كيفية تنفيذ برنامج حاسوبي قائم على جهاز التحكم في درجة حرارة PID

1. تعريف التحكم في تعريف المنتج القائم على البرمجيات

التنظيم الدقيق لدرجة الحرارة هو شرط لمجموعة واسعة من التطبيقات. من التجارب المختبرية الحساسة التي تتطلب استقرار ميكروكلفن، إلى العمليات الصناعية ذات التحمل الضيق أو البيئات المعقدة التي تتطلب خصائص مواد متسقة في الطباعة ثلاثية الأبعاد. لتحقيق درجة الحرارة والحفاظ عليها بدقة، يتطلب الأمر استراتيجية متطورة. ومن بين أكثر المنهجيات المتاحة فعالية، تبرز خوارزمية التحكم PID (التناسبي المتكامل -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 الحرارةيستخدم أجهزة مخصصة، في كثير من الأحيان وحدة تحتوي على معالج دقيق، لتنفيذ الخوارزمية وإدارة حلقة التحكم في الوقت الحقيقي. وهناك حل أكثر مرونة وقوة ينطوي على تنفيذ منطق تعريف الهوية الشخصية في البرامج التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر للأغراض العامة أو وحدات التحكم الدقيقة المخصصة أو الأجهزة المصممة خصيصًا لمهام الحوسبة. يستخدم جهاز التحكم في درجة حرارة PID القائم على البرمجيات المرونة والقوة الحسابية للبرنامج لوظيفة الإدارة. يتم تنفيذ خوارزمية تعريف درجة الحرارة على وحدة معالجة تتداخل مع أجهزة استشعار الحرارة والمشغلات عبر الاتصالات الرقمية. إن أجهزة تحديد الهوية الشخصية القائمة على البرمجيات تشكل ضرورة أساسية للمهندسين والباحثين والهواة الذين يريدون أتمتة درجات الحرارة المتطورة والقابلة للتكيف. يستكشف هذا الدليل الجوانب الأساسية لتطبيق نظام التحكم في درجة الحرارة القائم على البرمجيات.

2. المكونات الأساسية لنظام برمجيات تعريف المنتج

يعتمد نجاح نظام تعريف الهوية الشخصية القائم على البرمجيات على الجهد التآزري (aXie tong) بين منطق الأجهزة والبرمجيات الذي ينفذ خوارزمية التحكم في درجة الحرارة. أولا، هناك وحدة المعالجة. هذا الفكر يقوم النظام بإجراء حسابات تعريف المنتج. 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. وغالبًا ما يتم تشغيل هذه الأنظمة على بيئات برمجية مثل MATLAB/Simulink (دعم المكتبات مثل سيبي، أو حزم التحكم المتخصصة لـ PID)، أو 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. أيضاً، إت#39;s تجدر الإشارة إلى أن العديد من وحدات التحكم المنطقية الحديثة القابلة للبرمجة أو أنظمة التحكم الموزع تتضمن منصات برمجية قوية تسمح بتطبيق وتعديل خوارزمية تعريف الهوية الشخصية. هذا هو جانب آخر من التحكم في الأجهزة القائمة على البرمجيات. يجب على البرنامج إجراء الحسابات بسرعة، بغض النظر عن النظام الأساسي الذي سيتم اختياره، وخاصة إذا كنت بحاجة إلى ضوابط في الوقت الحقيقي.

ثانيا، تعتبر الواجهة حاسمة بين مستشعر درجة الحرارة والبرمجيات. قرار المحوِّل (مثل 10 بت و 12 بت و 16 بت) ومعدل العينات هما ما يحددان مدى دقة قياس درجة الحرارة. وبدلاً من ذلك، يمكن لأجهزة الاستشعار ذات الخرج الرقمي الذي هو 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 جهاز استشعار مع قوة إشارة منخفضة أو إزالة الضوضاء من ADC قبل رقمنة.

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 المعلمات إلى إشارة التحكم الصحيحة التي سيتم استخدامها من قبل المشغل.

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. إن الخطوة الأولى في تطبيق أنظمة تعريف المنتج القائمة على البرمجيات هي إنشاء أساس البرنامج.

الخطوة التالية هي تثبيت البرنامج. الخطوة الأولى هي إنشاء بيئة تطوير متكاملة، أو بيئة تطوير متكاملة. وهذا يسمح لك بكتابة وتجميع وتحميل كود المنصة التي تختارها (على سبيل المثال، اردينو IDE مع PlatformIO، Visual Studio Code، MATLAB R202X مع الامتدادات المناسبة، بايثون، مع المكتبات ذات الصلة). إن تثبيت نظام التشغيل والأطر أو المكتبات المطلوبة أمر بالغ الأهمية إذا كنت تستخدم الكمبيوتر الشخصي. على سبيل المثال، يتطلب تركيب بايثون، فضلا عن مكتبات كثيرة العدد وسخيفة. كما يتطلب MATLAB تركيب صناديق الأدوات المناسبة. من المهم ضمان تثبيت جميع مشغلات الأجهزة (مثل توصيلات USB لأجهزة الكمبيوتر و MCUs) بشكل صحيح. والمرحلة التحضيرية هي الأساس لتنفيذ استبانة المعلومات الشخصية وتكامل النظام.

الرقم السري هو أهم شيء يجب القيام به النهج الأكثر ملاءمة لكثير من المستخدمين هو استخدام مكتبات تعريف الهوية الشخصي الموجودة، وخاصة تلك التي هي جديدة في برمجة نظام التحكم. هناك العديد من المكتبات المتاحة بلغات برمجة ومنصات مختلفة. على سبيل المثال، توفر مكتبة بايثون (pid Python) واجهة سهلة الاستخدام لتنفيذ وحدات تحكم PID. لدى أردوينو العديد من الأمثلة التي توضح التحكم في تعريف الهوية الشخصي. يوفر MATLAB/Simulink كتل مسبقة البناء للتحكم في PID داخل صندوق أدوات نظام التحكم. وتبسِّط هذه المكتبات عملية التنفيذ من خلال استخلاص الكثير من التفاصيل ذات المستوى الأدنى وتوفير وظائف موثوقة ومختبرة. هذه المكتبات قوية ولكنها غالبا ما تتطلب من المستخدم توفير قراءات الاستشعار وأوامر المشغل وغيرها من المدخلات. غالبًا ما يكون رمز تعريف المنتج المخصص مطلوبًا للاحتياجات الأكثر تعقيدًا أو من أجل فهم أفضل للتنفيذ. وهو ينطوي على هيكلة البرمجيات بحيث يمكنها قراءة بيانات الاستشعار وحساب الخطأ واستخدام صيغة تعريف الهوية الشخصي للتحكم في مخرجات وتوليد الإشارة. يعد ترميز الحلقة يدويًا أكثر تعقيدًا، ولكنه يسمح بالتخصيص الكامل للأجهزة والتطبيقات.

4. خوارزمية تعريف الهوية الشخصية المطبقة في البرمجيات

أنظمة تعريف الهوية الشخصية القائمة على البرمجيات هي فقط جيدة مثل تنفيذها. المنطق الأساسي للمعادلة بسيط، على الرغم من أنها قد تبدو معقدة. هذه هي الصيغة القياسية المتفردة للوقت المحدد التي 's شائع الاستخدام للتطبيقات الرقمية: المخرجات (t). يتم حساب إشارة الخرج بشكل منفصل (على سبيل المثال كل 10 ميلي ثانية). أولا، يشير مصطلح نسبي، أو P، مباشرة إلى الخطأ. هذا هو الفرق في درجة الحرارة بين النقطة المحددة ودرجات الحرارة المقاسة. الكسب النسبي (Kp) يحدد قوة الاستجابة للخطأ. يمكن أن يؤدي ارتفاع Kp إلى سرعة الاستجابة، ولكن الكثير من ذلك قد يسبب عدم الاستقرار. وعادة ما تكون الصيغة هي P_term = error * Kp. التكاملية (I) هي المصطلح الثاني الذي يعالج الأخطاء المستمرة التي لا يمكن إزالتها بالتناسبية. يتم دمج الخطأ (الجمع) مع مرور الوقت باستخدام الصيغة التالية: I_term = الخطأ (t),. المكسب المتكامل (Ki) يحدد سرعة إضافة المصطلح إلى الإجمالي، وبالتالي، استجابة النظام في حالة أخطاء الحالة الثابتة. إذا لم يتم تصحيح الخطأ، فإنه يمكن أن يتسبب في نمو المصطلح المتكامل إلى الأبد. وتسمى هذه الظاهرة التصفية المتكاملة. العديد من تطبيقات البرامج تشمل الآليات التي تمنع هذا من الحدوث، مثل الحد من القيمة القصوى للحد المتكامل. المصطلح الثالث الاشتقاقي (D) يساعد على التنبؤ بالخطأ في المستقبل على أساس معدل التغيير. هذا التخميد يقلل من التذبذبات، ويزيد من الاستقرار. Kd هو المكسب المشتق الذي يحدد مدى حساسية النظام لأي تغييرات في الخطأ. يتم ضرب Kd في معدل تغيير الخطأ. يمكن أن تبدو الصيغة مثل D_term = (error(t), error(t-1),)/dt حيث تمثل dt الفترة الزمنية بين العينات. إن تنفيذ مصطلح المشتق عملية دقيقة، لأن حسابات المشتق الخام حساسة للغاية لضوضاء المستشعر، والتي يمكن أن تؤدي إلى إجراءات تحكم لا يمكن التنبؤ بها. من الشائع التوصية بتصفية حسابات المشتقات (على سبيل المثال باستخدام متوسط متحرك). يتم تنفيذ هذه الصيغة في البرنامج عن طريق قراءة قيمة الخطأ، ثم حساب المصطلحات (P و I و D) باستخدام المكاسب الحالية (Kp. كي. Kd)، وجمعها للحصول على المخرجات النهائية واستخدام هذا المخرجات للتحكم في المشغل داخل الحلقة. يجب على البرنامج إدارة متغيرات الحالة لكل من التكاملية (تاريخ الجمع) والمصطلحات المشتقة (قيمة الخطأ السابقة).

كمفهوم للوقت المستمر، يجب تعديل خوارزمية تعريف المنتج للتطبيق الرقمي. وتسمى هذه العملية من التكيف التحوط. يجب أن يقوم البرنامج بتجربة بيانات النظام على فترات منتظمة. ثم تعمل خوارزميات PID 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 المطلوبة في الوقت الحقيقي، وهو أمر بالغ الأهمية عندما يتعلق الأمر بعملية مستقرة. يقوم هذا البرنامج بتنفيذ جميع الوظائف التي تم تنفيذها من قبل وحدة تحكم الأجهزة.

لكي تعمل برمجيات تعريف المنتج بشكل صحيح، من الضروري أن يتم ضبط مجموعة من المعلمات: المكاسب النسبية (Kp)، المكاسب المشتقة (Kd)، والمكاسب المتكاملة (Ki). القيمة الصحيحة حاسمة لتحقيق الأداء المطلوب. عملية التوليف تتضمن اختيار قيم Kp و Kd و Ki المناسبة لتقليل الخطأ. الأمر متروك للمستخدم والنظام لتحديد طريقة الموالفة التي سيستخدمونها. هناك العديد من طرق الضبط اليدوي، بما في ذلك قواعد زيغلر نيكولز (على الرغم من أنها يمكن أن تكون أكثر نظرية) والنهج المساعد على الاكتشاف حيث يقوم المستخدمون بتعديل المكاسب من خلال مراقبة استجابة النظام. قواعد زيغلر نيكولز هي طريقة لعمل تقديرات أولية للمكاسب، على أساس خصائص النظام. ويمكن أن تكون هذه القواعد تقريبية. وتشمل الطرق العملية تعديل معلمات الكسب يدويًا وملاحظة كيفية استجابتها للتغيرات. عادة، يتم تعديل المكسب النسبي (Kp) أولاً. قم بزيادة الـ (ك ب) تدريجياً حتى تحصل على نظام يستجيب بسرعة لكن ليس مع تذبذب كبير إذا كنت تريد الحصول على وقت استجابة جيد، أو لديك القليل من التجاوز المقبول، ثم هذا هو ما يجب أن تستهدف. 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 في درجة الحرارة بين القياس ونقطة setpoint 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 الناجمة عن P أو I. زيادة Kd تخفيف الاستجابة ويساعد على التنبؤ بالتغيير، ولكن الكثير جدا يمكن أن يسبب عدم الاستقرار أو إبطاء النظام دون داع.

