فهم تقنية القياس والتحكم وتكنولوجيا الأجهزة

تكنولوجيا وأدوات القياس والتحكم هي نظرية وتكنولوجيا تدرس اكتساب ومعالجة المعلومات والتحكم في العناصر ذات الصلة.تشير "تكنولوجيا وأدوات القياس والتحكم" إلى وسائل ومعدات جمع المعلومات وقياسها وتخزينها ونقلها ومعالجتها والتحكم فيها ، بما في ذلك تكنولوجيا القياس وتكنولوجيا التحكم والأدوات والأنظمة التي تطبق هذه التقنيات.

تكنولوجيا القياس والتحكم
تعتمد تقنيات وأدوات القياس والتحكم على الآلات الدقيقة والتكنولوجيا الإلكترونية والبصريات والتحكم الآلي وتكنولوجيا الكمبيوتر.يدرس بشكل أساسي المبادئ والأساليب والعمليات الجديدة لمختلف تقنيات التحكم والاختبار الدقيق.في السنوات الأخيرة ، لعبت تكنولوجيا الكمبيوتر دورًا متزايد الأهمية في البحث التطبيقي لتكنولوجيا القياس والتحكم.
تقنية القياس والتحكم هي تقنية تطبيق يتم تطبيقها بشكل مباشر على الإنتاج والحياة ، ويغطي تطبيقها مختلف مجالات الحياة الاجتماعية مثل "وزن الزراعة والبحر والأرض والجو والغذاء والملابس".تكنولوجيا الأجهزة هي "المضاعف" للاقتصاد الوطني ، و "الضابط الأول" في البحث العلمي ، و "القوة القتالية" في الجيش ، و "الحكم الفعلي" في اللوائح القانونية.تعد تكنولوجيا الاختبار والتحكم المحوسبة وأدوات وأنظمة القياس والتحكم الذكية والدقيقة رموزًا ووسائل مهمة في مجالات الإنتاج الصناعي والزراعي الحديث ، والبحث العلمي والتكنولوجي ، والإدارة ، والتفتيش والمراقبة ، وتلعب دورًا متزايد الأهمية.

تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم وتكنولوجيا الأجهزة
تعد تقنية القياس والتحكم تقنية تطبيقية تستخدم على نطاق واسع في مختلف مجالات الصناعة والزراعة والنقل والملاحة والطيران والجيش والطاقة الكهربائية والحياة المدنية.مع تطور تكنولوجيا الإنتاج ، تلعب تكنولوجيا القياس والتحكم دورًا حيويًا في تكنولوجيا التحكم بدءًا من التحكم الأولي في جهاز واحد ومعداته ، إلى التحكم في العملية بأكملها ، وحتى النظام ، خاصة في التكنولوجيا المتطورة اليوم. في مجال العلوم والتكنولوجيا الحديثة.
في الصناعة المعدنية ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم: التحكم في فرن الصهر الساخن ، والتحكم في الشحن والتحكم في فرن الصهر في عملية صناعة الحديد ، والتحكم في الضغط ، والتحكم في سرعة مطحنة الدرفلة ، والتحكم في الملف ، وما إلى ذلك في عملية درفلة الفولاذ ، و أدوات الكشف المختلفة المستخدمة فيه.
في صناعة الطاقة الكهربائية ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم نظام التحكم في الاحتراق للغلاية ، والمراقبة التلقائية ، والحماية التلقائية ، والتعديل التلقائي ونظام التحكم التلقائي في برنامج التوربينات البخارية ، ونظام التحكم في إدخال وإخراج الطاقة في المحرك.
في صناعة الفحم ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم: أداة تسجيل الميثان بطبقة الفحم في عملية تعدين الفحم ، وأداة الكشف عن تكوين الهواء في المناجم ، وكاشف الغاز المنجمي ، ونظام مراقبة السلامة تحت الأرض ، وما إلى ذلك ، والتحكم في عملية إخماد فحم الكوك والتحكم في استعادة الغاز في عملية تكرير الفحم ، والتحكم في عملية التكرير ، والتحكم في نقل آلات الإنتاج ، إلخ.
في صناعة البترول ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم: محدد الموقع المغناطيسي ، ومقياس محتوى الماء ، ومقياس الضغط وأدوات القياس الأخرى التي تدعم تكنولوجيا التسجيل في عملية إنتاج النفط ، ونظام إمداد الطاقة ، ونظام إمداد المياه ، ونظام إمداد البخار ، ونظام إمداد الغاز. ونظام التخزين والنقل وثلاثة أنظمة لمعالجة النفايات وأدوات الكشف عن عدد كبير من المتغيرات في عملية الإنتاج المستمرة.
في الصناعة الكيميائية ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم: قياس درجة الحرارة ، وقياس التدفق ، وقياس مستوى السائل ، والتركيز ، والحموضة ، والرطوبة ، والكثافة ، والتعكر ، والقيمة الحرارية ومختلف مكونات الغاز المختلط.أدوات التحكم التي تتحكم بانتظام في المعلمات الخاضعة للرقابة ، إلخ.
في صناعة الآلات ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم: أدوات آلة التحكم الرقمي الدقيقة ، وخطوط الإنتاج الأوتوماتيكية ، والروبوتات الصناعية ، إلخ.
في صناعة الطيران ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم: قياس المعلمات مثل ارتفاع رحلة الطائرة ، وسرعة الرحلة ، وحالة الرحلة واتجاهها ، والتسارع ، والحمل الزائد ، وحالة المحرك ، وتكنولوجيا المركبات الفضائية ، وتكنولوجيا المركبات الفضائية ، وقياس الفضاء الجوي وتكنولوجيا التحكم.انتظر.
في المعدات العسكرية ، يشمل تطبيق تكنولوجيا القياس والتحكم: الأسلحة الموجهة بدقة ، والذخيرة الذكية ، ونظام قيادة الأتمتة العسكرية (نظام C4IRS) ، والمعدات العسكرية للفضاء الخارجي (مثل الاستطلاعات العسكرية المختلفة ، والاتصالات ، والإنذار المبكر ، والأقمار الصناعية للملاحة ، إلخ. .).

