقق ذلك من خلال الجمع بين ثلاثة إجراءات تحكم مختلفة، وهي التكامل النسبي والمشتق. تعريف الهوية الشخصي مهارة حيوية لأي مهندس أو فني يعمل في الأتمتة.

برمجيات سيمنز الخطوة 7 هي منصة برمجة قوية وبارزة طورتها سيمنز لأجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة. تعتبر PLCs وحدات المعالجة الأساسية لأنظمة التشغيل الآلي. فهي تنفذ منطق التحكم، وتدير إشارة الإدخال/الخرج وتؤدي وظائف أخرى. توفر بيئة الخطوة 7 منصة متكاملة لتطوير وتكوين ونشر استراتيجيات التحكم. وهذا يشمل وحدات تحكم PID. والغرض من هذا الدليل هو تقديم شرح شامل، خطوة بخطوة، عن كيفية تنفيذ واختبار نظام للتحكم في درجة الحرارة قائم على أجهزة تحديد الهوية. سيتم سير العملية بأكملها من خلال النظرية التأسيسية إلى تكوين الأجهزة والبرمجيات، وضبط PID والاختبار العملي. تهدف هذه التجربة إلى إعطاء فهم عملي وواضح للتحكم في درجة حرارة اضطراب الهوية الشخصية، بحيث يمكن فهم هذه التقنية الحيوية والمعقدة. وستعطي هذه التجربة المتعلمين خبرة قيمة في ضوابط تعريف الهوية الشخصي، والضبط العملي، وكيفية تحليل أداء النظام.

2. نظرية الخلفية: التحكم في درجة الحرارة PID

من المهم فهم المبادئ الأساسية لإضطراب الهوية التعرضي من حيث ارتباطها بتنظيم درجة الحرارة قبل المضي قدما. Understanding how the PID control system& (باللغة الإنجليزية)#مكونات ال 39;s تعمل ضمن حلقة حاسمة لفعاليتها.

وتعد حلقة التحكم في التغذية الراجعة في جوهرها مفهوم الأتمتة. تتكون حلقة التحكم في التغذية الراجعة من عدة عناصر تعمل معًا للحفاظ على متغير في نطاق معين. وتتألف حلقة التحكم في درجة الحرارة عادة من مجس يقيس درجات الحرارة الحالية (التغير الكهروضوئي أو العملية) ؛ جهاز تحكم يحتوي على خوارزمية تعريف الهوية التمهيدي ؛ مشغل يتحكم في درجة الحرارة بالتسخين أو التبريد ؛ ) وعملية تمثل النظام الفعلي (مثل حمام ماء أو فرن). يقوم المتحكم بمقارنة درجة الحرارة PV بشكل مستمر مع النقطة المحددة SP المطلوبة. الخطأ هو الفرق بين القيمتين (E = PV -SP). ثم يستخدم هذا الخطأ لحساب إشارة الخرج التي سيتم إرسالها إلى المشغل من أجل تغيير درجة الحرارة.

وهناك ثلاثة إجراءات أساسية للتحكم مدمجة في جهاز التحكم في تعريف المعلمات:

التحكم النسبي: ينتج المكون نتيجة تحكم تتناسب مع الخطأ الحالي. إذا انخفضت درجة الحرارة 5 درجات تحت النقطة المحددة فإن الفعل P سيوفر جزءا من الطاقة القصوى، بما يتناسب مع الفرق 5 درجات. يستخدم اكتساب التناسبي Kp لتحديد حساسية الاستجابة. تؤدي قيم Kp الأعلى إلى استجابات أقوى للأخطاء، والتي يمكن أن تؤدي إلى تعديلات أسرع. قيمة Kp العالية جدا يمكن أن تجعل النظام غير مستقر، ويسبب تذبذب. يمكن أن يؤدي انخفاض درجة حرارة الكيب إلى استجابة النظام ببطء وخطأ مستمر في الحالة الثابتة، مما يعني أن درجة الحرارة لا تصل إلى هدفها أبدا.

