Liệu một PWM với độ phân giải 1% trong vòng lặp gia nhiệt PID có thể đạt được độ chính xác nhiệt độ cao hơn 1% không?

Tôi cần đặt nhiệt độ trong khoảng từ 20 ° C đến 300 ° C. Tôi đang sử dụng đầu ra PWM với độ phân giải 1% chu kỳ nhiệm vụ. Thời gian tổng thể của PWM và thời gian của vòng lặp PID có thể có độ chính xác cao hơn 1% của khoảng nhiệt độ trong tải không?

Nó phụ thuộc vào hằng số thời gian của tải. Một tải nóng thường sẽ phản hồi trong 10 giây.

Nếu bạn tạo 30% PWM trong một giây, thì 31% PWM cho giây tiếp theo, nó sẽ trông giống như 30,5% trung bình trong vài giây.

Bộ điều nhiệt lò có xu hướng hoạt động một phút, tắt một phút và vẫn đạt được nhiệt độ lò ổn định đến một chữ số C. Một 1% PWM được điều chỉnh một lần mỗi giây có thể làm tốt hơn nhiều lần so với mức đó.

Đúng.

Với thực tế là liên quan đến các quy định khác (điện áp, dòng điện, v.v.), quy định nhiệt độ khá chậm, điều bạn có thể làm là sử dụng một bộ vi điều khiển (tôi đoán là bạn đã làm), nhưng thêm một biến thể tuần hoàn của tín hiệu PWM chiều rộng.

hãy tưởng tượng rằng để hệ thống của bạn ổn định, bạn cần có độ rộng xung là 3,8%. bạn chỉ cần áp dụng chu kỳ thuế 3% trong 20% ​​thời gian và 4% trong 80% còn lại. làm điều đó trong hơn một giây sẽ cho phép bạn đạt được độ chính xác bạn cần.

Câu hỏi kỳ quặc, nhưng điều tôi nghĩ bạn đang hỏi là nhiệt độ của tải sẽ tăng thêm 1% bước với độ phân giải 1% của bước chân. tức là 2.828C mỗi bước.

Mặc dù nghe có vẻ như vậy, nhưng câu trả lời cho điều đó có lẽ là không.

Lý do là, để điều đó xảy ra, cần phải có mối quan hệ 1-1 giữa công suất và nhiệt độ tăng trong tải. Tuy nhiên, tùy thuộc vào hình dạng và môi trường của tải, điều đó khó có thể đúng.

Để làm nóng thứ gì đó đến một nhiệt độ cụ thể, bạn cần bổ sung đủ năng lượng để cân bằng năng lượng mà vật thể bị mất với môi trường xung quanh ở nhiệt độ đó. Vấn đề là, khi nhiệt độ tăng, hiệu suất truyền nhiệt từ bề mặt của những gì bạn đang sưởi ấm cũng thay đổi.

Đối với phạm vi nhiệt độ nhỏ, công suất đến nhiệt độ, có thể được coi là gần như tuyến tính, nhưng 300C không phải là phạm vi nhiệt độ nhỏ.

Làm thế nào tuyến tính bất cứ điều gì bạn có kế hoạch sưởi ấm là gì, và chính xác 1% cần phải như thế nào (tức là 1% cộng hoặc trừ những gì?), Tất nhiên, nằm ngoài phạm vi của câu hỏi này và trả lời. Nhưng tôi sẽ nghi ngờ rằng bạn sẽ cần phải tăng thêm rất nhiều sức mạnh để tăng nó lên 50C cuối cùng so với bạn đã làm để có được nó lên đến 70C.

THÊM VÀO

Không rõ ràng từ câu hỏi của bạn cho dù bạn đã bao gồm cảm biến nhiệt độ trong vòng điều khiển của bạn. Tôi nghi ngờ, vì bạn đã hỏi câu hỏi, rằng câu trả lời là không, do đó trọng tâm trong câu trả lời này.

Nếu bạn cần đặt nhiệt độ chính xác trong mọi điều kiện, bạn thực sự sẽ cần buộc lại phép đo đó vào vòng điều khiển hệ thống. Tại thời điểm đó, bạn có thể thay đổi thời gian điều chế PWM để giữ nhiệt độ chính xác như bạn có thể đo được, tất cả đều có độ trễ nhiệt và độ trễ.

Nhưng tất nhiên, đo nhiệt độ chính xác trên một vật thể lớn có thể là một thách thức đối với chính nó.

Nó phụ thuộc.

Nếu bộ điều khiển của bạn, hoặc mã thuật toán điều khiển, có thể đo nhiệt độ tải và theo dõi đầu ra mong muốn với độ phân giải tốt hơn '1%' (lưu ý rằng mối quan hệ giữa đầu ra với nhiệt độ không phải là tuyến tính), thì có thể đạt được tốt hơn nhiều Độ phân giải đầu ra hiệu quả 1% bằng cách phối màu, như câu trả lời của Neil_UK cho thấy. Sự cải thiện thực tế mà bạn có thể quản lý sẽ phụ thuộc vào thời gian của hằng số thời gian tải liên quan đến thời gian chu kỳ đầu ra của bạn.

Nếu bộ điều khiển hoặc mã của bạn không thể làm điều này thì bạn sẽ nhận được một số dao động trong nhiệt độ tải. Ví dụ: nếu điểm đặt và các điều kiện môi trường sao cho đầu ra 'chính xác' cho nhiệt độ tải yêu cầu sẽ là 30,5% thì đầu ra gần nhất có thể nhận được là 30%, trong trường hợp đó, tải sẽ nguội xuống một chút dưới điểm đặt , hoặc 31% trong trường hợp nó sẽ nóng lên một chút so với điểm đặt và chỉ bằng cách 'nhận thấy' độ lệch này trong nhiệt độ tải thực tế, bộ điều khiển có thể thay đổi đầu ra của nó để điều chỉnh độ lệch.

Tôi đoán rằng kích thước của biến động trong trường hợp sau sẽ phụ thuộc vào hệ số tỷ lệ và đạo hàm trong thuật toán điều khiển của bạn và nhiệm vụ của bạn sẽ là (luôn luôn) để điều chỉnh bộ điều khiển cho độ chính xác tốt nhất mà không gặp rủi ro không ổn định hoặc vượt quá mức.

Ngoài ra, hãy nghĩ về chính xác những gì bạn có nghĩa là chính xác . Bạn có cần độ chính xác tuyệt đối (điểm đặt 100 ° C cho giá trị được kiểm soát thực sự là 100 ± 0,1 ° C) hoặc chỉ ổn định (giá trị được kiểm soát có thể ổn định ở bất kỳ đâu từ 98 đến 102 ° C nhưng sau đó ổn định trong khoảng 0,1 0,1 ° C)? Độ chính xác tuyệt đối của phép đo nhiệt độ khó đạt được hơn mọi người nghĩ, nhưng có nhiều ứng dụng trong đó độ chính xác tuyệt đối không quá quan trọng miễn là độ ổn định là tốt.

Nhiều khả năng là có. Tôi đã thực hiện chính xác những gì bạn đang hỏi về một sản phẩm thương mại.

Lý do tôi nói "rất có thể" thay vì chỉ "có" là vì để có độ phân giải nhiệt độ cao hơn độ phân giải PWM đòi hỏi chu kỳ PWM phải nhỏ hơn đáng kể so với hằng số thời gian nhiệt chi phối. Trừ khi bạn có một lò sưởi rất khác thường (dây tóc của bóng đèn sợi đốt có thể là một ví dụ), yêu cầu này sẽ được đáp ứng.

Ví dụ thực tế

Tôi đang viết phần sụn điều khiển dòng điện và điện áp thông qua một ống Xray. Logic cấp cao hơn sẽ xác định điện áp và dòng điện là gì và công việc của phần sụn của tôi là làm cho nó trở nên như vậy.

Trong trường hợp này, ống chỉ là cực âm và cực dương, không có lưới điện. Dòng tia được kiểm soát bằng cách thay đổi mức ổ đĩa của lò sưởi catốt. Đó là về một lò sưởi nhỏ và nhanh nhẹn như nó có được, nhưng hằng số thời gian của nó vẫn còn nhiều mili giây.

