فهم دائرة جهاز التحكم في درجة حرارة معرِّف المعلمات: تحليل تفصيلي

1. المقدمة

تنظيم درجة الحرارة هو شرط لعدد لا يحصى من التطبيقات الصناعية والعلمية والتجارية. من أجل الكفاءة التشغيلية وسلامة وسلامة المنتج، فضلا عن الاستخدام الأمثل للطاقة، من الضروري الحفاظ على ظروف حرارية دقيقة. تتطلب العمليات الحديثة الدقة والاستجابة، ولكن طرق التحكم في درجة الحرارة التقليدية غالبا ما تكون قاصرة. ولمعالجة هذه القيود، وُضعت استراتيجيات مراقبة متطورة، تحظى خوارزمية التحكم التناسبية -الاشتقاقية المتكاملة (PID) بالأهمية. يتم تنفيذ هذه الخوارزمية بطريقة متطورة للغاية عن طريق دائرة التحكم في درجة الحرارة PID. ويسمح التنظيم الدقيق لمتغيرات العملية باستخدام التغذية المرتدة المقدمة من أجهزة استشعار درجة الحرارة. الغرض من المقالة هو أن تكون استكشافا شاملا لدائرة وحدة التحكم في تعريف المنتج. تصف هذه المقالة مكوناتها، وتشرح المبادئ الأساسية التي تحكم عملها في نظام التحكم في الحلقة المغلقة، وتفحص طرق التنفيذ المشتركة والنظر في عملية الضبط. وسيوفر هذا التحليل المتعمق للقراء فهما شاملا لتكنولوجيا الإدارة الحرارية.

2. المكونات الأساسية في أجهاز التحكم في درجة الحرارةالدائرة

وحدة وحدة التحكم في تعريف المنتج نفسها والمقارنة أو مكتشف الخطأ والمحرك كلها مكونات أساسية يجب أن تعمل معًا. مستشعر درجة الحرارة هو واحد من المكونات. وتشمل العناصر الأخرى المقارنة وجهاز كشف الأخطاء ووحدة تعريف المعلمات والمشغل وإمداد الطاقة. العديد من التطبيقات العملية تشمل أيضا واجهة الإنسان -الآلة للمستخدم#تفاعل 39. كل هذه المكونات تلعب دورا فريدا وهاما في عملية التحكم.

مستشعر درجة الحرارة هو عنصر الاستشعار الرئيسي في الدائرة. جهاز استشعار درجة الحرارة#وظيفة 39;s الأساسية هي قياس بدقة متغير العملية المطلوبة. تؤثر دقة قياس درجة الحرارة وجودتها بشكل مباشر على كفاءة نظام التحكم. هذه الدوائر تستخدم مجموعة واسعة من أجهزة استشعار درجة الحرارة، وكلها ذات خصائص فريدة. المزدوجات الحرارية هي نوع شائع، لأنها تولد الجهد الذي يتناسب مع درجة الحرارة. كما أنها معروفة بكونها قوية ولديها مجموعة واسعة من العمليات. كاشفات درجة حرارة المقاومة، وعادة ما تكون مصنوعة من البلاتين، هي عالية الدقة وتوفر دقة عالية، وخاصة على مدى معين. المقارن/كاشف الأخطاء:

ويشكل أساس المقارنة عنصرا حاسما في نظام التحكم في كشف الهوية الشخصية. وهو يقوم بهذه الوظيفة بعد أن يأخذ جهاز الاستشعار القياسات. يقارن ارن درجة حرارة العملية المقاسة مع درجة حرارة النقطة المحددة التي يحددها المستخدم النهائي. نتيجة هذه المقارنة هي إشارة خطأ التي تمثل رياضيا الفرق بين القيمة الفعلية والنقطة المحددة المطلوبة. ثم يقوم جهاز التحكم في تحديد الهوية الشخصية بتغذية إشارة الخطأ هذه إلى وحدته. يتم تغذية إشارة الخطأ هذه مباشرة في وحدة وحدة التحكم في تعريف المنتج.

