ما هو جهاز التحكم في درجة الحرارة؟ دليل شامل

مقدمة: التحكم الدقيق وحتمية ذلك

 وحل المشاكل مع هذه الأجهزة إذا كنت تفهم

ص. المكونات الأساسية التي تم فكها: ما هو التحكم في تعريف المنتج؟

ويحافظ جهاز التحكم في تعريف المعلمات على عملية متغيرة (مثل درجة الحرارة) داخل نقطة محددة بدقة كبيرة. إيتد#من المهم فهم قدرات مكوناته.

العملية: هنا هو نظام التحكم. وعادة ما تكون العملية في سياقنا نظام تبريد أو تدفئة مثل حمام مائي أو مفاعل كيميائي. إننا مهتمون بدرجة الحرارة

جهاز الاستشعار: يقيس درجة حرارة المعالجة. وتشمل أجهزة الاستشعار ما يلي:

المزدوجات الحرارية هي مصنوعة من اثنين من المعادن التي تم ربطها معا في نقطة واحدة (وصلة القياس). تقوم المزدوجات الحرارية بتوليد جهد يتناسب مع الاختلافات في درجة الحرارة بين وصلة قياس وموصلة مرجعية. وهي متينة وغير مكلفة ويمكن استخدامها لمجموعة كبيرة من درجات الحرارة. ويجب إجراء تعويض التوصيل البارد بواسطة جهاز التحكم.

كاشفات درجة حرارة المقاومة: تتغير مقاومتها الكهربائية مع درجة الحرارة، تماما مثل أقراص البلازما الحرارية. هذه المستشعرات أكثر دقة واستقرارا من المزوجات الحرارية و#غالبا ما تستخدم في المختبر أو التطبيقات عالية الدقة. تكييف الإشارة مطلوب (على سبيل المثال باستخدام دائرة متكاملة أو وحدة Pt100). هناك أنواع أخرى، ولكنها#39; هو أقل شيوعا في ضوابط تعريف الهوية الشخصية القياسية.

المراقب المالي: إنها فكرة للنظام. تستخدم وحدات التحكم التناظرية بشكل تقليدي الدوائر التي تتضمن مكبرات الصوت التشغيلية والمكثفات من أجل تنفيذ الخوارزمية. تستخدم معظم وحدات التحكم الحديثة معالج رقمي ومعالج دقيق (MCU) في العمليات الحسابية. فهو يتيح مرونة أكبر وقابلية برمجة أكبر. يقوم جهاز التحكم هذا بأخذ إشارة المستشعر الأولية، وتحويلها إلى رقمية (A/D أو تناظرية إلى رقمية)، وتشغيل الخوارزمية ومن ثم توليد إشارات التحكم.

عنصر التحكم النهائي (المشغل). هذا المكون هو جهاز التحكم النهائي ويستقبل الإشارة من الثرموستات الرقمية. ثم يتخذ إجراءات فيزيائية للتأثير على درجة حرارة العملية. وتشمل المشغِّلات ما يلي:

مرحلات الحالة الصلبة: مفتاح إلكتروني يقوم بتشغيل الطاقة وإيقافها من أجل تسخين العناصر على أساس إشارات التحكم.

مخرجات ترانزستور الطاقة: تستخدم لتغيير كمية الطاقة التي يتم تسليمها لعناصر التسخين المقاومة (على سبيل المثال مقاومة الطاقة أو ملف التسخين).

المرحلات مفتاح التبديل الميكانيكي الذي يقوم بتبديل الدوائر عالية الطاقة باستخدام إشارة التحكم ذات الطاقة المنخفضة (في كثير من الأحيان بالاشتراك مع مشغلات أخرى).

صمامات الملفات اللولبية: تستخدم لتنظيم تدفق المبردات والمبردات في أنظمة التبريد.

الثالث. المفهوم الأساسي: سد الفجوات بين درجة حرارة نقطة التحول ودرجة حرارة العملية

ضابط تعريف الهوية الشخصي#الهدف الأساسي لـ 39;s هو تقليل الفرق في درجة الحرارة بين درجة الحرارة المحددة ودرجة الحرارة الفعلية. ويعرف هذا الاختلاف باسم إشارة الخطأ. يتم حساب هذا الخطأ من قبل جهاز التحكم، الذي يراقب ويقيس باستمرار درجة حرارة العملية، ويقارن ذلك مع النقطة المحددة.

دورة القياس: باستخدام دائرة المدخلات، يتلقى جهاز التحكم مستشعر درجة الحرارة#إشارة 39. والدائرة مسؤولة عن تكييف الإشارة، والتضخيم والتصفية (مثل تعويض التوصيل البارد في المزوجات الحرارية، أو خط RTDs).

حساب الأخطاء: في التحكم الرقمي، يقوم المعالج الرقمي بتحويل الإشارات المشروطة إلى قيم درجة الحرارة. يتم مقارنة درجة الحرارة المقاسة مع نقطة محددة من قبل المستخدم. نتيجة هذه المقارنة هي إشارة الخطأ: سيتنبوينت = درجة الحرارة المقاسة.

خوارزمية pid هي في قلب ذكاء المتحكم. يستخدم المتحكم الإشارة المحسوبة لتوليد مخرج للمشغل. إيتد#(39) من المهم ملاحظة أن هذا الناتج لا يتفاعل ببساطة مع الخطأ الموجود ؛ بل هي عملية حسابية معقدة تأخذ في الاعتبار تاريخ الأخطاء الماضية.

The Mathematical Heart: Breaking down the PID Algorithm -Proportional Integral and Derivative (باللغة الإنجليزية)

الخوارزمية هي مزيج من ثلاثة مصطلحات يستجيب كل منها بشكل مختلف للإشارة. ومن المهم فهم هذه المكونات من أجل فهم الكيفية التي تحقق بها وحدات التحكم في تعريف المنتج التحكم الدقيق.

تحكم متناسب مع

المبدأ: يستجيب التحكم النسبي على الفور إلى الحجم الحالي لإشارة الخطأ. وتتناسب إجراءات التحكم مع الخطأ.

التمثيل الرياضي: حساب مخرجات مكون P على النحو التالي: مخرجات _P = خطأ حيث Kp تمثل المكسب النسبي. وتستخدم النطاقات النسبية أيضا للتعبير عن المخرجات. ضغط الدم الأصغر يشير إلى ارتفاع ضغط الدم إذا كان الخطأ 5degC، وقيمة Kp هي 2، فإن ناتج مكون P قد يكون 10 وحدات. (المعنى الفعلي يعتمد على نطاق الخرج لجهاز التحكم، مثل 0-100 ٪، أو 0-20 مللي أمبير). المكون P كبير عندما يكون هناك#39 خطأ فادح وهذا يدفع المحرك للعمل بجد من أجل تصحيحه.

الفوائد: يستجيب بسرعة للتغيرات الأولية في درجات حرارة العملية أو نقاط الضبط.

العيوب: يستجيب التحكم النسبي فقط للأخطاء الحالية، تاركًا تعويضا متبقيا. إذا كانت درجة حرارة النقطة المحددة 100 درجة مئوية ولكنها تستقر حوالي 98C يتوقف المتحكم P-عن تطبيق التصحيح الكامل، ومع ذلك لن تصل درجة الحرارة إلى النقطة المحددة.

التحكم المتكامل:

التصور: يتفاعل التحكم المتكامل مع مرور الوقت مع تراكم الأخطاء. والهدف من ذلك هو إزالة التعويض المتبقي الناجم عن الإجراء P-، من خلال تجميع الأخطاء باستمرار.

التمثيل الرياضي: يمكن حساب ناتج المكون I عن طريق: الناتج _I = الخطأ * Ki، حيث Ki هو كسب متكامل. هذا المصطلح المتكامل يجمع الأخطاء مع مرور الوقت، ثم يطبق إجراء تصحيحي يتناسب مع هذا المجموع. ويزداد الحد التكاملي إذا استمر الخطأ، مما يجبر المشغلات على العمل لفترة أطول أو أكثر حتى يصل إلى الصفر.

الدوران المتكامل: يمكن أن تحدث مشكلة إذا كان المشغل غير قادر على الوصول إلى الوضع المطلوب. (على سبيل المثال، قد يتم تشغيل المرحل بالكامل ولكن درجة حرارة العملية منخفضة للغاية). windup التكاملية هي حالة يتراكم فيها الحد التكاملي ويمكن أن يصل إلى حد. يمكن أن يؤدي إلى تأخير طويل إذا كان التصحيح مطلوبًا. تستخدم المتحكمات الحديثة تقنيات مضادة للويندوب.

الفوائد: يقلل الخطأ المرتبط بالضوابط النسبية، والذي غالباً ما ينجم عن الحالة الثابتة (تعويض). وهذا يؤدي إلى التزام أكثر دقة بالنقاط المحددة.

العيوب: قد تتسبب في تجاوز الحد عندما تكون درجة الحرارة أعلى من النقطة المحددة وقد تبطئ الاستجابة بشكل عام إذا كانت الإجراءات المتكاملة عدوانية للغاية. وهذا يحتاج أيضاً إلى ضبط دقيق.

مكافحة الاشتقاق (D):

مفهوم: يعتمد التحكم في المشتقات على معدل التغير في إشارة الخطأ. يتنبأ النظام بالأخطاء من خلال تحليل مدى سرعة تطور الخطأ الحالي.

التمثيل الرياضي: يمكن حساب ناتج المكون D من خلال: مخرجات _D= (Kd*d (Error),/dt), حيث Kd هو كسب مشتق، والذي غالبا ما يرتبط بوقت المشتق Td. المصطلح يحتوي على المكابح التأثير. ويضيف المكون D مقاومة للنظام إذا زاد الخطأ بسرعة (ترتفع درجة الحرارة بسرعة كبيرة نحو نقطة الضبط). إذا انخفض الخطأ بسرعة، فهذا يوفر دفعة صغيرة من أجل مكافحة القصور الذاتي للنظام.

الفوائد: زيادة الاستقرار والحد من تجاوز الهدف.

العيوب: العمل المشتق حساس للضوضاء (الناجمة عن التداخل الكهربائي أو التيارات) في إشارة درجة الحرارة. ومن الضروري في بعض الأحيان تصفية إشارة الدخل. لا يؤثر المرشح إذا كان هناك خطأ ثابت (بغض النظر عن مدى ضخامته).

الجمع بين العناصر الثلاثة P و I و D. هذا هو الناتج النهائي المرسل إلى المشغل. المخرجات = المخرجات _P زائد المخرجات _I زائد المخرجات _D. عوامل الترجيح هي ضبط المعلمات التي تحدد طبيعة إجراء التحكم. التوليف هو عملية إيجاد المزيج الأمثل.

How to Control a PID Thermostat (وضع النظرية موضع التنفيذ).

إيتد#شيء واحد لفهم المكونات، وآخر لمعرفة كيف تتفاعل في نظام فعلي. هذه لمحة عامة مفصلة عن الدورة.

القياس: باستخدام جهاز الاستشعار المتصل، يقيس جهاز التحكم درجة الحرارة. فعلى سبيل المثال، تولد المزدوجة الحرارية الجهد الذي يقوم المتحكم بتحويله إلى قراءة لدرجة الحرارة.

الحساب يتم إجراء مقارنة بين درجة الحرارة التي تم قياسها والنقطة الفاصلة. يقوم جهاز التحكم بحساب إشارات الخطأ. تحسب الخوارزمية مكونات P و I و D على أساس الخطأ الحالي والتاريخ (ل I) ومعدل التغيير (ل D).

التشغيل: حساب ناتج التحكم يتم إرسال تركيبة من P I D إلى عنصر التحكم النهائي. يمكن أن يكون:

زيادة الطاقة من عنصر التدفئة.

تقليل قوة عنصر التسخين.

يتم تنشيط جهاز التبريد (مثل الثلاجة أو المروحة).

ضبط موضع صمام التحكم في درجة الحرارة.

دورة ثابتة: تتكرر هذه العملية على الفور تقريبا (غالبا آلاف المرات في الثانية الواحدة). جهاز التحكم يراقب باستمرار درجة الحرارة ويحسب الإجراءات اللازمة. ثم يضبط المشغلات وفقا لذلك. وتكون حلقة التغذية الراجعة سريعة، مما يضمن بقاء درجة حرارة العملية بالقرب من النقطة المحددة.

تأثير المشغل على أنماط التحكم اليدوي مقابل التلقائي

توفر وحدات التحكم في تعريف المعلمات الحديثة كلاً من التحكم التلقائي (التلقائي)، والتشغيل اليدوي (اليدوي) لإعطاء المشغل المزيد من المرونة.

وضع تلقائي (تلقائي): تعمل خوارزمية تعريف المنتج في الوضع التلقائي. يرسل جهاز التحكم إلى المشغل الخرج المطلوب على أساس إشارة الخطأ الحالية. وهو وضع التشغيل الافتراضي للحفاظ على درجة حرارة ثابتة دون تدخل المشغل.

التحكم اليدوي: يمكنك أيضًا معرفة المزيد حول ما يلي: التحكم اليدوي يمكن للمشغل التأثير مباشرة على إشارة الخرج. في معظم الحالات، يتم التحكم في إشارة الخرج من قبل المشغل. التحيز يمكنك أيضًا معرفة المزيد عن قيمة نقطة الضبط اليدوية التي تم إدخالها. ولا يزال يعرض درجة حرارة العملية، ولكنه يتجاهلها عند حساب الإخراج. فقط قيمة الانحياز التي يتم إدخالها يدويا تحدد إشارة الخرج. يمكن أن تستفيد التطبيقات التالية من هذا الوضع

قم بإجراء تعديلات دقيقة قبل تشغيل التحكم التلقائي.

التحكم المباشر في المشغل لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها.

القيام بمهام محددة مثل الصعود أو الهبوط.

تجاوز التحكم الآلي مؤقتاً

السابع. ضبط وحدة التحكم في معرِّف المعلمات (تحقيق أفضل أداء)

أصعب جزء في استخدام التحكم في معرفات الحركة هو إيجاد التوازن بين P و I و D. يمكن أن يؤدي سوء الضبط إلى استجابة بطيئة أو تذبذبات أو عدم استقرار. ومن شأن الضبط الجيد أن يضمن تحكمًا دقيقًا وموثوقًا به.

ما هو الرنين؟ عملية التوليف هي إيجاد أفضل مكسب (Kp Ki Kd)، أو ثوابت التوليف المكافئة PB Ti Td لعملية معينة.

الأهمية من المهم ضبط النظام من أجل تحقيق مقاييس الأداء المطلوبة مثل وقت الاستجابة، ووقت الاستقرار، والحد الأدنى من تجاوز الهدف والثبات. وهذا يؤثر بشكل مباشر على كفاءة الطاقة وجودة المنتجات.

طرق الضبط:

الحلقة المفتوحة أو الحلقة المغلقة (زيغلر نيكولز): نقطة البداية النموذجية هي زيادة الكسب النسبي، حتى يتذبذب النظام. ثم باستخدام قواعد معينة يمكنك حساب الموالفة الأولية. ومن المهم مراقبة النظام بعناية.

برمجيات الضبط التلقائي: معظم وحدات التحكم الحديثة تأتي مع وظائف الضبط التلقائي. يقومون بإجراء اختبارات مختلفة (مثل اختبار الترحيل، أو تحليل استجابة العملية)، ثم يقومون تلقائيًا بحساب معلمات الضبط الموصى بها. انها تبسّط الامور، ولكن قد يكون من الضروري فهم النتائج.

مرحل الضبط التلقائي: يمكن لأجهزة التحكم المتقدمة استخدام مرحل متكامل لإنشاء التذبذبات المتحكم بها ومن ثم قياس خصائص النظام من أجل العثور على ثوابت الضبط.

الطرق التحليلية: تستخدم النماذج الرياضية لعمليات أبسط لتحديد المعلمات المثلى. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة تتطلب معرفة متقدمة.

طريقة منحنى رد فعل العملية: ينطوي ذلك على ضبط النقطة المحددة يدويًا، ورسم استجابات العملية وتحديد البارامترات للتوليف.

العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار: يعتمد ضبط العملية بشكل كبير على دينامياتها (القصور الذاتي أو الثوابت الزمنية والتأخيرات)، وكذلك العمليات الخاصة. كما ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار عوامل أخرى مثل الضوضاء الناتجة عن القياس والاضطرابات الأخرى. وغالبا ما يستخدم الضبط التلقائي أو التجربة والخطأ للعثور على نقطة البداية، والتي يتم ضبطها بدقة بعد ذلك على أساس الأداء الملحوظ.

الثامن. تطبيق أجهزة التحكم في درجة حرارة PID في مواقف العالم الحقيقي

و PID هو التحكم متعدد الاستخدامات والدقيق الذي يمكن استخدامه في مجموعة واسعة من التطبيقات، وخاصة عندما يكون استقرار درجة الحرارة مهم.

البحث المختبري: تتطلب آلة تفاعل البوليميراز المتسلسل دورة حرارية دقيقة. الحاضنات يجب أن تكون مستقرة لزراعة الخلايا. تتطلب مطيافات الرنين المغناطيسي النووي بيئات محكومة. وتقوم مقاييس السعرات بقياس التغيرات في درجة الحرارة بدقة.

الصناعة التحويلية: تتطلب المفاعلات الكيميائية ملامح دقيقة لدرجة الحرارة. تعتمد الأوتوكلاف على التعقيم بالبخار. تحتاج أنظمة CIP/SIP إلى التنظيف وملئها في درجات حرارة مضبوطة.