الضبط ليس سهلا دائما ويتطلب الكثير من المراقبة والاختبار. 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

5. دمج الأجهزة والبرمجيات

من أجل التحكم والاتصال بشكل صحيح، من المهم برمجة الأجهزة مع البرامج. قراءة جهاز الاستشعار#بيانات درجة حرارة 39 هي أول شيء للقيام به في الحلقة. يجب أن يتفاعل الكود مع الجهاز الطرفي لتكوينه بشكل صحيح (الدقة والجهد المرجعي)، ثم قراءة القيم الأولية. ويتم تحويل هذه القيمة الخام إلى وحدات درجة حرارة ذات معنى (على سبيل المثال فهرنهايت أو مئوية) باستخدام معلمات معايرة المستشعر. الشفرة ستقرأ مخرجات جهاز استشعار رقمي

ثم يحسب البرنامج الخطأ. هذا هو الفرق البسيط بين درجة الحرارة المحددة ودرجة الحرارة المقاسة. ثم يتم استخدام هذا الخطأ من قبل كتلة معرفات المعلمات لحساب إشارة التحكم في الخرج باستخدام قيم اكتساب معرفات المعلمات (Kp Ki Kd). يمكن أن يكون ناتج معرفات المعلمات الخام فولطية أو تيار أو دورة تشغيل PWM. ويمكن أيضا أن تكون إشارات رقمية تشير إلى حالة المتحكم. يجب تحويل مخرجات معرفات المعلمات الخام إلى أمر مشغل. فالكود، على سبيل المثال، يقوم بتكوين معلمات PWM إذا تم التحكم في SSR بواسطة PWM عبر وحدة التحكم في MCU. عند استخدام مرحل، سيتحكم الرمز في GPIO المتصل بالوحدة. يجب أن يتأكد البرنامج من أن المشغل متصل بقناة الإخراج الصحيحة. يجب على البرنامج إدارة توقيت الحلقة. تعمل الحلقة في وقت العينة الثابت Ts. توقيت الحلقة مهم للتحكم الثابت. في هذه الحلقة، يقوم المتحكم بحساب الخطأ، ويولد خرج تعريف المعلمات ثم يقرأ المستشعر. ومن المهم اختيار وقت العينة على أساس كل من استجابة التحكم المطلوبة والخصائص بين المشغل والمستشعر.

يمكن لحلقة البرنامج التحقق من فشل أجهزة الاستشعار أو مشاكل الاتصال بين المشغلات. وهذا إجراء بسيط للتعامل مع الأخطاء، ولكنه قد يكون معقدًا اعتمادًا على أجهزة الواجهة المستخدمة. ومن المهم تنفيذ الحلقة بشكل صحيح.

6. فوائد تعريف الهوية الشخصية القائم على البرمجيات

توفر أدوات التحكم في تعريف الهوية الشخصية القائمة على البرمجيات مزايا متميزة تجذب العديد من المستخدمين. المرونة هي الفائدة الأكثر أهمية. تسمح واجهات البرمجيات بسهولة تعديل معلمات تعريف المعلمات. ويمكن تغيير هذه النقطة ديناميكيا. هذه المرونة ضرورية للأنظمة التي تعمل في مجموعة متنوعة من البيئات أو تتطلب تعديلات متكررة. ميزة أخرى هي قدرتها على النغم. يسمح البرنامج بالتعديلات التكرارية على أساس الملاحظة. كما يسهل البرنامج تسجيل البيانات، مما يسمح بتعقب نقطة ضبط درجة الحرارة بمرور الوقت. وهذه البيانات لا تقدر بثمن من حيث التحليل وحل المشاكل وتحسين الأداء. يمكن دمج البرمجيات بسهولة مع أدوات التصور التي توفر التغذية الراجعة في الوقت الحقيقي. الوظائف المتقدمة: يسمح البرنامج بتنفيذ استراتيجيات التحكم المعقدة التي تتجاوز تعريف الهوية الشخصي. ويمكن أن تتكامل مع أنظمة أخرى مثل أنظمة الرصد وبيئات المحاكاة، في حين تتضمن ميزات مثل أجهزة الإنذار المتقدمة أو ضوابط التخلف. يمكن للبرنامج إجراء عمليات حسابية أسرع من المتحكم الدقيق وبالتالي تمكين خوارزميات أكثر تعقيدًا. فعالية التكلفة ممكنة، حتى مع الإعداد المعقد. يمكن أن يحدث هذا للحلول المخصصة، أو عند استخدام الأجهزة المتاحة بسهولة، مثل أردوينوس وأجهزة الكمبيوتر. أ.

) ينبغي أيضا أن تضع في الاعتبار العيوب. أهم قيد هو قيد الوقت الحقيقي. يجب أن تكون حلقات البرنامج قادرة على الاستجابة بسرعة لأي تغييرات في متغيرات العملية. يجب تشغيل الحلقة على المتحكمات الدقيقة ضمن أوقات أخذ العينات والدورات. شفرة رديئة الصياغة أو كثيفة الاستخدام للموارد أو تختار معدلاً منخفضاً لأخذ العينات