חזרה ל 'גידול מבוקר - על חיישנים ואוטומציה'

Topic outline

    • מהי בקרה ואיך מבצעים אותה?

      תצוגה מצומצמת תצוגה מורחבת

      • הקדמה

        בפרקים הקודמים ראינו שכדי לאפשר גידול תקין של צמחים יש לספק להם סביבה שמאפייניה: טמפרטורה, מים, מזון, קרקע ועוד נשמרים בטווח תקין. כדי לשמור על גודל פיסיקלי מסויים בטווח ערכים רצוי, עלינו לבצע תהליך של בקרה. תהליך זה שונה ממערכת למערכת אך יש בו מספר סוגי פעולות קבועות: מדידה, השוואה וקבלת החלטות, הפעלה וביצוע שינויים. פעולות אלו מבוצעות במערכת בקרה טיפוסית על ידי מרכיביה השונים של המערכת.

        בפרק זה נבין את הפעולות הבסיסיות שנדרשות בתהליכי בקרה על ידי ביצוע התנסויות פשוטות בכיתה. ננתח את הפעולות והמרכיבים של מערכת בקרה ביולוגית המוכרת לנו. נבין מהי מערכת משוב ומה תפקידה בביצוע בקרה, ונציג תרשים המתאר את המרכיבים של מערכת בקרה כללית ואת המבנה שלה.

        בפרק זה:

        • נבין את הצורך במערכות בקרה
        • נתנסה בביצוע פעולות הנדרשות לביצוע בקרה
        • נכיר את המרכיבים של מערכת בקרה ואת המבנה שלה
        מושגים מרכזיים:
        סביבה מבוקרת, בקרה, חשיין, מעבד, מפעיל, מערכת משוב, משוב שלילי, תרשים מלבנים.

        מיומנויות:
        תיאור מערכת על ידי תרשים מלבנים

      • מהי סביבה מבוקרת?

        בפרק "מה צמחים צריכים?" היכרנו את צרכי הקיום החיוניים לגידול והתפתחות של צמחים. ראינו גם שכדי לאפשר גידול תקין, הצמחים זקוקים לסביבה שהמאפיינים השונים שלה נשמרים בטווח תקין מסויים. ערכים גבוהים מדי או נמוכים מדי של מים, טמפרטורה, מזון וכו', יפגעו בגידול ובהתפתחות התקינה.


        סביבה מבוקרת - סביבה שערכיה נשמרים באופן פעיל בטווח תקין מסויים.

        בקרה או תהליך בקרה - הפעולות שעושים כדי לשמור על הסביבה מבוקרת.


      • התנסות מעשית בבקרה 
        כדי להבין את הפעולות הבסיסיות שדרושות בתהליכי בקרה, נבצע בכיתה שתי התנסויות פשוטות:

        תהליך בקרה 1 - התנסות פיזית: ייצוב מקל על כף היד

        המשימה:
        לייצב מקל על כף היד, כמו באיור.





        תהליך בקרה 2 - התנסות מתוקשבת: סימולציה איזון ריכוז של תמיסה

        המשימה:
        למלא את המיכל בחצי ליטר של נוזל כשריכוז המומס הוא בדיוק 1.0 מול לליטר (השאירו את קצב ההתאדות על 0)

        האמצעים:
        - הוספת מים (על ידי הברז העליון)
        - הוספת מומס (על ידי טילטול ה"מלחייה")
        - ריקון המיכל על ידי הברז התחתון




         ננתח כל התנסות על פי הקריטריונים הבאים:

        1. מהו הגורם המבוקר? 

        2. מה מטרת הבקרה?

        3. אילו פעולות נקטנו בתהליך הבקרה? 

        4. איך ידענו אילו פעולות לנקוט?

        מה המשותף לשתי ההתנסויות?

      • בקרה במערכות ביולוגיות

        תהליך בקרה 3 - בקרת הטמפרטורה בגוף האדם

        תהליכי בקרה מתרחשים כל הזמן בעולם הטבע בכלל ובגוף האדם בפרט. 

        גוף האדם נדרש לשמור על סביבה פנימית קבועה, בה תכונות שונות נשמרות בטווח קבוע ומצומצם. 
        בגוף קיימים מנגנוני בקרה רבים בהם מעורבים חיישנים ואברי חישה ופעולות המבוצעות בתיווך של איברים ובלוטות.

        מנגנון השמירה על הטמפרטורה בגוף האדם
        חיישנים הנמצאים בסביבת המוח, בהיפותלמוס, עוקבים באופן רציף אחרי טמפרטורת הגוף ומעבירים את הנתונים לחלק אחר במוח. כאשר טמפרטורת הגוף עולה מעבר לטווח התקין, המוח מקבל החלטה להפעיל מנגנון קירור של הגוף (למשל- הזעה) ומפעיל את המנגנון המתאים (למשל הפרשת זיעה מבלוטות הזיעה). כאשר טמפרטורת הגוף יורדת מתחת לערך התקין, יגלו זאת אותם חיישנים אך הפעם יחליט המוח להפעיל מנגנון אחר, מנגנון הרעידה, שתפקידו לחמם את הגוף.


        באיור יש הצגה פשטנית של מנגנון השמירה על הטמפרטורה המתייחס רק למנגנוני רעד והזעה (בגוף קיימים מנגנונים נוספים - עדינים ומהירים יותר).

        ניתוח תהליך בקרת הטמפרטורה

        • מהן הפעולות שעל הגוף לבצע בתהליך השמירה על טמפרטורת הגוף (לפחות 4 פעולות)? 
        • איזה חלק בגוף אחראי לביצוע כל פעולה?

      • דף פעילות - ניתוח תהליך בקרת הטמפרטורה בגוף קובץ

      • מרכיבים של מערכת בקרה

        • מלבנים מייצגים את מרכיבי המערכת
        • חיצים מייצגים מידע, חומר או אנרגיה העוברים בין המרכיבים בכיוון החץ

        במערכת בקרה יהיו בדרך כלל  3 סוגי מרכיבים:

        • חיישנים - חשים ומודדים את הגודל המבוקר (למשל: טמפרטורת הגוף)

        • מערכת עיבוד - עוקבת אחרי הערך של הגורם הנמדד ומקבלת החלטות (למשל: מוח)

        • מפעילים - יוצרים שינוי בסביבה כדי לשנות את הגודל הנמדד (למשל: בלוטות זיעה)


        המלבנים בתרשים מייצגים את מרכיבי המערכת. החיצים מייצגים מידע, חומר או אנרגיה שעוברים בין המרכיבים השונים בכיוון החץ.

        זוהי מערכת משוב - פועלת את פעולתה על אותו גורם שגרם להפעלתה.

      • מערכת משוב שלילי

        משוב שלילי - משוב שפעולתו הפוכה לשינוי שהפעיל אותו.

        מערכת בקרת הטמפרטורה בגוף היא דוגמה למערכת של משוב שלילי, מכיוון שהשפעתה על הטמפרטורה היא כיוון הפוך לשינוי שגרם להפעלת המערכת.
        נדגים זאת בפעילות הבאה: