Способы управление нагревательными элементами
Итак, самое главное, что должен делать контроллер печи – это управлять нагревательным элементом.
При этом управлять напрямую мощностью нагрева через подачу различного напряжения («чуть-чуть», вполсилы включить) – мы не можем. Точнее, можем, конечно – например, поставить какой-нибудь подстроечный резистор – но вся проблема в том, что вся энергия, которую мы «отберем» у печки, пойдет в тепло на этот самый резистор (смотрим закон Ома, определение мощности и страдаем -_-).
Так что единственное, что мы можем делать – это включать-выключать весь нагревательный элемент.
Попробуем рассмотреть, как это можно сделать:
Это самое простое, что можно придумать: печка остыла – включаем нагрев, печка достигла нужной температуры – выключаем нагрев, печка снова остыла – включаем нагрев и так далее.
Результат у нас будет примерно такой:
Рисунок 1. Динамика изменения температуры во времени при включении-выключении нагрева.
Красным на рисунке отображено состояние, когда нагрев включен, черным – выключен.
Так, при нагреве мы «перескакиваем» нужное нам значение температуры – даже после отключения печки температура по инерции продолжает повышаться; затем, когда печка начинает остывать и доходит до нужного нам значения, мы снова включаем нагрев – но вот незадача, температура все равно падает, опять же по инерции! Так и приходится работать по синусоиде – получается не очень-то красиво.
Мы определили, что включать нагрев чуть-чуть мы не можем – но у нас есть такая вещь, как ШИМ!
ШИМ – широтно-импульсная модуляция; «это способ кодирования аналогового сигналa путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты».
Теперь попробуем объяснить понятней: мы не можем задавать напряжение на ножке микроконтроллера – у нас есть либо вариант «логическая 1» — оно же напряжение питания – либо «логический 0» — подтяжка к земле.
Однако если мы будем в течение не очень большого времени посылать то 1, то 0, то «в среднем» будет уже другая ситуация:
Рисунок 2. Пример ШИМ с различной скважностью.
Посмотрим характеристики ШИМа:
Рисунок 3. Характеристики ШИМ.
Период – это длительность прямоугольного импульса
Скважность – это соотношение длительности логической 1 к периоду.
Квант ШИМа – это минимальная длительность логической 1 в импульсе.
Если говорить об аппаратных ШИМах в avr, то квант ШИМа – один «тик» соответствующего таймера.
Используя ШИМ, мы сможем, оперируя включением-выключением, перейти к работе с мощностью: сделать нагрев 10%, 50%, 90%.
Понятно, что для каждой температуры в пределах разумного мы можем подобрать такое значение мощности, при котором бы эта самая температура оставалась неизменной, то есть Wнагрева = Wрассеивания (как в кухонных духовках).
Теперь основная проблема – а как же сопоставить эти самые мощность (W) и температуру (T)
Мы знаем, как зависит температура в печке от мощности: в идеальных условиях это линейная зависимость T = a * W + b, а вот в реальности – увы, из-за конвекции воздуха зависимость преобретает примерно следующий вид:
Рисунок 4.Зависимость температуры от мощности нагрева.
Сначала, когда разница между температурой печи и температурой окружающей среды небольшая, сохраняется примерно линейная зависимость, однако при возрастании температуры функция зависимости все больше напоминает формулу 
.
Вроде бы все хорошо, и решение, в принципе, найдено: каким-нибудь образом – например, калибровкой или настройкой – мы сопоставим мощность температуре. будем использовать ШИМ, и тогда у нас практически не будет перевалов через заданную температуру, мы будем спокойно нагревать печку такой силой, чтобы температура не менялась.
Но, к сожалению, реальность разбивает наши мечты.
Вся проблема в том, что частота сети у нас – 50 Гц. То есть, мы не можем включать-выключать питание нагревательного элемента чаще, чем 1/50 с, более того, лучше не делать этого чаще, чем 1/16 – 1/8 с. Это проблема номер раз – таким образом, и квант ШИМа должен быть не быстрее, чем 1/16 секунды.