وحدة مراقب وحدة تحديد الهوية الشخصية:

هذه الوحدة تعمل كمخ الدائرة وهو مسؤول عن معالجة إشارات الخطأ وإنتاج إخراج التحكم الصحيح. يتم تنفيذ هذه الوحدة بطرق متنوعة، ولكن اثنين من الطرق الرئيسية هي الأكثر شيوعا: الدوائر الرقمية باستخدام DSPs أو المتحكم الدقيق. المنطق الأساسي هو نفسه بغض النظر عن التنفيذ. وهو ينطوي على حساب المساهمات لثلاثة مصطلحات لتحديد الهوية الشخصية، وهي التكاملية النسبية والاشتقاقية.

المدى النسبي (P): هذا المصطلح ينتج إشارة خرج تتناسب مباشرة مع حجم الخطأ. يبدأ المصطلح التناسبي في اتخاذ إجراء تصحيحي أقوى إذا انحرفت درجة الحرارة عن النقطة المحددة. المصطلح النسبي هو رد فعل أولي سريع لإعادة درجة الحرارة نحو الهدف.

المصطلح المتكامل (I): يستخدم هذا المصطلح المتكامل لمعالجة تراكم الأخطاء. يدمج المصطلح المتكامل إشارات الخطأ مع مرور الوقت لإنتاج إشارة التحكم التي ستزيد (أو تنقص) في الاستجابة طالما كان هناك خطأ، بغض النظر عن صغره. المصطلح المتكامل#الهدف الأساسي ل 39 هو إزالة أي خطأ حالة ثابتة. وهذا هو، للتأكد من أن درجة الحرارة تستقر بالضبط في نقطة معينة وليس قليلا.

المصطلحات المشتقة (D): مصطلح المشتقة هو التنبؤ بالأخطاء المستقبلية، استنادا إلى مدى سرعة تغير معدل الخطأ. تم تصميم مخرج التحكم لمواجهة التغيرات في الخطأ التي تحدث بسرعة. يساعد على تخفيف أي تذبذبات قد تحدث عندما تكون شروط P-I عدوانية للغاية. وهذا يمنع تجاوز درجة الحرارة لنقطتها المحددة، ويسمح لها بالاستقرار بسلاسة. وهذا يساعد أيضا على تسريع وقت الاستجابة الأولية من خلال توقع أي تصحيحات قد تكون مطلوبة.

ثم يتم تشكيل إشارة التحكم الكلي هذه عن طريق الجمع بين مخرجات حسابات P و D و I. الإشارة المستخدمة لتمثيل درجة الحرارة المطلوبة هي عادة تيار كهربائي أو جهد كهربائي.

وهو المُشغل الذي يقوم بتنفيذ الأوامر التي يتم إنشاؤها بواسطة أداة التحكم في تعريف المنتج. المشغل#وظيفة 39;s الرئيسية هي ضبط مدخل الحرارة أو التبريد في العملية لتقليل الخطأ المكتشف من قبل المقارنة. في دوائر التحكم في درجة الحرارة، المشغلات الشائعة هي عناصر التسخين الكهربائية مثل الملفات المقاومة (سخانات الجرح السلكية)، والتي تزيد من درجات حرارة العملية. وتشمل عناصر التبريد أجهزة Peltier (التبريد الحراري) أو المراوح، والتي تقلل من درجات حرارة العملية. وكثيرا ما تستخدم المرحلات ذات الحالة الصلبة للتحكم في عناصر التدفئة والتبريد هذه. مرحلات الحالة الصلبة (SSRs) هي مفاتيح حالة جامدة إلكترونية يمكنها التحكم في الطاقة إلى الحمل بدقة.