التحكم (I) المتكامل: يصحح هذا المكون المتكامل الخطأ في الحالة الثابتة التي غالبا ما يتم تركها من قبل الضوابط النسبية الخالصة. ويحسب المكون المتكامل الخطأ التراكمي ثم يعدل الناتج وفقا لذلك. الإجراء المتكامل يزيد (أو يقلل) التحكم في المخرجات حتى يتم القضاء على الخطأ. يتحكم ثابت الوقت المتكامل Ti في سرعة الاستجابة المتكاملة. ثابت الوقت المتكامل (Ti) أصغر، وهذا يعني أن المصطلح يتطور تأثيراته بسرعة أكبر. وهذا يساعد على تقليل الأخطاء الصغيرة بشكل أسرع. الإجراءات المتكاملة العنيفة للغاية يمكن أن تؤدي إلى عدم الاستقرار. وهذا ينطبق بشكل خاص في بداية العمل أو عندما تتغير الظروف.

التحكم (D) المشتق: المكون يتنبأ بالأخطاء المستقبلية من خلال تحليل المعدل الذي يتغير فيه الخطأ. ويقيس المكون معدل زيادة أو انخفاض الخطأ ويتخذ إجراءات تصحيحية تتناسب مع هذا المعدل. من خلال مواجهة التغيرات التي تحدث بسرعة عن طريق الخطأ، يمكن أن يساعد عمل المشتقات على تخفيف التذبذبات. كما يساعد الفعل المشتق على تحسين الاستجابة الأولية. الثوابت الزمنية المشتقة (Td)، تؤثر على قوة الإجراءات المشتقة. يتم تعزيز القدرة التنبؤية من قبل Td أكبر، ولكن المتحكم يمكن أن يكون أكثر حساسية للضوضاء في القياس. وهذا يمكن أن يسبب تغييرات غير منتظمة إذا لم يتم ضبط وحدة التحكم بعناية.

وغالبا ما تستخدم هذه المعادلة لتمثيل ناتج التحكم في تعريف المعلمات.

الخرج = Kp*E + (Ki/Td) * E dt+Kd*dE/dt.

حيث:

يرسل الخرج الإشارة إلى المشغل.

E (SP-PV) هو خطأ.

تمثل Kp الكسب النسبي.

كي يمثل الربح الكامل.

تمثل Kd المكاسب المشتقة (غالبا ما يتم التعبير عنها بـ Td).

E Dt هو الخطأ المتكامل في الوقت.

dE/dt هو معدل التغير في الخطأ.

وفي تطبيقات لا حصر لها، تستخدم ضوابط تحديد الهوية الشخصية للحفاظ على درجة الحرارة بدقة، بما في ذلك نظم التدفئة والثلاجات والأفران والحاضنات. التوليف هو عملية تحديد القيم المثلى لمعلمات Kp و Kd و Ki. يمكن أن تكون وحدات التحكم في تعريف المعلمات التي لا يتم ضبطها بشكل صحيح ذات أوقات استجابة بطيئة، أو أخطاء في الحالة الثابتة أو تذبذبات خطيرة. يتضمن ضبط زيغلر نيكولز تحديد الفترة الحرجة ومكسب النظام. ويستند الضبط اليدوي على مراقبة وضبط المعايير القائمة على السلوك. ومن المهم فهم هذه الأسس النظرية من أجل تصميم وتنفيذ تجربة التحكم في درجة حرارة اضطراب الهوية التعرضي.

إعداد تجريبي

من أجل تجربة جيدة التخطيط، من المهم النظر في بروتوكول السلامة والمواد والمعدات المعنية. ويشرح هذا القسم التشكيل والمكونات اللازمة لإجراء التجربة على ضبط درجة الحرارة باستخدام جهاز تحكم في تحديد الهوية الشخصية.