Таймер/счётчик 0 и таймер/счётчик 2 в асинхронном режиме уже заняты (так, в асинхронном режиме квант ШИМа получается 8/32768 ˜ 0.00024 с – очень мало); попробуем рассчитать квант ШИМа для обычного 16-разрядного таймера с максимальным предделителем 1024: получается 1024/8000000 = 0.000128 c. Слишком быстро! Но можно считать квант ШИМа как два тика таймера, как три… Оптимальным числом будет являться 1000 – тогда квант будет 1024/8000000*1000 = 0.128 с. Неплохо вроде, жить можно… А теперь ещё немного разочарования: тТаймер у нас 16-разрядный, то есть считает до 65535; но если квант ШИМа – это 1000 тиков таймера, то… Получаем 65635/1000 = 65 возможных значений ШИМа. Маловато будет!
Так что аппаратный таймер, похоже, нам не светит. Будем делать программный, сами, тогда сможем задать и длительность кванта ШИМа, и количество «делений» ШИМа.
Едем дальше.
Представим, что мы измеряем температуру от 0 до 300 градусов с точностью 0.5 градуса – то есть, всего 600 возможных значений.
Чтобы точно сопоставить температуре мощность, нужно использовать градацию мощности большую, чем градация температуры, иначе мы получим такую ситуацию: например, нам нужно поддерживать в печке температуру 100 ˚С; при этом при значении ШИМа «1000» поддерживается температура 99.5 ˚С, а при значении «1001» — температура 100.5 ˚С. Проблема? Проблема!
Тогда или мы делаем градаций ШИМа в несколько раз больше, чем градаций температуры – например, раз в 10 – но тогда понятно, что период ШИМа затянется на много секунд, и это будет очень неторопливая печка, или, например, можно использовать ШИМ вместе с выключением – нагрели до 100.5 градусов, выключили, снова нагрели… Тут тоже будет «синусоида», как и в первом варианте – простом включении-выключении, но уже с меньшей амплитудой.
Как же реализовать ШИМ, который будет точно подходить к заданному значению температуры, и при этом у него будет не очень большой период?
А вот как – через «чередование»: можно сделать так, чтобы значение ШИМа было то 1000, то 1001 – если смотреть предыдущий пример.
Рисунок 5.Схема комбинированного ШИМ.
Таким образом, в зависимости от доли того или иного значения ШИМа мы будем ближе к той или иной температуре (так, если будем каждый раз чередовать 1000 и 1001 значение, то получим среднее – 100 ˚С; если будем 3 раза пускать ШИМ со значением 1000, а на четвертый делать значение 1001, то получим температуру 99.75 ˚С и т.д.)
При этом, если бы мы могли работать с аппаратным ШИМом, нужно было бы переключать значения не очень часто (уж точно не каждый цикл).
По сути своей, комбинированный ШИМ – это ШИМ в ШИМе).
Итак, попробуем сперва реализовать программный ШИМ, который будет включать-выключать нагревательный элемент с заданной частотой.
Получаем следующий заголовочный файл:
Добавляем в основном файле функцию прерывания в прерывание часового таймера, и пишем основную функцию:
Рисунок 6. Пример работы ШИМ.
Период ШИМ – 8 секунд, как и планировалось.
Обратите внимание, в функции выключения машины нагрева помимо снятия флага IsOn мы принудительно выключаем физический элемент — на всякий случай!
Теперь задача посложнее: научиться выбирать подходящий уровень ШИМ.
Поразмыслив, мы решили реализовать ПИД-регулятор.
Если кратко, то на вход ПИД-регулятор в нашем случае получает разницу между заданной и текущей температурами, а на выход выдаётся уровень ШИМ-а для нагревательного элемента.
ПИД-регулятор включает в себя, соответственно, пропорциональную (P), интегральную (I) и дифференциальную (D) составляющую.
В общем случае формула ПИД-регулятора выглядит так:
Рисунок 7. Формула ПИД-регулятора.
Где e(t) – текущее значение ошибки, то есть разница между заданной и текущей температурой, а Kp, Ki , Kd – соответственно, коэффициенты ПИД-регулятора. Выглядит жутко, да.
Для программной реализации мы будем использовать дискретные формулы:
u(t) = P (t) + I (t) + D (t)
I(t) = I (t — 1) + Ki * e (t)
Таким образом, пропорциональная составляющая зависит исключительно от разницы между текущей и заданной температуры, интегральная – накапливает ошибку, и постепенно её влияние возрастает (работает как бы «с запаздыванием»), а дифференциальная составляющая пропорциональна темпу изменений («придает ускорение»). Отметим сразу, что коэффициент интегральной составляющей обычно меньше единицы; при этом получение данных и, соответственно, регулирование уровня ШИМ должно производиться через равные промежутки времени – поэтому машина контроля за уровнем нагрева будет выглядеть примерно так же, как и машина отображения кухонного таймера или машина отображения текущей температуры – в прерывании будет некоторый счётчик, и по достижению максимума в основной программе будет запускаться функция регулировки уровня ШИМ нагрева печи.