مصدر الطاقة:

ومن الضروري توفير مصدر طاقة مستقر وكاف وموثوق به لجميع المكونات الإلكترونية في دائرة تعريف المعلمات. تقوم وحدات إمداد الطاقة بتحويل الجهد الرئيسي (على سبيل المثال AC 230 فولت، DC 24 فولت، إلخ) إلى جهد التيار المستمر الذي تحتاج إليه أجهزة الاستشعار، والمقارنة، ووحدات التحكم في تعريف المنتج، ومشغلات المشغل (إذا لزم الأمر)، و HMI. يجب أن يكون تصميم مصدر الطاقة قويا وقادرا على التعامل مع التيار بأكمله مسحوبا بواسطة الدائرة في جميع الظروف.

واجهة الإنسان -الآلة:

3. كيف أنجهاز التحكم في درجة الحرارةدائرة العمل: دائرة التحكم

من الأسهل فهم تشغيل دوائر التحكم في درجة الحرارة باستخدام مفهوم نظام الحلقة المغلقة، والذي يمكن أيضا أن يشار إليه باسم نظام التحكم في التغذية الراجعة. يراقب النظام ويضبط باستمرار لتقليل انحراف النقطة المحددة. هذه العملية هي دورة ثابتة.

ألف -نظام التعقيبات:

1. مجس درجة الحرارة: يقيس المجس باستمرار درجة الحرارة الموجودة في العملية.

2. ثم تقوم المرحلة المقارنة بمعالجة البيانات الأولية في درجة الحرارة، والتي يتم التعبير عنها عادة كتغير في الجهد أو المقاومة. اعتمادا على نوع المستشعر، قد تنطوي هذه المعالجة على تكييف الإشارة، مثل التضخيم أو الخطوط.

3. مخرجات المقارنة هي درجة الحرارة المقيسة، في شكل مناسب للتحكم في معرفات المعلمات (مثل الجهد).

4. وسوف تستخدم وحدة تعريف درجة الحرارة بعد ذلك قيمة قياس درجة الحرارة هذه كمدخلات.

باء -حساب مؤشرات الهوية الشخصية:

1. يتم حساب إشارة الخطأ داخل وحدة التحكم في تعريف المعلمات عن طريق الفرق بين درجة الحرارة المقاسة ودرجات الحرارة المحددة مسبقًا (الخطأ = قياس درجة الحرارة -سيتنبوينت).

2. خوارزمية تعريف الهوية PID تستخدم هذا الخطأ كمدخلات أساسية. تتم معالجة هذا الخطأ من قبل وحدة التحكم مع مرور الوقت. وهي تحسب مساهمة المصطلحات النسبية المتكاملة والمشتقة باستخدام منطقها الداخلي (Kp)، ومعلمات الضبط.

3. يتم توليد إشارة التحكم الكلي هذه بواسطة وحدة تحكم PID. إيتد#39;s مجموع (أو التركيبات المرجحة) مخرجات P و D و I. إشارة التحكم هي مستوى التصحيح المطلوب. خطأ موجب، مثل درجة الحرارة الفعلية > عادة ما تؤدي النقطة المحددة إلى إشارات تحكم إيجابية، والتي تشير إلى الحاجة إلى التسخين، في حين أن خطأ انحراف سلبي، عادة ما يؤدي إلى إشارات تحكم سلبية، والتي تشير إلى الحاجة إلى التبريد. يتم تحديد شدة إشارة التحكم من خلال حجمها.

جيم -التشغيل:

1. يتم إرسال إشارة التحكم إلى المشغل، والتي عادة ما تأتي من وحدة التحكم في تعريف المنتج على شكل جهد أو تيار.

2. يتم استقبال هذه الإشارة من قبل المشغل، الذي يقوم بعد ذلك بتحويل ذلك إلى أفعال فيزيائية. سوف يزيد المشغل من كمية الطاقة المسلمة إلى السخان إذا كانت الإشارة من SSR تشير إلى أن العملية تحتاج إلى تسخين. إذا لزم التبريد، يمكن لمحرك تنشيط بلتيير أو المروحة. كجهاز حالة صلبة، يسمح SSR بتعديل سلس لقوة التسخين/التبريد على أساس إشارات التحكم، مما يؤدي إلى تنظيم أكثر دقة لدرجة الحرارة.

دال -نظام الاستجابة:

1. يؤثر عمل المشغل بشكل مباشر على درجة حرارة النظام. وعندما تبدأ درجة حرارة النظام في الارتفاع، يبدأ في التحرك نحو النقطة المحددة المطلوبة.

2. أجهزة استشعار درجة الحرارة تقيس باستمرار القيمة كلما تغيرت.

3. تتكرر الدورة: القياس، والمقارنة، وحسابات معرفات الضغط، والتشغيل.

شرح التأثيرات P و I و D

التفاعل بين P و D و I هو ما يحدد السلوك الديناميكي والاستقرار في الحلقة. المصطلح التناسبي يعطي رد فعل فوري يتناسب مع الخطأ. هذا يساعد على تقليل الانحراف بسرعة، ولكن قد يترك بقايا. التكامل يزيل أخطاء الحالة الثابتة مع مرور الوقت، عن طريق إضافة الخطأ. قد يُحدث المصطلح المتكامل تأخرًا، ومع ذلك، إذا كان الخطأ يتغير ببطء أو يحدث التصحيح المتكامل (حيث يصبح المصطلح المتكامل كبيرًا جدًا). ومن خلال عكس التغير السريع في الخطأ، فإنه يزيد من الاستقرار. يعمل المصطلح المشتق كجهاز تخميد، مما يحسن سلاسة استجابة النظام. من المهم إيجاد التوازن المثالي عند ضبط مكاسب P و I و D (Kp Ki Kd). هذه هي الطريقة الوحيدة لتحقيق التحكم السريع والدقيق والمستقر في درجة الحرارة.

4. تقنيات التنفيذ المشتركة

يمكنك تنفيذ خوارزمية تعريف المنتج باستخدام مكونات إلكترونية تناظرية، أو معالجات رقمية دقيقة. ولكل طريقة مزاياها وعيوبها الخاصة.

ألف -تنفيذ تناظري باستخدام تقنية Op-Amps:

ويبنى جهاز التحكم التناظري في درجة الحرارة بواسطة المضخمات التشغيلية مع المقاومات والمكثفات. وعادة ما يتم تشكيل مكتشف الخطأ/المقارن باستخدام المضخمات التفاضلية ومضخمات الجمع. يتم استخدام شبكة المقاوم لإنشاء تقسيم الجهد المتناسب مع الخطأ. I-term يستخدم التكامل (عادة أوamp في حلقة تغذية راجعة مع سعة)، حيث يتم استخدام الجهد الناتج لتكامل الخطأ. ويطبق مصطلح د عادة مع دائرة تفاضلية، والتي يمكن أن تكون أقل شعبية في العالم الحقيقي بسبب حساسية الضوضاء. كما يمكن تقريبها باستخدام مرشح تمرير منخفض ومضخم مشتق على إشارات الخطأ. التطبيقات التناظرية هي أبسط وأسرع وأكثر دقة للتطبيقات البسيطة. ومع ذلك، فإنها يمكن أن تكون حساسة للضوضاء الكهربائية، وتحمل المكونات والانحراف في درجة الحرارة. قد يتطلب ضبط مقياس الجهد تعديلات يدوية، في حين أن تحقيق الدقة العالية أمر صعب. دوائر تعريف المعلمات التناظرية هي حل جيد للتحكم البسيط في درجة الحرارة حيث يكون الأداء#39 حالة حرجة.

باء -التنفيذ الرقمي باستخدام المتحكمات الدقيقة أو معالجات الإشارات الرقمية

في السنوات الأخيرة، يتم تنفيذ أنظمة التحكم في درجة حرارة أجهزة تعريف المعلمات الرقمية، وعادة ما يتم ذلك باستخدام المتحكم الدقيق أو معالج الإشارة الرقمية. تستخدم المحولات التناظرية إلى الرقمية (ADC) لتحويل القيم التناظرية من أجهزة استشعار درجة الحرارة إلى قيم رقمية. ثم تقوم وحدة MCU/DSP بتنفيذ خوارزمية PID على أساس البرامج الروتينية المخزنة في الذاكرة. حسابات تعريف المنتج الرقمي هي عمليات رياضية بسيطة يتم إجراؤها على قيم الخطأ الرقمي. ومن ثم سيقوم جهاز التحكم بإنتاج إشارة رقمية بعد حساب المخرجات P و I و D. يمكن إرسال الإشارة مباشرة إلى المحول الرقمي إلى التناظري لإنشاء جهد تناظري للتحكم في SSR أو استخدامها لتوليد إشارة تعديل عرض النبض (PWM)، والتي تكون فعالة بشكل خاص للتحكم في SSR ومشغلات أخرى. التطبيق الرقمي له العديد من المزايا عن الطريقة التناظرية. وللجنة المساعدة الإنمائية/المحوِّل استبانة محدودة تسمح للبرامجية بتعديل وضبط بارامترات استبانة المعلمات بسهولة. كما أنه يوفر مرونة أكبر عند دمج التشخيص أو استراتيجيات التحكم المتقدمة. كما يتم ربط أجهزة التحكم الرقمية بسهولة مع الأنظمة الرقمية الأخرى للتحكم والرصد (مثل أجهزة الكمبيوتر أو الشبكات). من المهم الحصول على معرفة برمجية وقوة حسابية، لكن وحدات المعالجة المركزية الحديثة يمكنها التعامل مع معظم حسابات تعريف الهوية الشخصي.

5.ضبط البارامترات:

الكسب النسبي (Kp). المعلمة التي تحدد مدى استجابة النظام للخطأ. يمكن أن يؤدي ارتفاع Kp إلى استجابات أسرع، لكنه قد يزيد أيضا التذبذب وعدم الاستقرار.

معامل الربح المتكامل (Ki). وهو مقياس للأثر التراكمي للأخطاء السابقة. كي الأعلى يمكن أن يساعد على القضاء على الخطأ أسرع، لكنه قد يسبب أيضا النظام للاستجابة أبطأ وأكثر حساسية للضوضاء.

(بالإنجليزية: Derived Gain). المؤشر هو مؤشر للأخطاء المستقبلية، استنادا إلى تغيرات المعدل. أعلى Kd تخمد التذبذبات أفضل، ولكن يمكن أيضا أن تكون أكثر حساسية للضوضاء في القياس. هذا يمكن أن يؤدي إلى سلوك غير منتظم.

أساليب التوليف المشتركة:

طريقة زيغلر نيكولز: إنها تجربة تجريبية واسعة الاستخدام تتطلب خطوتين. أولاً، تحديد "الفائدة النهائية" (Ku)، و "الفترة النهائية" (Tu) للنظام. وهذا ينطوي تدريجيا زيادة نسبة كسب (Kp) حتى التذبذبات تصل إلى تردد ثابت (المعروف باسم الدورة النهائية). ويتم حساب المكاسب الناتجة عن تحديد الهوية المسبقة باستخدام صيغ تستند إلى Ku أو Tu وهذه الطريقة، على الرغم من كونها بسيطة نسبياً، هي الأنسب للعمليات من الدرجة الأولى حسنة السلوك. قد تحتاج إلى تعديل لتطبيقات أعلى رتبة أو غيرها من التطبيقات، مثل الرقمية مقابل التناظرية.

برامج الموالفة التلقائية: تحتوي معظم وحدات تحكم معرِّف المعلمات الرقمي الحديثة على خوارزمية الموالفة التلقائية المدمجة فيها. وتضبط الخوارزميات معلمات تعريف الهوية الشخصي تلقائيا من خلال تطبيق الاضطرابات ومراقبة الاستجابات. يمكن للمستخدم تقليل جهود الضبط بمقدار كبير.

التوليف اليدوي: قد يكون هذا ضروريًا في بعض الحالات، خاصة في الأنظمة البسيطة، أو عندما لا يكون التوليف التلقائي متاحًا. وهو ينطوي على تعديل قيم Kd, Ki و Kp بشكل متكرر، استنادا إلى استجابات النظام الملاحظة، وذلك باستخدام قواعد التجربة، أو أساليب الرسم التفصيلي.

بغض النظر عن الطريقة المستخدمة، من المهم اختيار مجموعة قيم Kp و Kd و Ki التي من شأنها أن تؤدي إلى نظام تحكم مستقر ودقيقة ومستجيب، والحفاظ على درجة حرارة العملية قريبة من نقطة ضبطها، مع تجاوز قليلا أو التذبذب.

6. مزايا استخدام دائرة التحكم في درجة حرارة PID

إن اعتماد دائرة وحدة التحكم في تعريف المعلمات له عدة مزايا عن طرق التحكم الأخرى، خاصة في التطبيقات التي تتطلب دقة عالية وموثوقية عالية.

الدقة العالية والتحكم المحكم: لأن خوارزمية تعريف الهوية المسبق يمكن أن تحسب الإجراءات التصحيحية على أساس الأخطاء، فهي قادرة على الحفاظ على درجة حرارة العملية قريبة جدا من نقطة ضبطها. وهذا يسمح بالتحكم في درجة الحرارة بشكل أكثر دقة من أجهزة التحكم في تشغيل إيقاف التشغيل (بانغ بانغ).

انخفاض تجاوز الحد والاستجابة الأسرع: بالمقارنة مع ضوابط التشغيل/إيقاف التشغيل، حيث يمكن أن تتجاوز درجة الحرارة قبل تثبيت النقطة المحددة، يمكن أن يجعل معرّف المعلمات درجة الحرارة قريبة من النقطة المحددة أسرع وبانحراف أقل. وهذا يمكن أن يؤدي إلى استجابة عامة أسرع.

تحسين الاستقرار وتقليل التذبذبات: تساعد المشتقات في خوارزميات تحديد الهوية المعلمة على تخفيف التذبذبات التي يمكن أن تحدث بخلاف ذلك عن طريق التحول العنيف الذي يحدث مع وحدات تحكم أبسط. تصبح عملية التحكم في درجة الحرارة أكثر سلاسة واستقرارا.

التعامل مع الاضطرابات بفاعلية: بشكل عام، يمكن لأنظمة تحديد الهوية الشخصية التعامل مع الاضطرابات بشكل أفضل -التغيرات غير المتوقعة للبيئة أو العملية. حلقة التغذية الراجعة مستمرة، مما يسمح للمتحكم بتحديد الانحرافات في الوقت الحقيقي وإجراء التعديلات وفقا لذلك. وهذا يساعد على الحفاظ على نظام مستقر.

7. العيوب الاعتبارات

دائرة تعريف الهوية الشخصي لا تخلو من التحديات

يمكن أن يكون تصميم وتنفيذ وضبط أجهزة التحكم في تعريف المعلمات أكثر تعقيدًا من أجهزة التحكم البسيطة في التشغيل غير المباشر. ومن المهم فهم خوارزميات وديناميات استبانة الهوية الشخصية للعملية التي يجري التحكم فيها.

الموالفة: الموالفة المناسبة، كما ذكر سابقا، ضرورية. قد يستغرق الأمر وقتًا طويلاً للعثور على أفضل قيم تعريف الهوية المعلوماتية. الخبرة غالبا ما تكون مطلوبة. قد يؤدي سوء الضبط إلى أداء دون المستوى الأمثل أو غير مستقر.

حساسية الضجيج: تحكم#يمكن أن يتأثر مصطلح s الأساسي بالضوضاء من إشارة مستشعر درجة الحرارة أو أي جزء آخر من الدائرة. قد يكون من الضروري لوحدة التحكم استخدام تقنيات التصفية من أجل ضمان تشغيل موثوق به.

تكاليف المكونات: تحتاج التطبيقات الرقمية إلى وحدات تحكم دقيقة و DSPs وكذلك ADCs و DACs.