Bộ phát tín hiệu PWM đến lò sưởi đang chạy ở nhiều kHz, nhanh hơn nhiều lần so với bất kỳ tần số đáp ứng nóng có ý nghĩa nào. Thật không may, độ phân giải PWM quá thấp để đạt được một số dòng mong muốn trong phạm vi sai số mong muốn. Điều này không được giúp đỡ bởi chức năng của nhiệt độ catốt đối với dòng tia có tính phi tuyến tính cao.

Nếu đây là ràng buộc duy nhất trên PWM, tôi có thể chỉ cần tăng thời gian PWM để có độ phân giải cao hơn. Tuy nhiên, bộ xử lý này đã làm rất nhiều thứ và do hạn chế về phần cứng, đồng hồ tương tự đã được sử dụng cho những thứ khác và không thể thay đổi.

Giải pháp là thực hiện phối màu của chu kỳ nhiệm vụ PWM. Nếu tôi nhớ đúng, tôi đã sử dụng 8 giá trị chu kỳ nhiệm vụ khác nhau. Trong trường hợp này, tôi có thể sử dụng một công cụ DMA trong vi điều khiển để tự động sắp xếp 8 giá trị. Thói quen thiết lập chu kỳ nhiệm vụ đã thực hiện phép toán và điều chỉnh 0 đến 7 giá trị một giá trị cao hơn giá trị đầu tiên.

Điều này cung cấp hiệu quả độ phân giải cao hơn 8 lần. Chu kỳ PWM x8 vẫn ngắn so với hằng số thời gian gia nhiệt, vì vậy bộ gia nhiệt vẫn dễ dàng lấy trung bình các giá trị chu kỳ nhiều nhiệm vụ.

Phi tuyến tính

Tôi thấy Trevor đã chạm vào điều này. Nhiệt độ của máy sưởi thường có thể khá phi tuyến tính với nguồn điện đầu vào. Điều này thường là do sự đối lưu không phản ứng tuyến tính với nhiệt độ, và do đó làm mát một vật nóng không tương xứng nhiều hơn so với vật làm mát. Ở nhiệt độ cao hơn nhiều, bức xạ cơ thể màu đen trở nên đáng kể. Công suất bức xạ cũng khá phi tuyến tính với nhiệt độ.

Trong trường hợp của tôi, không chỉ cực âm được làm mát chủ yếu bởi bức xạ vật đen (nó ở trong chân không), mà chức năng của nhiệt độ đối với dòng tia cũng rất phi tuyến tính.

Hệ thống phi tuyến tính rất khó kiểm soát. Các phương tiện đơn giản như PID hoặc bất kỳ thứ gì có được từ phân tích miền S đều không hoạt động tốt với các hệ thống phi tuyến tính. Nếu bạn cố gắng, bạn sẽ kết thúc quá mức các phần của phạm vi chỉ để duy trì sự ổn định trong các phần khác của phạm vi. Điều đó có thể dẫn đến thời gian giải quyết dài không thể chấp nhận được trong các phần của phạm vi bị quá ẩm.

Giải pháp tôi đã sử dụng trong trường hợp này và tôi cũng đã sử dụng cho một vài dự án khác là tuyến tính hóa hệ thống theo quan điểm của vòng điều khiển.

Tôi đã làm điều này bằng cách chèn một tra cứu tuyến tính giữa đầu ra của bộ điều khiển và đầu vào hệ thống. Trong quá trình sản xuất, hệ thống đã chạy vòng lặp mở tại một số điểm đặt. Các kết quả đã được sử dụng để điền vào bảng tra cứu được lưu trữ trong bộ nhớ không bay hơi duy nhất cho mỗi đơn vị.

Hệ thống vẫn không tuyến tính trong bất kỳ phân đoạn nào của bảng tra cứu. Tuy nhiên, các phân đoạn này là một phần nhỏ trong phạm vi của hệ thống, do đó, các đặc điểm hệ thống không thay đổi nhiều so với một phân khúc. Nếu họ làm, sau đó sử dụng nhiều phân khúc.

Kết quả làm việc rất tốt. Vâng, tất cả điều này đang chạy trong một sản phẩm thương mại mà bạn có thể mua ngoài kệ ngày hôm nay.

Một số người đã đề cập đến điều này, nhưng tôi muốn làm rõ hơn.

Lưu ý: nếu máy sưởi của bạn có điều khiển nhiệt độ điện tử tích hợp, vui lòng chuyển đến phần cuối cùng của câu trả lời của tôi.