Добавим в библиотеку ADCTemperature переменную, хранящую заданную температуру.
Так выглядит заголовочный файл:
Вот проект. Для того, чтобы проверить его работу, в функцию машины PID-регулятора можно добавить отображение значения текущего уровня ШИМ нагрева на дисплее, и попробовать нагреть конец термопары — тогда уровень ШИМ будет постепенно снижаться; прошивка такой программы лежит тут.
Основная проблема – настроить коэффициенты ПИД-регулятора. Есть несколько способов: самый простой и горячо любимый – метод научного тыка. О нём хорошо рассказано у наших товарищей.
Также есть метод Циглера-Никольса – он требует экспериментальных данных на реальном объекте: сначала используем P-регулятор (убираем I- и D-составляющие), P-коэффициент увеличиваем до тех пор, пока на выходе системы (это показания текущей температуры) не установятся колебания с постоянной амплитудой. Тогда текущее значение P-коэффициента фиксируется (Kp * ), также измеряется период установившихся колебаний (T).
Значения коэффициентов ПИД-регулятора будут рассчитываться по следующим формулам:
Источник
Управление водонагревателем
Управление водонагревателем. Механическое или электронное, какое лучше выбрать по типу. Блоки, модули, платы и панели популярных моделей.
Механическое или электронное управление водонагревателем
Водонагреватели с механическим управлением существенно дешевле моделей, оборудованных электроникой. При этом электронное управление позволяет уменьшить общие затраты на согревание воды.
Электронный модуль водонагревателя в автоматическом режиме анализирует параметры воды на входе и выставляет оптимальную мощность работы. Это обеспечивает быстрое достижение нужной температуры и поддержание ее параметров в дальнейшем.
Тем самым, на нагревание тратятся исключительно оптимальные ресурсы. Это происходит без перерасхода электрической энергии или газа. Электронное управление водонагревателем дает лучшую энерго эффективность оборудования.
Так, современные приборы с электронным модулем управления запоминают действия пользователей и их потребность в горячей воде на протяжении недели. По результатам анализа выстраивается оптимальный алгоритм работы, позволяющий минимизировать затраты электроэнергии. Блок управления водонагревателем запоминает время суток, на которое приходится наибольшее потребление. По этой информации заблаговременно включается нагреватель, чтобы получить к нужному времени достаточный объем горячей воды.
Это значительно сокращает расходы электрической энергии, так как устройство не работает постоянно для обеспечения заданной температуры. С другой стороны, у потребителя всегда достаточно горячей воды.
При изменении расхода горячей воды анализ осуществляется заново. По мнению специалистов, экономия электрической энергии достигает 26 % в год.
Бюджетные водонагреватели, имеющие электронное управление, обеспечивают температуру воды только до того момента, пока потребление воды не увеличится. При повышенном расходе параметры воды не будут сохраняться на стабильном уровне.
Гидравлическое управление водонагревателем
Является самым старым вариантом, широко применяющимся и в настоящий день. Данное управление водонагревателем работает по принципу: внутри устанавливается специальный блок, имеющий мембрану и шток. Шток воздействует на электрический выключатель. Выключатель рассчитан на 3 положения:
- Выключено,
- включен 1 режим мощности,
- включен 1 и 2 режим мощности.
При потреблении воды мембрана смещается, шток толкает выключатель. При небольшом потреблении воды включается первый режим мощности. Значительное расходование воды вызывает включение обоих режимов.
В бюджетных приборах имеется лишь одна ступень мощности. Обычно, это водонагреватели с мощностью не более 5 кВт.
Термостат
Представляет собой устройство, предназначенное поддерживать заданную пользователем температуру воды в водонагревателе. Осуществляется способом включения и отключения нагревательного элемента. Конструкция термостата определяет максимально возможную температуру воды в баке. У бюджетных моделей она достигает 60 градусов. В более продвинутых аппаратах она составляет 85 градусов.
Такие ограничения температуры связаны и заботой о безопасности. По нормативам допустимая температура горячего водоснабжения не должна превышать 60 градусов.
Источник