تعتمد المواد والمعدات اللازمة للتجربة على مستوى تعقيدها ومواردها. قد يتكون الإعداد النموذجي مما يلي.

يمكن أن يكون جهاز التحكم في درجة الحرارة وحدة تعريف المعلمات أو PLC مع تعريف المعلمات المدمج فيها. هذا المتحكم هو دماغ النظام وسوف يقوم بتنفيذ خوارزميات PID.

مستشعر درجة الحرارة: يقيس المستشعر درجة الحرارة. والخيارات الأكثر شيوعا هي المزدوجات الحرارية، مثل النوع K أو النوع J، وكاشفات مقاومة الحرارة، مثل PT100 و PT1000 أو ثرمستور. ويستند الاختيار إلى نطاقات درجات الحرارة والدقة وأوقات الاستجابة. يجب أن تعمل المجسات مع قنوات الإدخال على جهاز التحكم.

المشغل المشغل هو جهاز يؤثر فيزيائيا على درجة حرارة الحمل. وتشمل خيارات التسخين وحدات بلتيير التي يمكن استخدامها لتسخين أو تبريد، أو صمامات الملف اللولبي التي تتحكم في تدفق المياه الساخنة. ويمكن استخدام صلصة أو مروحة للتبريد. يجب أن يكون لديه الطاقة اللازمة للتحكم في درجة حرارة العملية وأن يتم التحكم فيه بواسطة إشارة الخرج من جهاز التحكم.

درجة حرارة الحمل: المتوسط أو الحاوية التي يتم التحكم فيها بواسطة درجة الحرارة. ومن الأمثلة على ذلك كأس الماء أو الخزان أو القالب المصنوع من المعدن أو الحاوية الفارغة. التحميل يمثل العملية التي يجب التحكم بها.

مصدر الطاقة: يجب استخدام مصادر الطاقة الكافية لتشغيل المشغل، وأجهزة الاستشعار (إذا كانت الطاقة الخارجية مطلوبة)، والتحكم. يجب أن يوصلوا الجهد المناسب والتيار الكافي لكل مكون.

الحصول على البيانات/القياس: هناك حاجة إلى أدوات لرصد النظام#مسلسل 39 هـ. ويمكن استخدام مقاييس متعددة لقياس الفولتية أو التيارات أو البرامج المتصلة بأجهزة التحكم وأجهزة الاستشعار (على سبيل المثال عن طريق USB أو إيثرنت)، لتسجيل البيانات وإظهار الاتجاهات. يمكنك استخدام برامج مثل LabVIEW أو Python، مع المكتبات ذات الصلة (مثل pySerial و numpy)، وكذلك الخطوة 7'. أدوات المراقبة.

عند استخدام PLC أو المتحكم الدقيق، سوف تحتاج إلى بيئة تطوير البرامج المطلوبة لتجميع وتحميل كود التحكم الخاص بك. على سبيل المثال، توفر الخطوة 7 كتل وظيفية لضوابط تعريف المنتج (FB41 و FB42)، والتي يمكن تكوينها في بيئة البرمجيات.

وتظهر الارتباطات في مخطط كتلة بسيط. وهو يظهر مستشعر درجة الحرارة المتصل بقناة إدخال جهاز التحكم، والمشغل المتصل بالحمل (عبر قناة الخرج)، وأخيرا جهاز التحكم المتصل بالمشغل. وتسمى درجة حرارة الحمل متغير العملية، وتعرف نقطة التحول باسم نقطة التحول ومخرج المتحكم هو متغير التلاعب وهو ما يؤثر على المشغل.

أي تجربة تنطوي على مكونات كهربائية أو التلاعب في درجة الحرارة يجب أن تتم مع مراعاة السلامة. احتياطات السلامة هي:

وينبغي اتباع إجراءات الإقفال/وضع العلامات قبل تعديل المعدات أو الوصول إليها.

ارتداء قفازات ونظارات واقية مقاومة للحرارة ومعدات وقاية شخصية أخرى.

لمنع حدوث صدمة كهربائية أو دوائر قصر، تأكد من أن جميع التوصيلات والكابلات الكهربائية محكمة التثبيت.

معرفة درجة الحرارة القصوى التي يمكن أن تصل إليها المكونات والحمولة بأمان واتخاذ الاحتياطات اللازمة (مثل إيقاف التشغيل في درجات حرارة عالية) إذا لزم الأمر.

فهم كيفية إيقاف النظام بأمان في حالة الطوارئ.

الإجراء

يصف هذا الإجراء تنفيذ واختبار نظام التحكم في درجة الحرارة خطوة بخطوة. يتم توجيه القارئ من خلال تجميع الأجهزة والبرامج، وضبط وحدة التحكم، بالإضافة إلى الاختبار.

تجميع النظام: ابدأ بتوصيل المكونات بوحدة التحكم وفقًا للتكوين الذي اخترته. يجب أن يكون مستشعر درجة الحرارة موصلاً مادياً بمدخل جهاز التحكم، ويجب أن يكون المشغّل موصلاً مادياً بالمخرجات وتحتاج إمدادات الطاقة للذهاب إلى جميع المكونات. يجب أن تكون جميع التوصيلات آمنة وموصلة بشكل صحيح. إذا كنت تستخدم لوحة أردوينو، على سبيل المثال، تأكد من أن المستشعر (ثرمستور أو غيره) متصل بدبوس الإدخال التناظري، ثم عنصر التسخين مع الترانزستور/البوصلة المناسبة ومقاومة الحد من التيار لدبوس الخرج الرقمي.

تهيئة البرنامج

وستفتح بيئة البرمجيات المختارة (مثل الخطوة 7 أو Arduino IDE أو Python). يمكن إنشاء مشاريع أو أماكن عمل جديدة.

إنشاء هيكل المشروع باستخدام الخطوة 7، ثم إضافة رموز نقاط درجة الحرارة المحددة، ومدخل المستشعر، ومخرج المشغل، ومعلمات تعريف المنتج، (Kp Ki Kd)، وتكوين الأجهزة.

ثم تضاف كتل وظيفة تعريف الهوية الشخصية (مثل FB41 و FB42) في البرنامج. تعيين معلماتها مثل أنواع إشارات المدخلات والمخرجات، والنطاقات، والمفاضلات (على سبيل المثال 0-10 فولت التناظرية، 4-20 ملي أمبير أو 0-32000 عدد صحيح).

اضبط قناة مستشعر الدخل بحيث يتم قياس الجهد أو التيار بشكل صحيح إلى قيمة درجة حرارة دقيقة

تعيين قناة خرج المشغل إلى قيمة معرِّف المعلمات المحسوبة لتتناسب مع نطاق الجهد أو نطاق التيار الذي يحتاجه المشغل.

سيطلب منك البرنامج إدخال قيمة كنقطة ضبط درجة الحرارة الأولية. إن درجة الحرارة المستهدفة هي ما تهدف للحفاظ عليه.

الاختبار الأولي: إجراء الاختبار الأولي بعد تكوين البرامج والأجهزة للتحقق من أن الاتصال بين الاثنين يعمل.

شغّل النظام مع التأكد من مراعاة احتياطات السلامة.

اقرأ درجة الحرارة المعروضة يدويًا إذا قمت بقياسه بواسطة مقياس متعدد، هل تتطابق قراءة درجة الحرارة مع قراءة المستشعر؟

ضبط الخرج يدويا (إذا أمكنك، على سبيل المثال، عن طريق إرسال جهد أو وضع مسمار على مرتفع/منخفض). المحرك يجب أن يستجيب إلى توقعاتك

مرحلة معرِّف المعلمات الموالفة: في هذه المرحلة، يتم تعيين معلمات معرِّف المعلمات (Kp). وهناك طريقتان شائعتان للقيام بذلك:

