جهاز التحكم في درجة حرارة PID: التصميم والمكونات والتطبيقات

اكتشاف مكونات واستخدامات جهاز أردوينو للتحكم في درجة الحرارة. كيف تبرمج وتبني جهازك الخاص للتحكم في درجة الحرارة

1. المقدمة

التحكم في درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية في العديد من التطبيقات، من العمليات الصناعية إلى الأجهزة المنزلية. أردوينو، المعروف بتنوعه وبساطته، هو منصة عظيمة لإنشاء وحدة تحكم في درجة الحرارة PID (المشتق المتكامل التناسبي). يقدم هذا المقال دليلاً لتصميم ومكونات وبرمجة وتطبيقات جهاز أردوينو للتحكم في درجة الحرارة. وهي موجهة إلى كل من المتحمسين والمهنيين.

2. أساسيات تعريف المعلمات

تستخدم حلقة التغذية المرتدة لـ PID على نطاق واسع في أنظمة التحكم الصناعية. يتم حساب الخطأ باستمرار كما الفرق في نقطة setpoint المطلوب وقياسه. لتقليل الخطأ، يستخدم المتحكم في تعريف الهوية الشخصي التصحيحات التي تستند إلى شروط تكاملية وتناسبية ومشتقة. يستخدم المصطلح المشتق للتنبؤ بالأخطاء المستقبلية. أجهزة التحكم في تعريف الهوية الشخصي قادرة على تنظيم درجة الحرارة بدقة عن طريق ضبط معلماتها.

مكونات جهاز أردوينو للتحكم في درجة الحرارة

ويتكون جهاز أردوينو لقياس درجة الحرارة من عدة مكونات.

مجلس أردوينو: وحدة المعالج المركزية التي تنفذ خوارزميات التحكم.

مجسات درجة الحرارة (مثل المزدوجات الحرارية والصمامات الحرارية الحرارية). الأجهزة التي تقيس تغير درجة الحرارة وتعطي ردود الفعل إلى المتحكمين.

عنصر التسخين (مثل السخانات المقاومة): المكونات التي تولد الحرارة من أجل الحفاظ على درجات الحرارة المطلوبة.

MOSFETs أو TRIACs: تستخدم هذه المكونات للتحكم في الطاقة وتشغيل/إيقاف عناصر التسخين على أساس إشارات التحكم الصادرة من أردوينو.

تزويد الطاقة وتنظيم الجهد: توفير طاقة ثابتة للدائرة من أجل تشغيل مستقر.

3. تصميم الدائرة

يتضمن تصميم الدائرة لجهاز أردوينو للتحكم في درجة الحرارة إنشاء رسم بياني، ثم تجميع جميع المكونات المطلوبة. لوحة (أردوينو) تتصل بمجسات الحرارة وعنصر التسخين يتم التحكم في مصدر الطاقة إلى عناصر التدفئة من قبل MOSFETs و TRIACs. إمدادات الطاقة ومنظمي الجهد هي المسؤولة عن ضمان التشغيل مستقر. ان اتباع دليل بسيط سيتيح لك ان تبني جهاز تحكم في درجة حرارة اردوينو يستطيع ان يحافظ على درجة حرارة دقيقة.

4. برمجة أردينو

يتم برمجة الأردوينو بكتابة كود (تخطيطات) لتنفيذ خوارزمية PID. تم تبسيط هذه العملية من قبل مكتبة PID في IDE أردوينو. يستخدم الرسم الخوارزمية PID لتصحيح أخطاء درجة الحرارة بعد قراءة البيانات من أجهزة الاستشعار. ويمكن بعد ذلك تحميل هذا الرمز على لوحة أردوينو لتمكينها من التحكم في درجة الحرارة في الوقت الحقيقي. هنا رسم أردينو الذي يمكن استخدامه للتحكم في درجة الحرارة باستخدام معرِّف المعلمات:

5. مبدأ العمل

يعمل مراقب درجة الحرارة الخاص بأردوينو عن طريق ضبط المخرجات باستمرار من أجل تقليل الخطأ بين درجة الحرارة المطلوبة والمقاسة. وتنتج أجهزة استشعار درجة الحرارة فولتية تتناسب مع قيمتها. يستخدم الأردوينو هذه الإشارة لإجراء حساب تعريف الهوية الشخصي. يعمل ناتج أردوينو على تشغيل عناصر التسخين عن طريق موسيفتس (MOSFETs) وتريأكس (TRIACs) من أجل تنظيم درجة الحرارة. تضمن التغذية المرتدة أن النظام يسعى باستمرار للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة، وتعويض أي اضطرابات.

6. ضبط جهاز تعريف الهوية الشخصي

لتحقيق أفضل أداء، يجب ضبط وحدة تحكم تعريف المعلمات من خلال ضبط المعلمات المتكاملة والمشتقة والنسبية. ويمكن التوليف بعدة طرق، منها:

الاختبار والخطأ: تعديل المعلمات في زيادات صغيرة حتى يتم تحقيق النتائج المرجوة.

طريقة زيغلر نيكولز: نهج منهجي ينطوي على تقليل المشتقة والمكاسب المتكاملة إلى الصفر، ثم زيادة الكسب النسبي حتى يحدث التذبذب. حساب معلمات PID باستخدام كل من فترة التذبذب والكسب النهائي.

أداة البرمجيات: تستخدم البرمجيات لأتمتة الضبط اعتمادًا على استجابة النظام.

لتحقيق التحكم الأمثل في درجة الحرارة، من الضروري تحقيق التوازن بين المصطلحات الثلاثة من أجل تقليل التجاوز، وأوقات الاستقرار، وأخطاء الحالة الثابتة. إيجاد التوازن الصحيح بين الأنظمة المختلفة، وتعويض اللاخطية هي تحديات شائعة.

7. التطبيق

أجهزة أردوينو للتحكم في درجة الحرارة تبحث عن تطبيقات في مجالات مختلفة:

التطبيقات الصناعية: تستخدم في المعالجة الكيميائية، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وعمليات التصنيع التي تتطلب التحكم الدقيق في درجة الحرارة.

تطبيقات للمستهلكين: تستخدم في أنظمة التدفئة والأفران وغيرها من الأجهزة التي تحتاج إلى تنظيم درجة الحرارة.

التطبيقات العلمية: تستخدم في معدات المختبر مثل الحاضنات والمتعصبات وغرف البيئة عند الحاجة إلى ضبط دقيق لدرجة الحرارة للتجارب والباحثين.

يمكن استخدام أجهزة أردوينو في مجموعة واسعة من التطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقاً في درجة الحرارة. وسيساعدك فهم مبادئ تصميمها وتشغيلها ان تدرك مدى فعاليتها في المحافظة على درجات الحرارة المرغوبة. ستصبح وحدات التحكم في تعريف المنتج أكثر أهمية مع تحسن التكنولوجيا.