تشكيل وتطوير تقنيات القياس والتحكم
الحقائق التاريخية لتطور العلم والتكنولوجيا إن تاريخ فهم الإنسان وتحويل الطبيعة هو أيضًا جزء مهم من تاريخ الحضارة الإنسانية.يعتمد تطوير العلم والتكنولوجيا أولاً على تطوير تكنولوجيا القياس.يبدأ العلم الطبيعي الحديث بالقياس بالمعنى الحقيقي للكلمة.يحلم العديد من العلماء البارزين بأن يكونوا مخترعين للأدوات العلمية ومؤسسين لطرق القياس.التقدم في تكنولوجيا القياس يقود بشكل مباشر تقدم العلوم والتكنولوجيا.
أول ثورة تكنولوجية
في القرنين السابع عشر والثامن عشر ، بدأت تكنولوجيا القياس والتحكم في الظهور.بدأ بعض الفيزيائيين في أوروبا في استخدام قوة المجال الحالي والمغناطيسي لصنع مقاييس جلفانومترية بسيطة ، واستخدام العدسات البصرية لصنع التلسكوبات ، وبالتالي وضع الأساس للأدوات الكهربائية والبصرية.في ستينيات القرن الثامن عشر ، بدأت أول ثورة علمية وتكنولوجية في المملكة المتحدة.حتى القرن التاسع عشر ، امتدت الثورة العلمية والتكنولوجية الأولى إلى أوروبا وأمريكا واليابان.خلال هذه الفترة ، تم استخدام بعض أدوات القياس البسيطة ، مثل أدوات قياس الطول ودرجة الحرارة والضغط وما إلى ذلك.في الحياة ، تم إنشاء إنتاجية ضخمة.

الثورة التكنولوجية الثانية
أدت سلسلة من التطورات في مجال الكهرومغناطيسية في أوائل القرن التاسع عشر إلى اندلاع الثورة التكنولوجية الثانية.بسبب اختراع أداة قياس التيار ، تم وضع الكهرومغناطيسية بسرعة على المسار الصحيح ، ونما اكتشاف تلو الآخر.ساهمت العديد من الاختراعات في مجال الكهرومغناطيسية ، مثل التلغراف والهاتف والمولد وما إلى ذلك ، في وصول العصر الكهربائي.في الوقت نفسه ، تظهر أيضًا العديد من الأدوات الأخرى للقياس والمراقبة ، مثل جهاز قياس درجة الدقة من الدرجة الأولى المستخدم لقياس الارتفاع قبل عام 1891.

الثورة التكنولوجية الثالثة
بعد الحرب العالمية الثانية ، عززت الحاجة الملحة للتكنولوجيا المتقدمة في مختلف البلدان تحويل تكنولوجيا الإنتاج من الميكنة العامة إلى الكهربة والأتمتة ، وتم إجراء سلسلة من الإنجازات الكبرى في البحث النظري العلمي.
خلال هذه الفترة ، بدأت الصناعة التحويلية المتمثلة في المنتجات الكهروميكانيكية بالتطور الصناعي.خصائص الإنتاج الضخم للمنتجات هي العمليات الدورية وعمليات التدفق.لجعلها تلقائية ، يلزم الكشف تلقائيًا عن موضع قطعة العمل أثناء مرحلة التخلص من المعالجة والإنتاج.أو الحجم أو الشكل أو الوضع أو الأداء ، إلخ. ولهذه الغاية ، هناك حاجة إلى عدد كبير من أجهزة القياس والتحكم.من ناحية أخرى ، يتطلب صعود الصناعة الكيميائية مع البترول كمادة خام عددًا كبيرًا من أدوات القياس والتحكم.بدأت الأجهزة الآلية في التوحيد القياسي ، وتم تشكيل نظام تحكم أوتوماتيكي عند الطلب.في الوقت نفسه ، وُلدت أدوات ماكينات CNC وتكنولوجيا الروبوت أيضًا خلال هذه الفترة ، حيث كانت لتكنولوجيا وأدوات القياس والتحكم تطبيقات مهمة.
مع تطور العلم والتكنولوجيا ، أصبحت الأجهزة أداة فنية لا غنى عنها للقياس والتحكم والأتمتة ، بدءًا من القياس والمراقبة البسيط.من أجل تلبية احتياجات الجوانب المختلفة ، توسعت الأجهزة من مجالات التطبيق التقليدية إلى مجالات التطبيق غير التقليدية مثل الطب الحيوي ، والبيئة البيئية ، والهندسة الحيوية.
منذ القرن الحادي والعشرين ، كان هناك عدد كبير من أحدث الإنجازات التكنولوجية ، مثل نتائج أبحاث الآلات الدقيقة على نطاق النانو ، ونتائج البحوث الكيميائية الحديثة على المستوى الجزيئي ، ونتائج البحوث البيولوجية على مستوى الجينات ، وأبحاث المواد الوظيفية الخاصة عالية الدقة فائقة الأداء النتائج والعالمية ظهرت نتائج تعميم وتطبيق تكنولوجيا الشبكة واحدة تلو الأخرى ، وهو تغيير أساسي في مجال الأجهزة ويعزز ظهور حقبة جديدة من الأدوات الذكية عالية التقنية.

أجهزة الاستشعار في أنظمة القياس والتحكم
يتكون نظام القياس والتحكم العام من أجهزة استشعار ومحولات وسيطة ومسجلات شاشة.يكتشف المستشعر ويحول الكمية المادية المقاسة إلى الكمية المادية المقاسة.يقوم المحول الوسيط بتحليل ومعالجة وتحويل خرج المستشعر إلى إشارة يمكن قبولها بواسطة الأداة اللاحقة ، وإخراجها إلى أنظمة أخرى ، أو يتم قياسها بواسطة مسجل العرض.يتم عرض النتائج وتسجيلها.
المستشعر هو الرابط الأول لنظام القياس.بالنسبة لنظام التحكم ، إذا تمت مقارنة الكمبيوتر بالدماغ ، فإن المستشعر يعادل الحواس الخمس ، مما يؤثر بشكل مباشر على دقة التحكم في النظام.
يتكون المستشعر بشكل عام من عناصر حساسة وملفات تحويل ودوائر تحويل.يشعر العنصر الحساس بالقيمة المقاسة مباشرة ، وتغيير قيمة معلمة معينة في حد ذاته له علاقة محددة بتغير القيمة المقاسة ، وهذه المعلمة سهلة القياس والإخراج ؛ثم يتم تحويل ناتج العنصر الحساس إلى معلمة كهربائية بواسطة عنصر التحويل ؛أخيرًا ، تضخم دائرة التحويل ناتج المعلمات الكهربائية بواسطة عنصر التحويل وتحولها إلى إشارات كهربائية مفيدة ملائمة للعرض والتسجيل والمعالجة والتحكم.
الوضع الحالي وتطور أجهزة الاستشعار الجديدة
تعد تقنية الاستشعار إحدى أسرع التقنيات المتطورة تطوراً في العالم اليوم.لا يسعى المستشعر الجديد إلى تحقيق الدقة العالية والنطاق الواسع والموثوقية العالية والاستهلاك المنخفض للطاقة فحسب ، بل يتطور أيضًا نحو التكامل والتصغير والرقمنة والذكاء.

1. ذكي
يشير ذكاء المستشعر إلى الجمع بين وظائف أجهزة الاستشعار التقليدية ووظائف أجهزة الكمبيوتر أو المكونات الأخرى لتشكيل مجموعة مستقلة ، والتي لا تحتوي فقط على وظائف التقاط المعلومات وتحويل الإشارات ، ولكن لديها أيضًا القدرة على معالجة البيانات وتحليل التعويضات واتخاذ القرار.

2. الشبكات
تهدف شبكة المستشعر إلى تمكين المستشعر من الحصول على وظيفة الاتصال بشبكة الكمبيوتر ، لتحقيق نقل المعلومات لمسافات طويلة وقدرة المعالجة ، أي لتحقيق القياس "عبر الأفق" للقياس ونظام التحكم.

3. التصغير
تعمل قيمة تصغير المستشعر على تقليل حجم المستشعر بشكل كبير بشرط عدم تغيير الوظيفة أو حتى تحسينها.التصغير هو شرط القياس والتحكم الدقيق الحديث.من حيث المبدأ ، كلما كان حجم المستشعر أصغر ، كلما قل التأثير على الكائن المقاس والبيئة ، قل استهلاك الطاقة ، وكان من الأسهل تحقيق قياس دقيق.

4. التكامل
يشير تكامل المستشعرات إلى تكامل الاتجاهين التاليين:
(1) يمكن أن يقيس تكامل معلمات القياس المتعددة معلمات متعددة.
(2) تكامل دوائر الاستشعار والدوائر اللاحقة ، أي تكامل المكونات الحساسة ومكونات التحويل ودوائر التحويل وحتى إمدادات الطاقة على نفس الشريحة ، بحيث تتمتع بأداء عالٍ.

5. الرقمنة
القيمة الرقمية للمستشعر هي أن إخراج المعلومات بواسطة المستشعر عبارة عن كمية رقمية ، يمكنها تحقيق نقل لمسافات طويلة وعالية الدقة ، ويمكن توصيلها بمعدات معالجة رقمية مثل جهاز كمبيوتر بدون روابط وسيطة.
تكامل أجهزة الاستشعار وذكائها وتصغيرها وشبكاتها ورقمنتها ليست مستقلة ، ولكنها مكملة ومترابطة ، ولا يوجد حد واضح بينها.
تكنولوجيا التحكم في نظام القياس والتحكم

نظرية التحكم الأساسية
1. نظرية التحكم الكلاسيكية
تشتمل نظرية التحكم الكلاسيكية على ثلاثة أجزاء: نظرية التحكم الخطي ، ونظرية التحكم في أخذ العينات ، ونظرية التحكم غير الخطية.يأخذ علم التحكم الآلي الكلاسيكي تحويل لابلاس وتحويل Z كأدوات رياضية ، ويأخذ النظام الخطي الثابت ذي المدخلات الفردية والمخرج الفردي ككائن بحث رئيسي.يتم تحويل المعادلة التفاضلية التي تصف النظام إلى مجال الرقم المركب عن طريق تحويل لابلاس أو تحويل Z ، ويتم الحصول على وظيفة النقل للنظام.وبناءً على وظيفة النقل ، وهي طريقة بحث تتعلق بالمسار والتردد ، تركز على تحليل الاستقرار ودقة الحالة المستقرة لنظام التحكم في التغذية الراجعة.

2. نظرية التحكم الحديثة
نظرية التحكم الحديثة هي نظرية تحكم تعتمد على طريقة فضاء الدولة ، والتي تعد مكونًا رئيسيًا لنظرية التحكم الآلي.في نظرية التحكم الحديثة ، يتم تنفيذ تحليل وتصميم نظام التحكم بشكل أساسي من خلال وصف متغيرات الحالة للنظام ، والطريقة الأساسية هي طريقة المجال الزمني.يمكن أن تتعامل نظرية التحكم الحديثة مع مجموعة واسعة من مشاكل التحكم مقارنة بنظرية التحكم الكلاسيكية ، بما في ذلك الأنظمة الخطية وغير الخطية ، والأنظمة الثابتة والمتغيرة بمرور الوقت ، والأنظمة أحادية المتغير والأنظمة متعددة المتغيرات.تعد الأساليب والخوارزميات التي تعتمدها أكثر ملاءمة أيضًا لأجهزة الكمبيوتر الرقمية.توفر نظرية التحكم الحديثة أيضًا إمكانية تصميم وبناء أنظمة تحكم مثالية بمؤشرات أداء محددة.

نظام التحكم
يتكون نظام التحكم من أجهزة التحكم (بما في ذلك أجهزة التحكم والمشغلات وأجهزة الاستشعار) والأشياء الخاضعة للرقابة.يمكن أن يكون جهاز التحكم شخصًا أو آلة ، وهو الفرق بين التحكم الآلي والتحكم اليدوي.بالنسبة لنظام التحكم الأوتوماتيكي ، وفقًا لمبادئ التحكم المختلفة ، يمكن تقسيمه إلى نظام تحكم مفتوح الحلقة ونظام تحكم مغلق الحلقة ؛وفقًا لتصنيف الإشارات المعينة ، يمكن تقسيمها إلى نظام التحكم في القيمة الثابتة ونظام التحكم في المتابعة ونظام التحكم في البرنامج.

تقنية الأجهزة الافتراضية
تعتبر أداة القياس جزءًا مهمًا من نظام القياس والتحكم ، والذي ينقسم إلى نوعين: أداة مستقلة وأداة افتراضية.
تقوم الأداة المستقلة بجمع إشارة الجهاز ومعالجتها وإخراجها في هيكل مستقل ، ولوحة تشغيل ومنافذ مختلفة ، وجميع الوظائف موجودة في شكل أجهزة أو برامج ثابتة ، والتي تحدد أنه لا يمكن تحديد الأداة المستقلة إلا من خلال الشركة المصنعة.، الترخيص ، الذي لا يمكن للمستخدم تغييره.
تكمل الأداة الافتراضية تحليل الإشارة ومعالجتها ، والتعبير عن النتيجة وإخراجها على الكمبيوتر ، أو إدراج بطاقة الحصول على البيانات على الكمبيوتر ، وإزالة الأجزاء الثلاثة من الأداة الموجودة على الكمبيوتر ، والتي تخترق التقليدية الادوات.تحديد.

الميزات التقنية للأدوات الافتراضية
1. وظائف قوية ، تدمج دعم الأجهزة القوي لأجهزة الكمبيوتر ، وتكسر قيود الأدوات التقليدية في المعالجة والعرض والتخزين.التكوين القياسي هو: معالج عالي الأداء ، شاشة عالية الدقة ، قرص صلب كبير السعة.
2. موارد برامج الكمبيوتر تدرك برمجة بعض أجهزة الماكينة ، وتوفر الموارد المادية ، وتعزز مرونة النظام ؛من خلال الخوارزميات العددية المقابلة ، يمكن إجراء تحليل ومعالجة مختلفين لبيانات الاختبار مباشرة في الوقت الفعلي ؛من خلال تقنية واجهة المستخدم الرسومية (GUI) لتحقيق واجهة ودية وتفاعل بين الإنسان والحاسوب.
3. بالنظر إلى ناقل الكمبيوتر وحافلة الأجهزة المعيارية ، فإن أجهزة الجهاز تكون معيارية ومتسلسلة ، مما يقلل بشكل كبير من حجم النظام ويسهل بناء الأدوات المعيارية.
تكوين نظام الأدوات الافتراضية
تتكون الأداة الافتراضية من أجهزة وواجهات ، وبرامج تشغيل للجهاز ولوحة أجهزة افتراضية.من بينها ، يمكن أن تكون الأجهزة والواجهات عبارة عن العديد من بطاقات الوظائف المضمنة القائمة على الكمبيوتر ، أو بطاقات واجهة ناقل الواجهة العالمية ، أو المنافذ التسلسلية ، أو واجهات أداة ناقل VXI ، وما إلى ذلك ، أو غيرها من معدات الاختبار الخارجية القابلة للبرمجة ، وبرنامج تشغيل الجهاز هو برنامج تشغيل يتحكم مباشرة في واجهات الأجهزة المختلفة.تتواصل الأداة الافتراضية مع نظام الأداة الحقيقي من خلال برنامج تشغيل الجهاز الأساسي ، وتعرض عناصر التشغيل المقابلة للوحة العدادات الحقيقية على شاشة الكمبيوتر في شكل لوحة أجهزة افتراضية.ضوابط مختلفة.يقوم المستخدم بتشغيل لوحة الأداة الافتراضية باستخدام الماوس بشكل حقيقي ومريح مثل تشغيل الأداة الحقيقية.
تعد تقنية القياس والتحكم والأداة الرئيسية تقليدية ومليئة بآفاق التنمية.يقال إنها تقليدية لأنها ذات أصل قديم ، وشهدت مئات السنين من التطور ، ولعبت دورًا مهمًا في التنمية الاجتماعية.باعتباره تخصصًا تقليديًا ، فإنه يتضمن العديد من التخصصات في نفس الوقت ، مما يجعله لا يزال يتمتع بحيوية قوية.
مع زيادة تطوير تكنولوجيا القياس والتحكم الحديثة وتكنولوجيا المعلومات الإلكترونية وتكنولوجيا الكمبيوتر ، فقد بشرت بفرصة جديدة للابتكار والتطوير ، والتي ستنتج بالتأكيد المزيد والمزيد من التطبيقات الهامة في مختلف المجالات.