Understanding a PID Temperature Controller Example: A Practical Guide (باللغة الإنجليزية)

أولاً -مقدمة

ص. خوارزمية PID: The Foundation of Precise Control (باللغة الإنجليزية)

تعمل خوارزمية تعريف الهوية الشخصي كمكون فكري أساسي لأي جهاز تحكم متطور في درجة الحرارة. تكمن وظيفتها الأساسية في حساب الإجراء التصحيحي على أساس المقارنة المستمرة بين حالة النظام المطلوبة والحالة الفعلية المقاسة. تم تصميم هذا الإجراء التصحيحي لتقليل التناقض، والمعروف باسم إشارة الخطأ. أولاً، يتم اشتقاق إشارة الخطأ نفسها من مقارنة بسيطة ولكنها حاسمة. يحتوي النظام على درجة حرارة مرغوبة، تعرف باسم نقطة التحول. هذه هي درجة الحرارة المستهدفة التي يرغب المستخدم في الحفاظ عليها. وعلى نفس القدر من الأهمية هو متغير العملية، وهو درجة الحرارة الفعلية التي تقاس حاليًا بواسطة جهاز استشعار داخل النظام. إشارة الخطأ هي في الأساس الفرق بين Setpoint و العملية المتغيرة: الخطأ = Setpoint -العملية المتغيرة.

وتحسب خوارزمية تعريف الهوية الشخصية الإجراء التصحيحي على أساس ثلاثة مكونات متميزة، يسهم كل منها في جانب محدد من جوانب التحكم:

النسبية (P) المدى: يولد المدى النسبي مخرجات التحكم التي تتناسب مباشرة مع حجم إشارة الخطأ الحالية. رياضياً، يمكن التعبير عن ذلك بـ P_output = Kp * Error، حيث Kp تمثل الربح النسبي. الكسب النسبي يحدد مدى قوة استجابة النظام للخطأ. يؤدي الخطأ الأكبر إلى ناتج تحكم أكبر نسبيًا، والعكس صحيح. الدور الأساسي لمصطلح P هو توفير استجابة فورية تقلل من الخطأ. ومع ذلك، فإنه غالبا ما يترك خطأ متبقيا متكاملا (I) المصطلح المتكامل يعالج تراكم الخطأ مع مرور الوقت. وهو يدمج إشارة الخطأ على مدى فترة، ممثلة عادة كما I_output = Ki * ∫ Error dt، حيث Ki هو الربح المتكامل. المصطلح I يلخص إشارة الخطأ باستمرار. والغرض الأساسي منه هو القضاء على خطأ الحالة الثابتة -الخطأ الصغير الذي قد يتركه المدى P. إذا استمر الخطأ، حتى ولو كان صغيرًا، فإن المصطلح I سيزيد تدريجيًا من مخرجه، مما يدفع المحرك إلى محاولة إزالة الخطأ تمامًا. هناك عيب كبير في مصطلح I هو أنه إذا كان الخطأ يغير اتجاهه بشكل متكرر (على سبيل المثال، التذبذب حول النقطة المحددة)، يمكن أن يتراكم مصطلح متكامل مخرجات كبيرة، مما قد يؤدي إلى عدم الاستقرار أو تجاوز الهدف.

المشتق (D) المدى: يركز مصطلح المشتق على معدل تغيير إشارة الخطأ. وهي تحسب مشتقة الخطأ (d(Error)/dt) وتولد مخرجا يعارض التغيرات السريعة. رياضيا، D_output = Kd*d (Error)/dt، حيث Kd هو كسب الاشتقاق. المصطلح D يعمل كقوة تخميد. وهو يتنبأ بالأخطاء المستقبلية على أساس الاتجاه الحالي ويساعد على تخفيف إشارة التحكم. ويساعد هذا التوقع على تقليل التذبذبات التي قد تحدث إذا كان مصطلحا P و I عدوانيين للغاية، مما يؤدي إلى تأرجح درجة الحرارة بشكل مفرط فوق وتحت النقطة المحددة. يساهم المصطلح D أيضًا في استجابة أولية أسرع من خلال توقع الحاجة إلى التصحيح قبل أن يصبح الخطأ كبيرًا. ومع ذلك، فإن المصطلح D يمكن أن يكون حساسًا للضوضاء في إشارة الخطأ، مما قد يتسبب في رد فعل وحدة التحكم بشكل متقطع.

