ما هو جهاز التحكم في درجة الحرارة؟

1. المقدمة

تنظيم درجة الحرارة هو شرط أساسي لمجموعة واسعة من التطبيقات في الإعدادات الصناعية والعلمية والتجارية. الظروف الحرارية المستقرة ليست مجرد اختيار، ولكن مطلب لكثير من التطبيقات. ويمكنها ضمان الكفاءة التشغيلية، وحماية سلامة المنتجات أو المواد، وتلبية لوائح السلامة، وتحسين استخدام الطاقة، وما إلى ذلك. إن منظمات الحرارة العاملة والإيقاف في كل مكان غير قادرة على تلبية احتياجات اليوم#تطبيقات الـ 39;s التي تتطلب تحكمًا دقيقًا وثباتًا. وللتغلب على هذه القيود، وُضعت استراتيجيات مراقبة متطورة تمثِّل خوارزمية المراقبة النسبية -الاشتقاقية المتكاملة حجر الزاوية فيها. هذا الجهاز، التحكم في درجة حرارة PID، يطبق هذه الخوارزمية ويقدم حلاً فعالاً وموثوقاً لمشاكل تنظيم درجة الحرارة. وسوف تقدم المقالة استكشافاً متعمقاً عن ماهية جهاز التحكم في معرفات البيانات، باستخدام جهاز تحكم معرفات البيانات الذي ينظم درجة الحرارة داخل حاوية صغيرة كمحور رئيسي له. يقدم هذا المقال استكشافًا تفصيليًا لمعنى جهاز التحكم في درجة حرارة تعريف المنتج، مستخدمًا تركيزه الرئيسي مثالاً محددًا مصممًا لتنظيم درجة الحرارة الداخلية في حاوية إلكترونية صغيرة. من خلال تحليل وفحص هذا المثال الخاص، ووصف تشغيله في نظام الحلقة المغلقة، وتوضيح تطبيقه ومناقشة عملية ضبطه، يمكنك الحصول على فهم متعمق وملموس حول كيفية عمل تعريف الهوية الشخصي في الممارسة العملية. والهدف هو تقديم عرض مفصل وواضح يلبي احتياجات E-E-A. معيار T (الخبرة الفنية والخبرة والأذن) في مجال ضبط درجات الحرارة ونظم التحكم.

2. The PID Algorithm: Proportional-Integral-Derivative Explained (باللغة الإنجليزية)

ويُعَد تعريف الهوية الشخصي النواة الفكرية لضوابط درجة الحرارة المتطورة. خوارزمية تعريف الهوية الشخصية#وظيفة 39;s الأساسية هي حساب التصحيح على أساس مقارنة الحالة المقاسة والمطلوبة للنظام. الإجراءات التصحيحية#الهدف 39;s هو تقليل الفرق، والمعروف أيضًا باسم إشارة الخطأ. فحص PID&#الأجزاء المكونة لـ 39;s ستساعدنا على فهم الخوارزمية بشكل أفضل.

يتم اشتقاق إشارة الخطأ أولاً من خلال مقارنة بسيطة جدًا ولكنها حاسمة. نقطة الانطلاق هي درجة الحرارة المطلوبة للنظام. يمكن للمستخدم تحديد درجة الحرارة المستهدفة. كما أن متغير العملية مهم أيضًا، حيث أن درجة الحرارة هي التي يتم قياسها حاليًا بواسطة جهاز الاستشعار في النظام. الفرق بين Setpoint و Process variable هو إشارة الخطأ: Error = Setpoint-Process variabe. هذا الخطأ#39; حجم وإشارة يحدد الإجراءات التصحيحية.

يحسب تعريف المنتج الإجراءات التصحيحية على أساس ثلاثة مكونات يساهم كل منها في جانب معين من جوانب التحكم.

مصطلح نسبي (P): ينتج هذا المصطلح إشارة تحكم تتناسب طرديًا مع حجم إشارة الخطأ. ويمكن التعبير عن ذلك رياضيا من خلال P_output = Error*Kp حيث Kp هو المكسب النسبي. هذا الكسب النسبي هو ما يحدد قوة الاستجابة للخطأ. ويزداد الكسب النسبي مع حدوث خطأ أكبر، والعكس صحيح. P term&#وظيفة s الأساسية هي تقليل الخطأ على الفور. وكثيرا ما تسفر عن أخطاء متبقية ؛ على سبيل المثال، قد لا يحقق النظام النقطة المحددة بالضبط ويستمر في الانجراف.

المصطلح المتكامل (I): يشير هذا المصطلح إلى تراكم الأخطاء مع مرور الوقت. يتم دمج إشارة الخطأ مع مرور الوقت، وعادة ما تتمثل في I_output=Ki * Errordt حيث Ki يمثل الربح المتكامل. المصطلح I يلخص باستمرار إشارة الخطأ. الهدف الأساسي من الحد I هو إزالة أخطاء الحالة الثابتة، الخطأ الصغير الذي يتركه الحد P-. يزيد المصطلح I من مخرجاته إذا استمر الخطأ، بغض النظر عن صغر حجمه. هذا سيقود المحرك لمحاولة إزالة الخطأ. يكون للمصطلح I عيب كبير إذا كان هناك خطأ متكرر (مثل التذبذب عند النقطة المحددة) لأن التكامل يمكن أن يؤدي إلى تجاوز أو عدم استقرار.

المصطلحات المشتقة (D): يعتمد هذا المصطلح على المعدل الذي تتغير به إشارة الخطأ. يتم حساب المشتقة (d(Error/dt)، والمخرج المتولد الذي يعارض التغيرات السريعة. رياضيا D_output يساوي Kd*d (Error/dt), حيث Kd تمثل المكسب المشتق. د) يعمل كقوة تخميد) المصطلح D يتنبأ بالأخطاء في المستقبل على أساس الاتجاهات الحالية ويسلس إشارات التحكم. يقلل التوقع من التذبذبات التي قد تحدث عندما تكون شروط P أو I عدوانية بشكل مفرط ويسبب تقلب درجة الحرارة بشكل مفرط بين النقطة المحددة والخارج. D term يساعد أيضا على تسريع الاستجابة الأولية لأنه يتوقع الحاجة إلى التصحيحات قبل أن تصبح كبيرة. المصطلح D حساس للضوضاء التي يمكن أن تحدث في إشارة الخطأ ويمكن أن تسبب عمل وحدة التحكم بشكل متقطع.

وعادة ما يتم الجمع بين ثلاثة فترات عن طريق جمعها لإنشاء الإشارة النهائية. يستقبل المشغل هذه الإشارة لتنفيذ الإجراء المطلوب. ومن الأهمية بمكان تحقيق التوازن بين النقاط P و D و I وضبطها من أجل تحقيق المستوى المطلوب من الاستقرار والدقة.

3. ما الفرق بين وحدة التحكم؟ ودرجة الحرارة؟

A. الوضع ؛Controller"، في أبسط أشكاله، هو جهاز يقارن حالة النظام مع الحالة المطلوبة. ثم يقوم بتعديل المخرجات لتقليل الاختلافات بين الدولتين. يستخدم جهاز التحكم لمراقبة مستويات درجة الحرارة وتنظيم التسخين أو التبريد من أجل الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.

درجة الحرارة هي مقياس لمدى سخونة أو برودة مادة ما، وعادة ما تستخدم جهاز استشعار درجة الحرارة. وهو القياس الذي يستخدمه نظام تحديد الهوية المعلوماتي لتنظيم درجة حرارة العملية.

The "جهاز التحكم في درجة الحرارة" ؛ هو بالتالي مزيج من هذه المفاهيم. وهو يستخدم خوارزميات تحديد الهوية الشخصية (PID)، التي يتم تنفيذها في وحدة تحكم، لمقارنة درجة الحرارة المقاسة (العملية المتغيرة) مع درجة حرارة نقطة محددة، ثم يضبط عنصر التسخين أو جهاز التبريد (المشغل)، وفقا لذلك، للحفاظ على درجة الحرارة تلك.

4. المكونات الرئيسية في مراقب تعريف المنتج

في حين أن تعقيد نظام تعريف الهوية الشخصي يمكن أن يختلف، إلا أنه عادة ما ينطوي على عدة مكونات تعمل معًا. ومن المهم فهم هذه المكونات من أجل فهم معنى وهدف جهاز التحكم في درجة حرارة تعريف المعلمات.

واجهة مستشعر درجة الحرارة: المكون المسؤول عن قياس متغير العملية، درجة حرارة النظام. ومن المهم أن يكون لجهاز الاستشعار دقة وموثوقية عالية. الأنواع الأكثر شيوعا هي الثرمستورات (المعروف أيضا باسم كاشفات درجة حرارة المقاومة أو RTDs)، المزدوجات الحرارية وأجهزة الاستشعار الرقمية مثل DS18B20. ويعتمد اختيار المستشعر على مدى درجة حرارته ودقته وتطبيقه. وعادة ما يتصل بمنطق وحدة التحكم عبر واجهات رقمية مثل 1-أسلاك والإشارات التناظرية.

المتحكم بي آي دي#منطق المراقب/المراقب: الوظيفة الأساسية لجهاز التحكم هي حساب واستخدام إشارة الخطأ، وهي الفرق بين درجة حرارة النقطة المحددة ومتغير العملية. وهو يحتوي على برامج أو أجهزة تقوم بحساب التكاملات والمشتقات والتناسب النسبي، ثم تقوم بدمجها في إشارة التحكم النهائية. يمكن تطبيق هذا المنطق في متحكم دقيق.

المشغل هو جهاز يأخذ إشارة التحكم من وحدة التحكم المنطقية ويؤثر مباشرة على متغير العملية (درجة الحرارة). إنه المشغل#مسؤولية 39 لتنفيذ خوارزمية تعريف الهوية الشخصي المحسوبة الإجراءات التصحيحية. يشيع استخدام المرحلات ذات الحالة الصلبة في نظم التحكم في درجة الحرارة لتبديل عناصر التدفئة أو التبريد. ويمكن أيضا استخدام المرحلات الميكانيكية، ولكن هناك ميل إلى تفضيل مفاعلات إعادة التوجيه SSRs بسبب سرعات التبديل السريعة فيها وعدم وجود أجزاء متحركة فيها. يرسل المراقب إشارات محددة إلى المشغلات. وهذا يمكن أن يكون إشارة تعديل نطاق النبض (PWM)، إشارة الجهد/التيار المباشر أو مفتاح التحكم في إشارة SSR. يتحكم المشغل في كمية الطاقة التي يتم تسليمها إلى عنصر التبريد أو التسخين.

5. نظام التحكم بالحلقة المغلقة

تستخدم أنظمة الحلقة المغلقة التغذية الراجعة للتحكم في متغيرات العملية. غالبًا ما يتم تمثيل أنظمة الحلقة المغلقة من خلال التحكم في درجة حرارة تعريف المنتج.

يتم تنفيذ هذه العملية على النحو التالي: يرسل مستشعر درجة الحرارة المعلومات حول درجة الحرارة إلى جهاز التحكم المنطقي. ويقارن جهاز التحكم هذا القياس بدرجة حرارة النقطة المحددة. ويسمى هذا الاختلاف إشارة الخطأ. تتم معالجة إشارة الخطأ هذه بواسطة خوارزمية PID، والتي تولد استجابة تصحيحية. ثم يقوم المحرك بضبط التدفئة أو التبريد. الحساس يقيس درجة الحرارة الجديدة بعد التعديل، وهذا يستخدم لتوفير التغذية الراجعة. يتم استخدام هذه المعلومات الجديدة من قبل المراقب لتحديد الإجراء التصحيحي التالي. ثم تستمر الدورة. يتكيف النظام باستمرار مع درجة الحرارة المطلوبة باستخدام هذه الحلقة المغلقة.

تستخدم أنظمة الحلقة المغلقة لإنشاء حلقة تغذية راجعة في وحدة تحكم تعريف المعلمات. يقوم جهاز التحكم باستمرار بمقارنة درجة حرارة متغير العملية (النقطة المحددة) مع درجة الحرارة المطلوبة (درجة الحرارة الفعلية) ويقوم بضبط المدفأة/المبرد (المشغل)، لتقليل الخطأ.

6. مثال على ذلك: المعنى

رسائل#39;s انظر إلى حالة بسيطة لفهم أفضل ما هو المتحكم في معرِّف المعلمات: فهو ينظم درجة الحرارة في حاوية صغيرة.

B. تخيل أن حاوية إلكترونية صغيرة تحتوي على مكونات حساسة تضررت بفعل الحرارة. تم ضبط نقطة الانطلاق على 50 درجة مئوية. يستخدم DS18B20 من قبل جهاز التحكم لتحديد درجة الحرارة الداخلية. يتم إرسال بيانات المستشعر إلى منطق وحدة التحكم (على سبيل المثال وحدة التحكم الدقيقة). وحدات التحكم الدقيقة تحسب الخطأ. (درجة الحرارة الحالية أقل من 50 درجة مئوية). بناء على الخطأ، PID يحسب الحدود P و I و D. وينتج هذا الجهاز وحدة تحكم نطاق النضوب PWM لتمثيل الإجراء التصحيحي المحسوب (على سبيل المثال زيادة طاقة التسخين). تقوم إشارة التحكم في نطاق النبض المعدل بضبط عنصر التسخين 12 فولت المتصل بالدائرة باستخدام SSR. يقيس هذا النظام درجة الحرارة باستمرار، ويحسب الخطأ ثم يضبط طاقة التدفئة. يضمن نظام الحلقة المغلقة أن درجة الحرارة داخل الجهاز تبقى بالقرب من 50C. وهذا مثال جيد على كيفية عمل وحدة تحكم تعريف المنتج. وهو يقوم بضبط المشغل بشكل مستمر (مكون التسخين) من أجل الحفاظ على درجة الحرارة المحددة.

في هذا المثال، يتم تعريف وحدة التحكم في معرفات المعلمات بوضوح: وهي عبارة عن نظام معرفات معلمات يستخدم مصطلحات متكاملة ومشتقة نسبية لتحديد الضبط المطلوب لعنصر التسخين. ويتم ذلك باستخدام حلقة التغذية المرتدة المستمرة لقياس درجة حرارة السخان ومقارنتها مع النقطة المحددة. ويمكن تنظيم درجة الحرارة بدقة واتساق داخل الضميمة.

7. مزايا استخدام جهاز التحكم في درجة الحرارة

وحدة التحكم في تعريف المنتج هي خيار شائع في العديد من التطبيقات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة.

تعتمد هذه المزايا على خوارزمية PID#قدرة 39; لإدارة إشارة الخطأ وتوفير الفوائد التالية.

C. الدقة: لأن خوارزمية تعريف الهوية الشخصي يمكن أن تحسب الإجراءات التصحيحية على أساس الأخطاء، فإنه قادر على تنظيم درجة الحرارة بدقة شديدة. الدقة العالية تعني أن وحدة التحكم قادرة على الحفاظ على متغيرات العملية بالقرب جدا من النقطة المحددة. يستخدم مصطلح تعريف الهوية الشخصي لتحقيق ذلك: يوفر مصطلح P تصحيحًا فوريًا#39;s تتناسب مع الخطأ. يزيل خطأ الحالة الثابتة مع مرور الوقت. ويتوقع الحد د التغيرات ويمنع الزيادة والتذبذبات. الدقة العالية تعني أن جهاز التحكم قادر على الحفاظ على درجة الحرارة في حدود التفاوتات الضيقة. وهذا أمر بالغ الأهمية في حماية العناصر الحساسة، وضمان العمليات الموثوقة.

عملية مستقرة: يساعد الحد D في خوارزمية PID على منع التذبذبات. التشغيل المستقر يعني أن النظام يستقر في نقطة مسبقة، دون أي دورات أو تقلبات مفرطة. يحد المدى د من الاستجابة ويتوقع التغيرات، مما يمنع النظام من التأرجح بعنف. التشغيل المستقر يعني أنه يمكن الحفاظ على درجة الحرارة بشكل متوقع وموثوق.

كفاءة الطاقة: توفر خوارزميات تعريف الطاقة PID ضوابط دقيقة تسمح للمتحكم بضبط طاقة التسخين بدقة. كفاءة الطاقة تعني أن وحدة التحكم تطبق الطاقة المطلوبة فقط لتحقيق والحفاظ على درجات الحرارة المطلوبة. يقلل النظام من استهلاك الطاقة عن طريق تجنب التدفئة غير الضرورية. كفاءة الطاقة تعني أن النظام يقلل الطاقة المهدرة.

الوثوقية: تعريف الوثوقية هو القدرة على أداء وظيفتك باستمرار مع مرور الوقت. ويتأثر هذا المعنى بالمكونات المختارة لجهاز التحكم. هذا هو معنى الوثوقية: أن النظام سوف يوفر تنظيم درجة الحرارة التي يمكن الاعتماد عليها.

المرونة وهذا يشير إلى حقيقة أن وحدة التحكم قابلة للتكيف لتطبيقات مختلفة، من خلال تغيير المستشعر، والمحرك، ونقطة الضبط. المرونة هي القدرة على استخدام جهاز التحكم في سيناريوهات مختلفة تتطلب تنظيم درجة الحرارة.