Understanding temperature controllers with PID: An Expert's Guide to Process Control Optimization (باللغة الإنجليزية)

التعرف على مكونات واستخداماتأجهزة التحكم في درجة الحرارةالذين يستخدمون تعريف الهوية الشخصي. التعرف على

1. أجزاء من التحكم في درجة الحرارة مع تحديد الهوية المسبق

PID هو نظام التحكم في درجة الحرارة الذي يستخدم عدة مكونات. وتعمل هذه الأجزاء المترابطة معًا لتوفير الأداء الأمثل. لفهم كيفية عمل النظام، من المهم معرفة كل مكون.

2. وحدة المراقب المالي

وهو الدماغ المركزي لنظام التحكم في درجة الحرارة. وتتلقى وحدة التحكم بيانات درجة الحرارة من أجهزة الاستشعار، وتستخدم خوارزمية PID لمعالجة هذه المعلومات، ثم تولد إشارة للمشغل. يمكن أن يكون إما جهاز تحكم أو برنامج يعمل على جهاز كمبيوتر أو متحكم دقيق.

المراقب#تتضمن مكونات أجهزة 39;s، على سبيل المثال، معالج أو متحكم دقيق يقوم بإجراء حسابات تعريف الهوية الشخصي. ويمكن أيضا تضمين مكونات أخرى، مثل وحدات الإدخال/الإخراج (I/O)، التي تتلقى إشارات الاستشعار وترسل أوامر المشغل. تستخدم الذاكرة لتخزين البرامج والبيانات. المراقب#يستند ذكاء 39 على خوارزميات البرمجيات. ضبط تعريف المنتج، الذي ينطوي على تحديد المكاسب في التكامل النسبي والشروط المشتقة هو ميزة برمجية مهمة. غالبًا ما تكون البرامج سمة من سمات وحدات التحكم الحديثة التي تجعل من السهل تكوين وضبط ومراقبة العملية.

المشغل هو المسؤول عن تنفيذ إجراءات التحكم التي تحددها وحدة التحكم. يقوم المحرك بترجمة الإشارات الكهربائية من جهاز التحكم إلى تأثيرات فيزيائية، مثل التسخين أو التبريد للحصول على درجة الحرارة المقاسة أقرب إلى النقطة المحددة المطلوبة. يتم تحديد نوع المشغل المستخدم من خلال التطبيق، وكذلك عملية التحكم.

وهذا يقلل من درجة الحرارة. ولتعزيز نقل الحرارة والحفاظ على درجة حرارة موحدة، تقوم المراوح بتدوير السوائل أو الهواء. تحكم الصمامات في تدفق السوائل، مثل سائل التبريد أو وسيط التسخين أو كليهما، من أجل تنظيم معدل التبادل الحراري. من المهم أن يتم دمج المشغل والمتحكم بسلاسة لضمان الترجمة الصحيحة لإشارات التحكم إلى إجراءات مادية. من المهم مطابقة المشغل مع احتياجات النظام، مثل استهلاك الطاقة، ووقت رد الفعل والقيود المادية.

3. فهم التحكم في معرِّف المعلمات

إن فهم وظائف وحدات التحكم في تعريف المنتج أمر بالغ الأهمية لفهم كيفية تحقيق ذلك.

 التحكم النسبي

وهو أيضا أبسط المصطلحات الثلاثة. يتم حساب خرج التحكم على أساس الخطأ الحالي. هذا الفرق بين النقطة المحددة المطلوبة ودرجة حرارة العملية المقاسة. هذا الخطأ يؤثر مباشرة على إشارة الخرج. وكلما كان الخطأ أكبر، كلما كان التحكم في الخرج أكبر، والعكس صحيح.

هذا هو التعبير الرياضي عن التناسب:

P = Kp * (e)

حيث:

الناتج النسبي هو P.

الكسب النسبي (Kp) هو عامل ضبط يتحكم في استجابة التحكم لخطأ ما.

يتم حساب الخطأ بقسمة درجة الحرارة المقاسة (نقطة محددة) على الوقت t.

الكسب النسبي أو باختصار Kp هو عامل رئيسي في استجابة النظام. قيم Kp العالية تؤدي إلى ضوابط أكثر عدوانية، والتي قد تؤدي إلى وقت استجابة أسرع ولكن أيضا زيادة خطر التذبذب والتجاوز. تؤدي قيم Kp المنخفضة إلى استجابة أبطأ. وقد يؤدي ذلك إلى استقرار أفضل، ولكن أيضا تقارب أبطأ نحو النقطة المحددة.

وهو مصطلح يأخذ في الاعتبار التأثير التراكمي للأخطاء السابقة. يدمج المصطلح المتكامل الخطأ مع مرور الوقت ويعوض الأخطاء التي لا يتم إزالتها من خلال الحدود النسبية وحدها. تكون مخرجات التحكم المتكامل متناسبة مع الخطأ لفترة زمنية محددة.

هذا هو التعبير الرياضي للتكامل:

I = Ki* e(t).

حيث:

الناتج المتكامل هو I.

المكسب المتكامل هو عامل ضبط آخر الذي يحدد مدى سرعة تراكم الحدود المتكاملة.

الخطأ المتكامل هو e(t).

تساعد المصطلحات المتكاملة على تقليل خطأ الحالة الثابتة من خلال ضمان وصول درجة حرارة العملية إلى النقطة المحددة حتى عندما لا يمكن استخدام المصطلح النسبي. ومع ذلك، فإن الإفراط في اتخاذ إجراء تكاميلي قد يؤدي إلى تذبذب أو عدم استقرار، ولا سيما عند تحقيق مكاسب تكاملية كبيرة. المكسب المتكامل (Ki)، مثل المصطلحات النسبية، يحتاج إلى ضبطه بعناية للحفاظ على استقرار النظام مع القضاء على أخطاء الحالة الثابتة.

التحكم الاشتقاقي

وهو يتنبأ بالأخطاء في المستقبل بناءً على مدى سرعة تغير الخطأ. يحسب مصطلح المشتق مدى سرعة تغير الخطأ ثم يستخدم هذه المعلومات لإنتاج مدخلات التحكم التي تساعد على تخفيف التذبذبات، وتحسين استقرار النظام. الناتج المشتق من نظام التحكم يتناسب مع الخطأ المشتق بالنسبة للوقت.

هذا هو التعبير الرياضي للحد المشتق:

D = Kd*de (t)/dt.

حيث:

الناتج المشتق هو D.

Kd، أو كسب المشتق هو عامل ضبط يتحكم في استجابة التحكم للتغيرات في معدل الخطأ.

الاشتقاق de(t/dt) للخطأ بالنسبة للوقت يمثل المعدل الذي يتغير فيه الخطأ.

وهو مفيد بشكل خاص للتنبؤ بسلوك النظام ومنع التذبذبات والتجاوز. يعمل المصطلح المشتق كقوة استقرار تساعد على تحسين استجابة النظام. مصطلح المشتق حساس للضوضاء التي يمكن أن تحدث في قياسات الاستشعار. وهذا يمكن أن يسبب سلوكا غير منتظم. لتعظيم فوائد السيطرة على المشتقة، من المهم تحديد بعناية مكاسب المشتقة (Kd).

من المهم ضبط مكاسب معرفات البيانات الثلاثة، Kp و Kd، من أجل أن يكون نظام التحكم في معرفات البيانات فعالاً. تتضمن عملية ضبط تعريف الهوية الشخصي تحديد المكاسب المثلى لأداء التحكم المطلوب. وهذا يشمل تقليل تجاوز الهدف وأوقات التسوية، وكذلك أخطاء الحالة الثابتة. بالنسبة لضبط تعريف المعلمات الشخصي، هناك العديد من الطرق، من الخوارزميات التلقائية إلى التقنيات اليدوية.

طريقة زيغلر نيكولز هي واحدة من أساليب الضبط اليدوي الأكثر شعبية. تتضمن الطريقة خطوتين. أولاً، تحديد المكسب النهائي للعملية (Ku)، ثم مدة الدورة النهائية (Tu). ويتم ذلك عن طريق زيادة الكسب بشكل متناسب حتى يبدأ النظام بالتذبذب عند تردد ثابت. ثم يمكنك استخدام قيم Ku و Tu لتحديد قيم Kp و Kd و Ki بناء على الصيغ التجريبية. إن طريقة زيغلر نيكولز، على الرغم من بساطتها ونقطة انطلاقها العظيمة، قد لا تعمل مع كل نظام وتتطلب ضبطًا دقيقًا إضافيًا.

من ناحية أخرى، توفر تقنيات التوليف القائمة على البرمجيات مرونة أكبر وأكثر كفاءة للعمليات المعقدة. فهي تستخدم خوارزميات متقدمة مثل الضبط التكيفي وتحسين النموذج لتحليل ديناميكيات العملية. وهذا يسمح لهم بحساب أفضل مكاسب تعريف الهوية الشخصي تلقائيا. وتكون الطريقة القائمة على البرمجيات مفيدة بشكل خاص في الحالات التي يكون فيها الضبط اليدوي صعباً أو مستغرقاً للوقت أو قد تتغير فيها ديناميات العملية بمرور الوقت.

وبغض النظر عن الطريقة المستخدمة، فإن ضبط تعريفات المعلمات يتطلب المراقبة والتعديل. لضمان الأداء المطلوب، يجب التحقق من المكاسب المختارة في النظام الحقيقي. توفر العديد من وحدات التحكم المتقدمة في تعريف المنتج أدوات لمراقبة عملية التحكم وتصور استجابة النظام. كما أنها تسهل عملية الضبط.

تحسين السلامة: يساعد جهاز التحكم في تعريف الهوية الشخصي في الحد من مخاطر السلامة من خلال التأكد من أن العمليات تجري ضمن حدود درجات الحرارة الآمنة.

تحسين الكفاءة: التحكم في درجة الحرارة عند مستوى ثابت يحسن كفاءة العمليات، مع الحد من استهلاك النفايات والطاقة.

تقليل وقت التعطل: تعمل وحدات التحكم في تعريف الهوية الشخصية على تقليل وقت التعطل من خلال منع تلف المعدات والحفاظ على استمرارية التشغيل.

تلعب أنظمة التكييف دوراً حيوياً في الحفاظ على بيئة داخلية صحية ومريحة. وتعتمد هذه الأنظمة على أجهزة التحكم في درجة الحرارة التي تستخدم خوارزميات تعريف المنتج للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة.

ويشمل دور ضوابط درجة الحرارة في نظم التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ما يلي:

وتتحكم أجهزة التحكم في تعريف المنتج الخاص بالتسخين في مخرجات السخانات مثل الغلايات والأفران لتحقيق درجة الحرارة المطلوبة في الغرفة.

التبريد: تتحكم أجهزة التحكم في تحديد الهوية الشخصية في نظام التبريد، مثل مكيفات الهواء والمبردات وما إلى ذلك، من أجل الحفاظ على درجة الحرارة الداخلية عند نقطة الضبط.

التحكم في الرطوبة: يمكن لبعض أجهزة التحكم في تحديد الهوية الشخصية أيضًا تنظيم مستويات الرطوبة والمساهمة في الجودة العامة للهواء الداخلي.

الوفورات في الطاقة والتكاليف:

4. أهمية التحكم في درجة الحرارة في التجارب هي:

وفيما يلي بعض مزايا استخدام أجهزة التحكم في تعريف المعلمات لأغراض البحث:

تحسين الدقة: تتميز وحدات التحكم في تحديد الهوية الشخصية بدقة عالية وتضمن إجراء التجارب في بيئة قابلة للتكرار.

زيادة الموثوقية: تقلل وحدات التحكم في تعريف الهوية الشخصي من مخاطر تقلبات درجات الحرارة، التي يمكن أن تؤثر على النتائج التجريبية.

يمكن بسهولة تكوين أجهزة التحكم في تعريف المنتج المرن لتلبية احتياجات التحكم في درجة الحرارة الخاصة بتجارب مختلفة.

5. زيادة الاستقرار والدقة:

ومن المعروف أن أجهزة التحكم في أجهزة تعريف الهوية الشخصية عالية الدقة والثبات. ويسمح الجمع بين الضوابط النسبية والمتكاملة والمشتقة بالتحكم الدقيق في متغيرات العملية، مع ضمان بقاء درجة الحرارة قريبة من النقاط المحددة المطلوبة حتى عندما تكون هناك اضطرابات.

6. تقليص زمن تجاوز الهدف وأوقات التسوية:

تقوم وحدات التحكم في تعريف المنتج بتقليل وقت تجاوز الحد ووقت الاستقرار بمقدار كبير مقارنة بالطرق البسيطة للتحكم. تجاوز الحد هو مدى تجاوز متغيرات العملية للنقطة المحددة، قبل أن تستقر. يشير وقت التسوية إلى الوقت الذي يستغرقه المتغير ليحقق ويظل ضمن نطاق التسامح المحدد حول النقطة المحددة. من الممكن الحد من تجاوز الحد من خلال ضبط مكاسب تعريف المنتج بعناية. وسيؤدي ذلك إلى زيادة سرعة وقت التسوية وتحكم أكثر استجابة وكفاءة.

7. قابلية التكيف مع سيناريوهات الرقابة المختلفة

ويمكن لأجهزة التحكم في تعريف الهوية الشخصية أن تتكيف مع مجموعة متنوعة من السيناريوهات، تتراوح بين البسيط والمعقد. وهي مرنة ويمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. وهذا يشمل تلك التي لديها ديناميكيات خطية أو عمليات غير خطية.

التعقيد في الضبط والتنفيذ

قد يكون تعقيد ضبط وتنفيذ أجهزة التحكم في تعريف الهوية الشخصية تحديًا. هناك حاجة لفهم جيد لديناميات العملية لضبط وحدة تحكم تعريف المنتج بشكل صحيح. قد تنطوي على تعديلات التجربة والخطأ، وتتطلب معرفة أو خبرة خاصة. كما يمكن أن يكون تنفيذ تعريف المنتج معقدًا، حيث يتطلب تكامل عناصر أجهزة وبرمجيات متعددة.

8. إنجراف المستشعر والضوضاء ممكنة

أجهزة استشعار درجة الحرارة هي عامل رئيسي في دقة أجهزة التحكم في تعريف المعلمات. يمكن أن يتسبب انحراف المستشعر في قياسات غير دقيقة لدرجة الحرارة وضعف أداء جهاز التحكم. ضوضاء في جهاز الاستشعار#يمكن أن تؤثر إشارة 39 على أداء المتحكم أيضًا. يمكن أن تأتي هذه الضوضاء من التداخل الكهربائي أو الاهتزازات الميكانيكية أو عوامل أخرى.