يتم دمج هذه المصطلحات الثلاثة، عادة عن طريق جمعها، لتشكيل إشارة التحكم النهائية.

الثالث. اختيار المثال: جهاز التحكم في تغليف الإلكترونيات المسخنة

المكونات الأساسية للمثال: مراقب تغليف الإلكترونيات المسخنة

ثانيا، المقارنة/كشف الأخطاء/منطق المراقب.

ثالثًا، يعمل المشغل SSR كمفتاح إلكتروني، يتحكم فيه المتحكم الدقيق#39;s PWM الخرج. ويستند اختيار SSR على قدرته على التعامل مع إشارة التحكم (PWM من المتحكم الدقيق) وتبديل عنصر التسخين 12 فولت بفعالية. يتم توصيل SSR إلى المتحكم الدقيق#مسمار الخرج 39;s ودائرة عنصر التسخين.

1. اعتبارات تزويد الطاقة: مصدر الطاقة في هذا المثال هو مصدر تيار مستمر 12 فولت. يوفر الطاقة إلى المتحكم الدقيق و SSR. المتحكم الدقيق نفسه يتطلب تنظيم الجهد الداخلي للعمل بشكل صحيح (في كثير من الأحيان 5 فولت أو أقل)، في حين أن مصدر الطاقة 12 فولت يزود الحمل (عنصر التسخين) عن طريق SSR.

V. How the Example Works: Operation of the Heated Electronics Enclosure Controller (باللغة الإنجليزية)

أولاً، يقوم مستشعر DS18B20 بقياس درجة الحرارة الداخلية باستمرار ويرسل القيمة الرقمية إلى المتحكم الدقيق. يوفر هذا المستشعر العملية المتغيرة. يقوم المتحكم المصغر بمقارنة قراءة درجة الحرارة المستلمة هذه مع درجة الحرارة المطلوبة المحددة من قبل المستخدم. ينتج عن هذه المقارنة إشارة الخطأ (Setpoint -Process variable). ويحدد حجم هذا الخطأ مقدار التسخين المطلوب.

بعد ذلك، يقوم المتحكم الدقيق بتنفيذ حسابات P و I و D بناء على هذا الخطأ. المصطلح النسبي (P) يولد استجابة فورية تتناسب مع الخطأ الحالي. تكامل (I) مصطلح تراكم الخطأ مع مرور الوقت، والعمل على القضاء على أي خطأ صغير متبقي. الاشتقاق (D) مصطلح يتنبأ التغيرات في درجة الحرارة، مما يساعد على منع النظام من تجاوز النقطة المحددة.

التطبيق: الحفاظ على درجة حرارة مثالية في غلاف الإلكترونيات الساخنة

يقوم المتحكم الدقيق و SSR بتعديل الطاقة اعتمادا على التغذية المرتدة التي يقدمها مستشعر DS18B20، مما يخلق نظام حلقة مغلقة يقوم بضبط الطاقة الحرارية باستمرار للحفاظ على درجة الحرارة المستهدفة بدقة وثبات.

السابع. ضبط المثال: ضبط Kp و Ki و Kd.

1. الضبط النسبي (P): يؤثر ضبط مصطلح P بشكل أساسي على النظام#سرعة استجابة 39 وكيف تتفاعل بقوة مع الخطأ. يؤدي كسب P أعلى إلى استجابة أسرع ولكن يمكن أن يؤدي إلى عدم الاستقرار. ربح P أقل يكون أكثر سلاسة ولكنه قد يترك خطأ حالة ثابتة.

1. الضبط المتكامل (I): تعديل مصطلح I أمر بالغ الأهمية للقضاء على خطأ الحالة الثابتة. وهو يدمج الخطأ مع مرور الوقت، مما يقود المحرك ببطء إلى خطأ صفر. ومع ذلك، إذا تذبذب النظام، فإن المصطلح I يمكن أن يتراكم ويتسبب في تجاوز كبير للهدف.

1. ضبط مشتق (D): تعديل مصطلح D يساعد على تخفيف التذبذبات الناجمة عن العدوانية P و I. فهو يتنبأ بالتغيرات ويوفر قوة مضادة. ومع ذلك، يمكن أن يكون حساسا لضوضاء الاستشعار.

ميزات التوليف التلقائي يمكن أن تكون موجودة أيضا على بعض وحدات التحكم. عملية التوليف أمر بالغ الأهمية للأداء الأمثل والثبات.

الثامن. مزايا وعيوب المراقب المالي

ألف -المزايا: