تنفيذ واختبار مشروع مراقب درجة حرارة أجهزة كشف الهوية الشخصية

وصف ميتا (وصف ميتا: تعلم كيفية البناء والاختبارالتحكم في درجة حرارة معرِّف المعلماتالمشاريع. ويشمل هذا الدليل اختيار المعدات، وتنفيذ البرامجيات، وضبط تقنيات تحديد الهوية الشخصية وتقييم الأداء من أجل التحكم في الحرارة.

أولاً -مقدمة

 ) وخوارزمية التحكم في المشتق التناسبي المتكامل (PID). تستكشف المقالة وحدة تحكم PID بالتفصيل. وتبدأ المقالة بمناقشة المبادئ الأساسية التي تقوم عليها ضوابط تعريف الهوية الشخصية الإيجابي. ثم ينتقل إلى المرحلة الحرجة من تعريف المشروع ومواصفاته. ثم تتم مناقشة عملية اختيار وتكامل مكونات الأجهزة الرئيسية. ثم يتم شرح كيف يمكن تنفيذ خوارزمية تعريف الهوية الشخصية ضمن منصة البرنامج المختارة. وتتناول المقالة أيضًا العملية الحاسمة لضبط تعريف المنتج وأساليب اختبار وتقييم أداء النظام. ويختتم المقال بدراسة التحديات المستقبلية والطرق الممكنة للتنمية. والغرض من هذه اللمحة العامة الشاملة هو تزويد القراء بفهم جوانب التصميم والتنفيذ والتشغيل الخاصة بمشروع مراقب درجة الحرارة الخاص بأداة تحديد الهوية الشخصية. وسوف يبرهن على تطبيقه العملي باستخدام نهج تدريجي.

ص. The PID Control Algorithm فهم ذلك

خوارزمية PID هي نظام تحكم تغذية مرتدة قوي ومرن. تم تصميم خوارزمية التحكم في تعريف الهوية الشخصي لضبط مدخلات النظام، على سبيل المثال، الطاقة إلى السخان، لتنظيم متغير العملية. يستخدم تعريف الهوية المسبق على نطاق واسع لأنه يستخدم ثلاثة إجراءات تحكم مختلفة يقوم كل منها بمعالجة جانب معين من الخطأ. إجراءات المراقبة الثلاثة، التكاملية النسبية والمشتقة، هي متكاملة على التوالي.

الإجراء النسبي P: ينتج هذا المكون إشارة خرج تتناسب طرديًا مع حجم الخطأ. الفرق بين درجة حرارة النقطة المحددة المطلوبة ودرجة الحرارة التي يتم قياسها بالفعل بواسطة المستشعر هو إشارة الخطأ. يؤدي الخطأ الأكبر إلى ناتج نسبي أعلى. والغرض الأساسي منها هو تصحيح المتغير في المقام الأول، وجعله أقرب إلى نقطته المحددة. ومع ذلك، فإن استخدام الإجراءات النسبية فقط يمكن أن يؤدي إلى خطأ حالة مستقرة. قد لا تتوافق درجة الحرارة النهائية مع النقطة المحددة بدقة بسبب تأخر النظام والظروف غير المتغيرة.

الإجراء المتكامل (I): يستخدم العنصر المتكامل للقضاء على الخطأ المستمر في الحالة الثابتة. ويحسب المكون المتكامل مجموع إشارات الخطأ مع مرور الوقت. المصطلح المتكامل سيزيد (أو يقلل) إشارة الخرج إذا استمر الخطأ، بغض النظر عن صغره. وهذا يدفع متغير العملية أقرب إلى النقطة المحددة. وسيصل النظام في نهاية المطاف إلى درجة الحرارة المحددة إذا كان المشغل قادرا على التغلب على القوة المقابلة. إذا لم يتم ضبطها بعناية، فإن المصطلح المتكامل قد يؤدي إلى التذبذب أو التأخر.

الإجراء المشتق (D)، يعتمد هذا المكون المشتق على معدل التغير في إشارة الخطأ. ويستند الناتج إلى معدل التغير في الخطأ. ينتج المشتق إشارة خرج تكون كبيرة إذا زاد الخطأ أو انخفض بسرعة. وهذا يساعد على توقع الانحرافات في المستقبل، ويخمد التذبذبات المحتملة. وهو يحسن القدرة على الاستجابة والاستقرار، ولا سيما في النظم المعرضة لعدم الاستقرار أو تجاوز الحد بسبب التغيرات السريعة.

هذا الجمع بين ثلاثة إجراءات يسمح لجهاز التحكم في درجة حرارة تعريف المنتج بالاستجابة بشكل مناسب للأخطاء الحالية، والتعلم من الأخطاء السابقة واستباق الأخطاء المستقبلية، وبالتالي تحقيق دقة عالية وثبات في تنظيم درجة الحرارة. وهذا الأساس الحسابي ضروري لفهم قدرات وحدات تحكم تعريف المنتج وتطبيقها بشكل صحيح في إعدادات المشروع.

الثالث. مواصفات ومتطلبات المشروع

من المهم تحديد الأهداف والقيود بوضوح قبل البدء في تجميع الأجهزة وتطوير البرمجيات. في هذه المرحلة، يتم تحديد أهداف التحكم، ومقاييس الأداء ومتطلبات البرمجيات/الأجهزة.

تحدد أهداف التحكم بوضوح ما يحتاج النظام إلى تنظيمه. وقد يهدف المشروع إلى تنظيم درجات حرارة الهواء في الأماكن المغلقة الصغيرة، أو الحفاظ على درجة حرارة المياه في نطاق معين، أو التحكم في درجة حرارة المكونات الإلكترونية لتجنب السخونة المفرطة. وسيؤثر اختيار الهدف بشكل مباشر على المكونات المختارة والتصميم العام.

الأداء المطلوب هو هدف كمي يجب أن يحققه النظام. ويشمل ذلك درجة الحرارة المستهدفة (نقطة محددة) والدقة المقبولة أو التحمل (مثل +-0.5degC)، ووقت الاستجابة المطلوب، وقدرة النظام على مقاومة اضطرابات الحمل. وتوفر هذه المواصفات معيارا لتقييم أداء النظام.

متطلبات الأجهزة هي قائمة من المكونات المادية التي يجب استخدامها. وهذا يشمل أجهزة استشعار درجة الحرارة، وحدات التحكم الدقيقة أو وحدات التحكم، والمشغلات (عناصر التسخين أو آليات التبريد)، ومصادر الطاقة المناسبة، وربما واجهة المستخدم (شاشة عرض أو أزرار). يساعد تحديد متطلبات الأجهزة مقدمًا على توجيه اختيار المكونات، وكذلك ضمان التوافق.

تحدد متطلبات البرمجيات الأدوات والبيئات المطلوبة. ويمكن أن يستند إلى قدرة المعالجة، وقدرة الإدخال/الإخراج، والتكلفة، وسهل استخدام متحكم دقيق معين (مثل Arduino Uno/Nano/Mega ESP32 Raspberry Pi STM32). وكبديل لذلك، يمكن استخدام وحدة تعريف المنتج المسبق أو مراقب منطقي قابل للبرمجة. تحدد منصة البرمجيات كلا من لغة البرمجة وبيئة التطوير.

ويمكن توجيه مراحل التصميم والتنفيذ والاختبار بشكل أكثر فعالية من خلال تحديد مواصفات المشروع ومتطلباته في المرحلة الأولية. وهذا من شأنه أن يزيد من فرص خلق التحكم الوظيفي والناجح في درجة حرارة أجهزة تعريف الهوية الشخصية.

الرابع: مكونات الأجهزة

المزوجات الحرارية تستخدم على نطاق واسع لأنها يمكن أن تقيس درجات الحرارة على مدى كبير ولها سعر منخفض نسبيا. تعمل المزوجات الحرارية عن طريق قياس الجهد الكهربي الناتج عند تقاطع معدنين. عند استخدامها مع أجهزة التحكم الرقمية، تتطلب المزدوجات الحرارية تكييف الإشارات مثل لينغ جي ديانبو تشانغ (تعويض التوصيل البارد) أو دوائر الخطية.

كاشفات درجة حرارة المقاومة: توفر دقة أعلى واستقرارا أكبر من المزدوجات الحرارية في درجات الحرارة المنخفضة. ويستند PT100 و PT1000 على تغيير المقاومة الكهربائية للمادة المعدنية (عادة، البلاتين). وتكون هذه المركبات أكثر خطية في الاستجابة، ولكنها يمكن أن تكون أكثر تكلفة من الأزواج الحرارية.

Thermistors معروفة بحساسيتها العالية، وخاصة في نطاق درجة حرارة معينة. المقاوم الحراري له إما معامل حرارة إيجابي أو سلبي. Thermistors تميل إلى أن تكون أقل تكلفة من RTDs، ولكن لديها نطاق درجة حرارة أصغر. كما أنها أقل خطية.

هذا المتحكم هو دماغ النظام ويقوم بإجراء حسابات PID. في الماضي، تم استخدام وحدات تحكم الأجهزة المخصصة وأجهزة PLC. وتستخدم وحدات التحكم المصغرة في العديد من المشاريع الحديثة بسبب مرونتها والقدرة على تحمل تكاليفها ودعم المجتمع. نظرًا لبساطتها ومكتباتها الكبيرة، فإن أردينو أونو (المعتمدة على AVR Atmel) هو خيار شائع لمشاريع DIY. وقد دمج ESP32 الواي فاي، البلوتوث وتمكين التكامل مع IoT. المتحكمات الدقيقة STM32 هي أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تتطلب طاقة معالجة أعلى. كما أنها تحتوي على أجهزة طرفية متقدمة. ويستند القرار إلى تعقيد المشروع والميزانية ومتطلبات التجهيز. ويمكن بدلاً من ذلك استخدام وحدة تحكم PLC أو وحدة تعريف المنتج PID المخصصة، والتي توفر موثوقية أعلى وميزات صناعية، ولكنها أكثر تكلفة. من المهم أن يكون لدى جهاز التحكم قدرات إدخال/إخراج كافية (I/O)، للسماح له بالاتصال مع كل من المستشعر والمشغل.

المشغل هو مكون يتلقى أمر إخراج ويحوله إلى فعل فيزيائي يغير درجة حرارة العملية.

 التشغيل الآمن من المهم استخدام الموصلات والأسلاك المثبتة بشكل صحيح.

على الرغم من أن واجهة المستخدم ليست ضرورية للتشغيل الأساسي للنظام، إلا أنها يمكن أن تحسن قدرات التشخيص والاستخدام. وستشمل شاشة العرض عادة شاشة LCD أو شاشة OLED لعرض حالة النظام وقيم الخطأ ودرجة الحرارة المحددة والقيمة الحالية. وتستخدم مقاييس الجهد لضبط المعلمات يدويًا، مثل ضبط مكاسب معرفات المعلمات. يمكن استخدام الأزرار لضبط أوضاع النقطة المحددة والتبديل. مؤشرات الحالة مثل المصابيح يمكن أن تشير إلى الطاقة، حالة الخطأ، أو حالة المشغل. قد يعمل نظام بسيط دون واجهة، ولكن ينصح بنظام أساسي لاختبار وضبط النظام.

يحمي الغطاء المناسب مكونات الأجهزة من العناصر البيئية مثل الغبار والرطوبة والأضرار المادية. وهذا يمكن أن يحسن موثوقية ومتانة النظام.

الخطوة التالية، بعد اختيار وتجميع مكونات الأجهزة، هي تنفيذ خوارزمية تعريف الهوية الشخصية في منصة البرمجيات. وهو يتضمن كتابة كود لقراءة بيانات المستشعر، وحساب مخرجات تعريف المعلمات والتحكم في المُشغل. لمنصات البرمجيات تأثير كبير على عملية التطوير.

تقدم منصات البرمجيات مجموعة واسعة من الخيارات. بسبب الأردوينو#إن سهولة الاستخدام وممجتمع الدعم الكبير وتوافر المكتبات والمتحكمات الدقيقة مثل الأردوينو تحظى بشعبية كبيرة في مشاريع DIY. ويبسط نظام أردينو IDE عملية كتابة التعليمات البرمجية وتحميلها. كما أن منصات مثل ESP32، التي لديها قدرات لاسلكية داخلية وبلوتوث وهي مناسبة للمشاريع المعقدة (وتوفر المزيد من طاقة المعالجة) هي أيضًا خيارات. بايثون على متحكم دقيق أو جهاز كمبيوتر مع المكتبات المناسبة، مثل pyautotune (للضبط التلقائي) و numpy (للعمليات العددية)، قد يكون مفضلا للمشاريع التي تتطلب متانة. يمكن استخدام PLC أو حزم وحدة تحكم PID التجارية في بعض المشاريع. يعتمد ذلك على مدى تعقيد المشروع، وما إذا كان المبرمج لديه خبرة مع النظام الأساسي والوظائف التي يتطلبها.

يتضمن تصميم البرمجيات عادة عددًا من الوحدات الرئيسية. أولاً، ستقرأ الوحدة بيانات المستشعر. إذا كنت تستخدم Arduino، يمكن أن ينطوي ذلك على قراءة القيم التناظرية باستخدام ADCs (المحولات التناظرية إلى الرقمية). يمكن أن يقرأ كود أجهزة الاستشعار الرقمية البيانات باستخدام بروتوكولات مثل I2C أو SPI (مثل مستشعر RTD). ويجب أن يحتوي الرمز على صيغ معايرة مناسبة لتحويل البيانات الخام لأجهزة الاستشعار إلى قراءة ذات مغزى لدرجة الحرارة (مثل درجة الحرارة العادية أو درجة فهرنهايت).

ويدخل تنفيذ خوارزميات استبانة الهوية الشخصية في صميم البرامجيات. في بنية الشفرة، يتم تعريف معلمات تعريف المعلمات (Kp Ki Kd). وسيتم تعديل هذه خلال مرحلة التوليف. تحدد الخوارزمية الفرق (النقطة المحددة ودرجة الحرارة المقيسة) لحساب الخطأ. يستخدم الكود هذا الخطأ لحساب مساهمة التكامل والمشتقة والنسب النسبية. * هو مصطلح نسبي. يتم حساب المصطلح المتكامل عن طريق جمع الأخطاء مع مرور الوقت. ويمكن منع هذا المصطلح من النمو بشكل كبير جدا باستخدام تقنية التصفية المتكاملة. الطريقة الأكثر شيوعًا هي استخدام إجمالي التشغيل حيث يتم إضافة الخطأ مع مرور الوقت ثم يتم وضع حد. يتم الحصول على هذا التقدير المشتق بقسمة * (خطأ سابق -خطأ)/الفترة الزمنية. سيتم تخزين هذا الخطأ السابق كمتغير. مجموع الحدود المحسوبة الثلاثة هو ما يمثل الناتج. إشارة الخرج يجب أن توضع على إشارة التحكم في المحرك.

يترجم رمز التحكم في المُشغل المتحكم#مخرجات 39;s المحسوبة في رسالة يمكن فهمها من قبل المشغل. ويستخدم الرمز، على سبيل المثال، الخرج المحسوب لتحديد دورة تشغيل النبض المعدل المعدل للتحكم في عنصر التسخين باستخدام موسفايت. وعادة ما تكون هذه القيمة بين 0 إلى 255 على الأردوينو. وسوف يستخدم الرمز الخرج المحسوب (غالبا ما تكون قيمة بين 0 و 255 لأردوينو) لتحديد حالة المسمار الرقمي. تطابق وظيفة رسم الخرائط هذه نطاق خرج وحدة التحكم مع متطلبات المشغل.

يجب أن يعالج كود واجهة المستخدم المدخلات، مثل ضبط النقطة المحددة (ربما عن طريق الأزرار أو مقاييس الجهد) وعرض المعلومات ذات الصلة على وحدة العرض (مثل درجة الحرارة الحالية، النقطة المحددة والخطأ).

ويتكرر هذا التسلسل في فترة محددة مسبقًا بواسطة حلقة التحكم الرئيسية (على سبيل المثال، باستخدام حلقة (حلقة) على أردوينو، أو هياكل مماثلة) من أجل تحقيق حلقة تغذية مرتدة مستمرة. إعلان المتغيرات للاحتفاء بقراءات أجهزة الاستشعار والبيانات الأخرى مثل قيمة النقطة المحددة، الخطأ أو الخطأ السابق، الحساب المتكامل، المكونات المشتقة والمخرجات النهائية. ويمكن تحقيق التكاملية باستخدام الدوال (على سبيل المثال دالة القراءة، ودالة المشغل، ودالة حساب PID).

المراحل الأولية من التطوير ضرورية للاختبار والتصحيح. ويمكن تضمين بيانات الطباعة في الكود (على سبيل المثال: serial.print(لـ Arduino)) الذي يعرض قيم الاستشعار وأرقام الخطأ والنتائج المحسوبة للسماح بالتوليف اليدوي. في النسخة النهائية، سيتم إزالة هذه أو استبدالها بوظيفة عرض مناسبة.

سادساً -تركيب النظام وتجميعه

بعد اختيار مكونات الأجهزة وكتابة كود البرنامج، المرحلة التالية هي التجميع المادي والإعداد للعملية. الاهتمام بالتفاصيل مطلوب لضمان السلامة والأداء السليم.

ربط المكونات هو الخطوة الأولى في تجميع النظام. يبدأ توصيل المكونات بتوصيل أجهزة الاستشعار. تتصل المستشعرات عادة بالمدخلات التناظرية أو الدبابيس الرقمية لجهاز التحكم. يتم توصيل دبابيس إخراج وحدة التحكم (على سبيل المثال، دبابيس تناظرية ل PWM أو دبابيس رقمية لتحويل الترحيل) بالمشغلات. يجب أن تكون دبابيس مصدر الطاقة متصلة بمدخلات قدرة المتحكم، واحتياجات طاقة الاستشعار. معلومات هامة عن السلامة: تحقق مرتين من اتصالاتك قبل استخدام الطاقة. الأسلاك غير الصحيحة يمكن أن تتلف المكونات. جميع الاتصالات يجب أن تكون معزولة وآمنة. بالنسبة لأجهزة الاستشعار والدوائر الرقمية، فإن التأريض ضروري للتشغيل الموثوق.

وينبغي تركيب المكونات في سياج مناسب. ويمكن أن يكون في شكل صندوق مشروع، أو حتى إعداد مصمم خصيصًا. يحمي التركيب المكونات من الاتصال العرضي أو التأثيرات البيئية. من المهم وضع جهاز التحكم في منطقة ذات تدفق هواء مناسب. يمكن استخدام ربطات الكابلات والأكمام لإدارة الأسلاك بشكل أنيق.

يمكن تجميع كود البرنامج على الكمبيوتر أو تنزيله إلى المتحكم الدقيق. الشفرة يجب أن تكون خالية من الأخطاء تتضمن الاختبارات البسيطة توصيل المكونات الثلاثة الأكثر أهمية وهي: جهاز الاستشعار ووحدة التحكم والمشغل. ثم يتم اختبارها للتحقق من الوظائف الأساسية مثل ما إذا كان المتحكم يمكن قراءة المستشعر أو التحكم في المشغل.

7. عملية ضبط تعريف المنتج

الضبط الصحيح لوحدة التحكم في تعريف المنتج ضروري لتحقيق الأداء المطلوب. يمكن أن يكون النظام غير مستقر (أشكال موجية مفرطة)، أو بطيء في الاستجابة، أو لا يصل إلى النقطة المحددة المطلوبة. الضبط هو عملية إيجاد قيم لمعلمات Kp النسبية و Ki المتكاملة و Kd المشتقة من أجل تحسين سلوك النظام. تغيير هذه المعلمات هو جزء من عملية الضبط. أساليب التوليف الشائعة:

تحكم متناسب مع

التعبير التناسبي يولد نتيجة تتناسب تناسبًا مباشرًا مع الخطأ. الكسب النسبي يزيد من استجابة النظام للخطأ. وهذا يؤدي إلى تصحيح أسرع. الهدف من مصطلح التناسب هو تحريك متغير العملية نحو النقطة المحددة. والغرض الأساسي منها هو تصحيح المتغير في المقام الأول، وجعله أقرب إلى الهدف. ومع ذلك، فإن استخدام التحكم النسبي فقط يمكن أن يؤدي إلى خطأ الحالة الثابتة. قد لا تتطابق درجة الحرارة النهائية مع النقطة المحددة بدقة تأخر النظام أو ظروف الحمل الثابتة. إشارة الخرج#39;s حجم يحدده الكسب النسبي. يؤدي ارتفاع Kp إلى رد فعل عدواني، في حين أن انخفاض Kp ينتج استجابة تدريجية. إشارة الخرج#39;s حجم يحدده الكسب النسبي. يؤدي ارتفاع Kp إلى رد فعل عدواني، في حين أن انخفاض Kp ينتج استجابة تدريجية. إشارة الخرج#39;s حجم يحدده الكسب النسبي. يؤدي ارتفاع Kp إلى رد فعل عدواني، في حين أن انخفاض Kp ينتج استجابة تدريجية. إشارة الخرج#39;s حجم يحدده الكسب النسبي. يؤدي ارتفاع Kp إلى رد فعل عدواني، في حين أن انخفاض Kp ينتج استجابة تدريجية. إشارة الخرج#39;s حجم يحدده الكسب النسبي. يؤدي ارتفاع Kp إلى رد فعل عدواني، في حين أن انخفاض Kp ينتج استجابة تدريجية.

التحكم التكاملي (I): باستخدام المصطلح التكاملي، يمكن للتحكم تصحيح الخطأ في الحالة الثابتة التي قد تبقى من خلال الحدود النسبية. الكسب المتكامل (Ki)، الذي يحدد السرعة التي يمكن لوحدة التحكم تصحيح هذا الخطأ، يتم تحديده من خلال الكسب المتكامل. يستخدم المصطلح المتكامل لحساب الخطأ التراكمي الكلي. المصطلح المتكامل سيزيد (أو يقلل) إشارة الخرج إذا استمر الخطأ. وهذا يدفع متغير العملية أقرب إلى النقطة المحددة. وسيصل النظام في نهاية المطاف إلى درجة الحرارة المحددة إذا كان المشغل قادرا على التغلب على جميع القوى المتعارضة. المكسب المتكامل (Ki)، وهو مقدار الوقت الذي يتفاعل فيه المتحكم مع الخطأ، يحدد القوة التي يفعل بها ذلك. سيؤدي ارتفاع Ki إلى إزالة أسرع من أخطاء الحالة الثابتة، في حين أن انخفاض Ki سيؤدي إلى استجابات أبطأ. الكسب المتكامل (Ki)، يحدد قوة المتحكم#39; استجابة للخطأ. يعني Ki الأعلى تصحيح أسرع لخطأ حالة الاستقرار. يشير كي السفلى إلى استجابة أكثر تدريجية.

التحكم (D) المشتق: يوفر التحكم المشتق إجراءات تصحيحية على أساس مدى سرعة تغيير الخطأ. وهذا يساعد على تحسين استجابة النظام عندما تكون هناك اضطرابات.