حساب فترة التذبذب والكسب النهائي باستخدام طريقة زيغلر نيكولز. تعيين كسب الاشتقاق (Kd)، والكسب المتكامل (Ki)، إلى الصفر. الزيادة التدريجية للكسب النسبي (Kp)، حتى ترى تذبذب النظام مع الفترة Pu. (هذه هي قيمة (كو يمكن استخدام نيكولز زيغلر لتقدير القيم الأولية لـ Kp و Kd و Ki (مثال: Kp = 0.6* Ku و Kp/Ti=2*Ku و Kd = 0.5* Ku/Pu و Kp = 0.125* Ku). زيغلر نيكولز يعمل بشكل أفضل على الأنظمة من الدرجة الأولى.

الضبط اليدوي: ابدأ بالقيم الأولية لـ Kp و Kd و Ki. ويمكن أن تستند إلى قواعد الإبهام أو الخبرة السابقة. تغيير النقطة المحددة في خطوة صغيرة (على سبيل المثال، تغيير درجة حرارة SP إلى الهدف الجديد الخاص بك) ومشاهدة استجابة النظام. الحصول على وقت استجابة جيد دون تجاوز عن طريق ضبط KP. تقديم Ki، بدءا من القيمة المنخفضة للحد من أخطاء الحالة الثابتة. وأخيرا، إضافة Kd إلى المعادلة (بدءا من قيمة منخفضة)، من أجل الحد من التذبذبات. في كثير من الأحيان، تتطلب هذه العملية عدة تكرارات.

اختبار النظام: بعد الموالفة الأولية، قم بإجراء اختبارات أكثر شمولاً من أجل تقييم أداء النظام تحت ظروف مختلفة.

اختبار الاستجابة للخطوة: تغيير النقطة المحددة في الخطوات (على سبيل المثال الانتقال من 25C إلى 50C). يمكن استخدام البرنامج لتسجيل درجات الحرارة مع مرور الوقت. قياس ومراقبة مؤشرات الأداء الرئيسية، بما في ذلك: وقت الارتفاع، وتجاوز الذروة، ووقت التسوية، وخطأ الحالة الثابتة.

اختبار الاضطراب: خلق اضطراب في النظام. فإذا كنت تستخدم حماما ساخنا، مثلا، استبدل كمية كبيرة منه بماء بارد او بالعكس. انظر كيف يستجيب لاحظ مدى سرعة وصولها إلى النقطة المحددة وما إذا كانت مستقرة. تدوين بيانات الاستجابة. هذه المحاكاة محاكاة سيناريو الحياة الحقيقية حيث يمكن أن تتغير ظروف العملية فجأة.

تسجيل البيانات: الاحتفاظ بسجلات دقيقة لجميع البيانات خلال مرحلتي الضبط والاختبار. وتشمل هذه القيم القيم المختارة لبارامترات مؤشر التمنيع المعلمي (Kp Ki Kd)، والنقاط المحددة، وقياسات درجات الحرارة (الخطوات والاضطرابات)، وأي ملاحظات أخرى. ويوصى باستخدام ميزات الرسم البياني للبرنامج لعرض وحدة التحكم ومخرجات درجة الحرارة مع مرور الوقت. وهذا يوفر تمثيلا بصريا ممتازا.

تحليل البيانات والنتائج

المخطط العام: تسجيل البيانات، رسم المخططات البيانية، تحليل الاستجابة للخطوات (مؤشرات الأداء الرئيسية، أثر المكاسب)، تحليل الاستجابة للاضطرابات، مناقشة تجربة التضبط.

المحتوى:

لتقييم وحدة التحكم في تعريف المعلمات#أداء وفعالية 39 ؛ يجب فرز وتحليل البيانات التي تم جمعها. ويخصص هذا الفرع لتفسير النتائج.

أ.

وينبغي عرض البيانات بطريقة منهجية. يمكن إنشاء جداول لتتبع معلمات PID (Kp Ki Kd)، نقاط ضبط، استجابة درجة الحرارة (PV) وكذلك إخراج وحدة التحكم (MV). استخدام ميزة الاتجاه من البرامج مثل الخطوة 7 الراحة و WinCC الراحة لإنشاء الرسوم البيانية التي تظهر منحنى درجة الحرارة وإشارة التحكم.

تخطيط النتائج

ارسم رسوما بيانية واضحة توضح بوضوح أداء نظامك. في الرسم البياني النموذجي للاستجابة للدرجة، يتم رسم درجة الحرارة (المحور y)، مقابل الوقت (المحور x). ولسهولة المقارنة، يمكنك رسم كل من الاستجابة لدرجة الحرارة والنقطة المحددة المطلوبة على نفس الرسم البياني. وسيظهر الرسم البياني للاستجابة للاضطرابات الاختلافات في درجة الحرارة مع مرور الوقت. تأكد من أن المحاور والعنوان تعكس التجربة بدقة. كمثال: تحليل استجابة الخطوة: التحكم في درجة الحرارة مع جهاز ضبط معرِّف المعلمات

ج. تحليل الاستجابة خطوة بخطوة

يتم استخدام تحليل استجابة الخطوة لتقييم قدرة النظام على الوصول بسرعة ودقة إلى النقطة المحددة. يتم قياس الأداء باستخدام مؤشرات الأداء الرئيسية.

زمن الصعود: الوقت الذي تستغرقه درجة الحرارة للوصول إلى النقطة المحددة لأول مرة. بشكل عام، يشير وقت الارتفاع الأقصر إلى رد فعل أسرع.

أقصى تجاوز: أقصى انحراف في درجة الحرارة عن النقطة المحددة. يمكن أن تتسبب التجاوزات المفرطة في تلف المعدات أو العملية.

ضبط الوقت: هي الفترة الزمنية اللازمة للحفاظ على درجة الحرارة ضمن نطاق التحمل المحدد حول النقطة المحددة. وسوف يستقر النظام بشكل أسرع إذا كان وقت الاستقرار أقصر.

خطأ حالة الاستقرار: الفرق بين درجة الحرارة النهائية والنقطة المحددة، بعد استقرار النظام. الأخطاء الأصغر تشير إلى وجود متحكم أفضل

احسب مؤشرات الأداء الرئيسية باستخدام الرسم البياني لخطوة الاستجابة. مناقشة القيم الملحوظة وكيف ترتبط بالتوليف. وهل اتسم النظام بارتفاع سريع في الوقت، وبالحد الأدنى من تجاوز الحد، وبانخفاض حالة الثبات؟ ما هو تأثير مؤشرات الأداء الأولية هذه على مؤشرات الأداء الرئيسية؟ على سبيل المثال، زيادة Kp يمكن أن تقلل من أخطاء الحالة الثابتة ولكن زيادة تجاوز محتمل. الفعل المشتق (Kd)، إذا حدث، من المرجح أن يقلل من التذبذبات.

دال -تحليل الاستجابة للاضطرابات:

يتم فحص متانة النظام في هذا التحليل. بعد الإضطرابات، كيف بسرعة إعادة درجة الحرارة إلى نقطة ضبطها؟ ويعتقد أن النظام المصمم جيدا لديه انحراف منخفض مع الانتعاش السريع. مناقشة النتائج وعلاقتها بإجراء الضبط. ماذا كان ضابط تعريف الهوية الشخصي؟#قدرة 39 على تخفيف الإزعاج؟

E. Discussion on Tuning Experience (باللغة الإنجليزية)

ولنتأمل الجانب العملي لضبط وحدة تحكم تعريف الهوية الشخصية. وصف عملية التوليف وأي صعوبات تمت مواجهتها. هل كان الضبط اليدوي ضرورياً أم أن طريقة زيغلر نيكولز تعمل جيداً كنقطة بداية؟ التوليف التكراري هو موضوع جيد للمناقشة