كيفية تنفيذ جهاز بسيط لتحديد الهوية الشخصية للتحكم في درجة الحرارة

1. التنظيم الدقيق لدرجة الحرارة هو شرط لمجموعة واسعة من التطبيقات.

بدءًا من التجارب المعملية الحساسة التي تتطلب استقرار ميكروكلفن، إلى العمليات الصناعية القوية التي تتطلب التحمل الصارم، والبيئات المعقدة التي تنطوي على الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تتطلب خصائص ثابتة للمواد. ويلزم وضع استراتيجية متطورة لتحقيق ملامح دقيقة لدرجات الحرارة والحفاظ عليها. ومن بين أكثر المنهجيات المتاحة فعالية، تبرز خوارزمية التحكم PID (التناسبي التكاملي المشتق) كتقنية أساسية. الطريقة الرياضية، التي تم تصميمها لتقليل الفرق بين قيمة النقطة المحددة المطلوبة وتغير العملية#39;s القيمة الفعلية، هو الأساس لمعظم أنظمة التحكم في درجة الحرارة. عادة، أجهاز التحكم في درجة الحرارةتعتمد على أجهزة مخصصة، في كثير من الأحيان وحدة تحتوي على معالج دقيق، لتنفيذ الخوارزمية وإدارة حلقة التحكم في الوقت الحقيقي. وهناك بديل أكثر مرونة وسهولة هو تطبيق منطق تعريف المنتج في البرامج التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر للأغراض العامة أو وحدات التحكم الدقيقة المخصصة أو الأجهزة المصممة خصيصًا لمهام الحوسبة. تدار وظائف التحكم القائمة على البرمجيات من خلال الاستفادة من القوة والمرونة الحاسوبية التي تقدمها البرامج. يتم تنفيذ خوارزمية تعريف درجة الحرارة على وحدة معالجة تتداخل مع أجهزة استشعار الحرارة والمشغلات عن طريق الاتصال الرقمي. إن ضوابط تعريف الهوية الشخصية القائمة على البرمجيات ضرورية للمهندسين والباحثين والهواة وغيرهم ممن يريدون أتمتة درجات الحرارة المتطورة والقابلة للتكيف. ويستكشف هذا الدليل الجوانب الأساسية لتنفيذ نظام بسيط لتحديد الهوية الشخصية.

2. فهم مكونات تعريف المنتج الأساسية في مصطلحات بسيطة

يعتمد نجاح نظام تعريف الهوية الشخصي البسيط على التآزر بين المكونات، والمنطق في البرنامج الذي ينفذ الخوارزمية. أولاً، هناك وحدة المعالجة، التي تعمل بمثابة للنظام. تقوم هذه الوحدة بإجراء حسابات PID. في مثل هذه الأنظمة، غالبا ما تستخدم المتحكمات الدقيقة، لأنها توفر توازنا جيدا للقدرة الحاسوبية، وقدرة الإدخال/الإخراج، وفعالية التكلفة. منصات مثل أردوينو، راسبيري باي، و ESP32 هي منصات شعبية لتنفيذ ضوابط تعريف الهوية الشخصية. هم#39; هي مناسبة بشكل خاص للمشاريع التي لديها متطلبات معالجة محدودة أو تتطلب سهولة البرمجة. وقد تكون محدودة السرعة والتعقيد عند مقارنتها بخيارات أكثر قوة. يمكن للكمبيوتر أو الخادم للأغراض العامة أن يوفر أداءً أعلى. وغالبا ما تستخدم هذه الأنظمة مع بيئات البرمجيات مثل MATLAB/Simulink (الرفع سيبي، pycontrol)، C++ أو المنصات الرسومية، مثل LabVIEW. وغالبا ما تكون مجهزة بأدوات محاكاة قوية وتصور متطورة، مما يجعلها مثالية للأنظمة المعقدة، ومعالجة البيانات عالية الإنتاجية، أو البحوث. ومن المهم أيضًا ملاحظة أن العديد من وحدات التحكم المنطقية الحديثة القابلة للبرمجة أو أنظمة التحكم الموزع لديها منصات برمجية قوية تسمح بتطبيق وتعديل خوارزمية تعريف الهوية الشخصية. وهذا يمثل جانبًا آخر من التحكم القائم على البرمجيات في الأجهزة. الأنظمة الحديثة القائمة على البرمجيات مع تعريف الهوية المسبق غالبا ما تشمل قدرات الاتصال والشبكة، على الرغم من أنها ليست مطلوبة في الضوابط الأساسية. ويسمح بمراقبة درجة الحرارة عن بعد، وضبط المعلمات أو نقاط الضبط، وكذلك تسجيل بيانات درجة الحرارة. استخدام واجهات مثل إيثرنت للاتصال بشبكة أو واي فاي للسماح للمستخدمين بالتفاعل من بعيد، مثل USB للاتصال مباشرة إلى الكمبيوتر أو إيثرنت للاتصال بشبكة المنطقة المحلية. هذه الاتصالات تعزز الفائدة والعملية للأنظمة القائمة على البرمجيات، وخاصة في سيناريوهات مثل البحوث، والرصد الصناعي أو التحكم الموزع.

ثانيًا، الواجهة مهمة جدًا بين البرنامج وجهاز استشعار درجة الحرارة. ومن المهم اختيار المستشعر الصحيح لكل تطبيق. وسيحدد ذلك النطاق والدقة وخصائص الاستجابة المطلوبة. أنواع المستشعرات الأكثر شيوعا هي المزوجات الحرارية، مثل الأنواع J، K، T أو E (التي تقدر بنطاقات التشغيل الكبيرة، وبنية بسيطة نسبيا)، كاشفات المقاومة الحرارية (RTDs)، مثل Pt100 و Pt1000، (المعروفة بالدقة والاستقرار والاستقرار العالي)، والثرمستورات، التي يمكن استخدامها لنطاقات درجات حرارة محددة، وتقدم حساسية عالية. يجب تطوير البرنامج لتفسير الإشارات التي يولدها المستشعر بشكل صحيح. عند استخدام أجهزة الاستشعار التناظرية مثل المزوجات الحرارية و RTDs بالاقتران مع جهاز كمبيوتر أو متحكم دقيق، عادة ما يكون المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) مطلوبا. تقوم أجهزة ADCs بتحويل إشارات الجهد المستمر والتيار من أجهزة الاستشعار إلى قيم منفصلة يمكن معالجتها بواسطة البرامج. قرار (ADC resolution) (على سبيل المثال 10 بت، 12 بت، 16 بت) ومعدل العينات هما ما يحدد مدى دقة قياس درجة الحرارة. وبدلاً من ذلك، يمكن لأجهزة الاستشعار ذات الخرج الرقمي الذي يكون عبارة عن رمز مباشر (مثل أجهزة الاستشعار DS18B20 على 1-واير) تبسيط الواجهة لأن البرنامج سيكون قادرًا على قراءتها. قد يكون تكييف الإشارة ضروريا في جميع الحالات، على سبيل المثال، لتضخيم إشارة جهاز استشعار منخفض المستوى، أو إزالة الضوضاء قبل الرقمنة.

ثالثا، الواجهة للتحكم في المشغلات ضرورية. ومن الضروري ترجمة البرنامج#39;s التحكم في الخرج، في كثير من الأحيان في شكل تعديل عرض النبض (PWM)، إلى أمر فعلي لتنظيم درجة الحرارة. يمكن لأجهزة التحكم الدقيقة أو أجهزة الكمبيوتر التي تولد إشارات رقمية استخدام المحول الرقمي إلى التناظري (DAC)، الذي ينشئ فولطية تناظرية مناسبة لأجهزة مثل مرحلات الحالة الصلبة لتحويل الكهرباء AC/DC، وعناصر التسخين التناظرية الخطية. ويمكن أن تتآكل المرحلات الميكانيكية بالمفاتيح الميكانيكية. لدى SSR وقت تبديل أسرع وأقل عرضة للارتداء. كما يمكن للبرنامج التحكم في مرحل مقترن بالعين البصرية متصل بمرحل عالي الطاقة يمكنه تحويل الطاقة إلى السخانات أو المبردات. التحكم المباشر باستخدام المدخلات/المخرجات للأغراض العامة (GPIO)، والدبابيس، والترانزستورات مثل MOSFETs يمكن استخدامها لأحمال صغيرة جدا. يجب أن يتضمن منطق البرنامج جميع الخطوات اللازمة لتحويل إشارة تعريف المنتج إلى إشارة التحكم الصحيحة التي سيتم استخدامها من قبل المشغل المحدد. وهذا من شأنه أن يضمن أن المشغل يستجيب بشكل صحيح للأوامر من البرنامج.

الأنظمة الحديثة القائمة على البرمجيات مع معرفات المعلمات غالبا ما تشمل قدرات الاتصال والشبكة، على الرغم من أنها ليست مطلوبة بشكل صارم للتحكم الأساسي. ويسمح بمراقبة درجة الحرارة عن بعد، وضبط المعلمات أو نقاط الضبط، وكذلك تسجيل بيانات درجة الحرارة. ومن الممكن استخدام واجهات مثل USB للاتصال مباشرة بالكمبيوتر، والإيثرنت للاتصال بشبكة أو بروتوكولات لاسلكية مثل Wi-Fi وبلوتوث لتسهيل التفاعل مع المستخدمين من بعيد أو الاندماج في أنظمة تحكم أكبر. هذه الاتصالات تعزز الفائدة والعملية للأنظمة القائمة على البرمجيات، وخاصة في سيناريوهات مثل البحوث، والرصد الصناعي أو التحكم الموزع.

3. اختيار مكونات للبساطة

أنظمة تعريف الهوية الشخصية القائمة على البرمجيات هي فقط جيدة مثل تنفيذها. المنطق الأساسي للمعادلة بسيط، على الرغم من أنها قد تبدو معقدة. هذا هو قياس الوقت المميز القياسي الذي يتضمن القياس والحسابات والمخرجات والحسابات. كمفهوم للوقت المستمر، يجب تعديل خوارزمية تعريف المنتج للتطبيق الرقمي. التخمير هو عملية التكيف. يجب على البرنامج أخذ عينات من بيانات النظام على فترات منتظمة (فترة أخذ العينات، Ts). وبعد ذلك، يعمل تعريف الهوية الشخصي على عينات منفصلة. أويلرد#طريقة الـ 39 هي واحدة من الطرق البسيطة. الحلقات البرمجية أساسية للتنفيذ. يقوم جهاز التحكم عادة بتنفيذ حلقة متكررة بمعدل عينات محدد مسبقًا. في هذه الحلقة، يقوم البرنامج بحساب الخطأ، وقراءة قيم المستشعر، وتوليد إشارات التحكم، ثم حساب مخرجات تعريف المعلمات. يجب أن تكون الحلقة سريعة بما فيه الكفاية لإجراءات التحكم في الوقت الحقيقي، وهو أمر بالغ الأهمية للعمليات المستقرة.

لكي يعمل برنامج تعريف المعلمات بشكل صحيح، فإنه يتطلب أن يتم ضبط مجموعة من المعلمات: النسبية (Kp)، Ki، و Kd. اختيار القيمة الصحيحة أمر حاسم لتحقيق الأداء المطلوب. عملية التوليف تتضمن اختيار قيم Kp و Kd و Ki المناسبة. عملية التوليف تنطوي على ضبط كل معلمة كسب يدويا في تسلسل، ومشاهدة استجابة النظام، ومن ثم إجراء تغييرات صغيرة. عادة، يتم تعديل المكسب النسبي (Kp) أولاً. قم بزيادة الـ (ك ب) تدريجياً حتى تحصل على نظام يستجيب بسرعة لكن ليس مع تذبذب كبير الهدف هو الحصول على وقت استجابة جيد أو تجاوز مقبول للهدف بعد تعيين P، يضاف مصطلح متكامل (Ki). بدءا من Ki = 0، أو قيمة منخفضة، تزداد ببطء حتى يتم القضاء على أي خطأ في الحالة الثابتة (الفرق بين القياس ودرجة الحرارة المحددة يتوقف عن التغير). قم بزيادة Ki ببطء، لأن الزيادة المفرطة يمكن أن تجعل النظام يتذبذب. ثم يتم إضافة المشتق (Kd). ابدأ مع قيمة Kd منخفضة (في كثير من الأحيان صفر في البداية) ثم إجراء تعديلات صغيرة. ويهدف إلى الحد من أي تذبذبات يسببها P أو I. زيادة Kd يمكن أن تساعد في التنبؤ والتبسيط من التغييرات، لكنه قد يسبب أيضا تباطؤ النظام أو يصبح غير مستقر. نغمة ليس دائما واضحة.

والتوليف ليس سهلا دائما ويتطلب الرصد الدقيق والتكرار المتكرر. حتى التغييرات الصغيرة في المعلمات يمكن أن يكون لها تأثير كبير على سلوك النظام. تجاوز الهدف والتذبذب وبطء الاستجابة كلها قضايا مشتركة. لتحقيق نظام مضبوط بشكل جيد#من المهم أن تكون صبوراً وأن تجرب بحرص

الضبط ليس سهلا دائما ويتطلب مراقبة مستمرة. حتى التغييرات الصغيرة في المعلمات يمكن أن يكون لها تأثير كبير على سلوك النظام. تجاوز الهدف والتذبذب وبطء الاستجابة كلها قضايا مشتركة. ولتحقيق نظام يستجيب بسرعة ويتسم بالاستقرار ويتطلب مراقبة مستمرة، لا بد من التحلي بالصبر والتجريب. وحتى التغييرات الصغيرة في المعايير سيكون لها تأثير كبير على سلوك النظام. تجاوز الهدف والتذبذب وبطء الاستجابة كلها قضايا مشتركة. ولتحقيق نظام أمثل، من الضروري التحلي بالصبر والتجريب.

والتوليف ليس سهلا دائما ويتطلب الرصد الدقيق والتكرار المتكرر. وحتى التغييرات الصغيرة في المعايير سيكون لها تأثير كبير على سلوك النظام. تجاوز الهدف والتذبذب وبطء الاستجابة كلها قضايا مشتركة. وتوفر مواقع السلامة على شبكة الإنترنت (مثل سلطات السلامة الكهربائية) التوجيه. الرجوع إلى أوراق بيانات أجهزة *** إلى اتصالات محددة. الرجوع إلى أوراق بيانات الأجهزة لتفاصيل محددة. راجع مواقع الويب حول طرق ضبط تعريف المنتج.