PWM không kiểm soát nhiệt độ của lò sưởi thông thường

Thay vào đó, nó kiểm soát lượng năng lượng được thải ra bởi lò sưởi. Nếu bộ gia nhiệt không gian được cách ly lý tưởng, tín hiệu PWM không đổi sẽ kiểm soát mức tăng nhiệt độ nhanh - cho đến khi bộ gia nhiệt tự tan chảy hoặc vỏ bọc của nó.

Trong thực tế, nhiệt bị mất chắc chắn qua quá trình đối lưu, bức xạ hoặc các quá trình khác, do đó, trạng thái cân bằng ổn định có thể hình thành: nếu một lò sưởi được làm nóng đến chu kỳ 100%, nó có thể được đánh giá là nóng đến 300 ° C trong một số trường hợp được xác định trước.

Tuy nhiên, những trường hợp đó không bao giờ có thể đáng tin cậy: gió, áp suất không khí, độ ẩm và nhiệt độ môi trường có thể làm lệch các xếp hạng theo chu kỳ từ nhiệt độ đến nhiệt độ của máy sưởi của bạn.

Nếu nhiệt độ của bạn rất cao (cao hơn khoảng 200 ° C), bạn có thể thoát khỏi các biến thể do các yếu tố bên ngoài không đáng kể, nhưng trong trường hợp đó, nhiệt độ chính xác không phải là rất chính xác, vì vậy điều chỉnh dưới 1% sẽ không có ý nghĩa gì

Tham khảo cảm biến nhiệt độ

Một cách đáng tin cậy để kiểm soát nhiệt độ sẽ là sử dụng cảm biến nhiệt độ: Nếu nhiệt độ mong muốn cao hơn cảm biến nhiệt độ, hãy cấp nguồn cho máy sưởi ở mức 100% năng lượng; nếu nó thấp hơn, cắt điện hoàn toàn.

Lý do sử dụng 100% hoặc không có điện là vì máy sưởi luôn phản ứng và rất có thể bạn muốn nhiệt độ đạt đến mức mong muốn càng nhanh càng tốt.

Giả sử bạn có một lò sưởi thường có thể làm từ 20 ° đến 300 ° C, và bạn cần nó nóng lên từ nhiệt độ phòng đến 100 °.

Nếu bạn cấp nguồn cho nó với chu kỳ nhiệm vụ 30% PWM, nó sẽ bắt đầu tăng nhiệt độ nhanh, nhưng sau đó chậm dần. Tùy thuộc vào loại lò sưởi, có thể mất nhiều giờ trước khi nó thực sự đạt đến nhiệt độ mong muốn. Đó là bởi vì mất nhiệt tăng với chênh lệch nhiệt, nên vài độ cuối cùng mất nhiều thời gian nhất.

Thay vào đó, bạn nên cấp nguồn cho lò sưởi với 100% năng lượng có sẵn để làm cho nó đạt được nhiệt độ mong muốn nhanh hơn nhiều.

Khi nhiệt độ đạt đến giá trị mong muốn, bạn vẫn cần phải phản ứng nhanh với những cơn gió bất chợt thổi vào máy sưởi hoặc hậu quả tương tự.

Ứng dụng PWM có thể

Trong một số trường hợp lò sưởi, tải của nó và cảm biến có thể khá phản ứng, do đó mạch có thể cần dự đoán sự thay đổi nhiệt độ do lò sưởi gây ra ở một mức độ nào đó.

Nếu điều đó là không khả thi, cho ăn lò sưởi với công suất phân đoạn có thể thực sự hữu ích để làm cho nhiệt độ duy trì ở mức mong muốn.

Trong trường hợp đó, chi tiết chính xác (bao gồm câu trả lời cho câu hỏi của bạn) có thể phụ thuộc vào thông số vật lý của lò sưởi, tải và môi trường của nó. Hoặc nhiệt độ cần phải thực sự ổn định.

Trong những trường hợp đó, tín hiệu PWM không cần phải chính xác, thay vào đó, nó vẫn nên tự điều chỉnh lên xuống tùy theo cách đọc của đầu dò.

Lo ngại chuyển đổi điện

Một lò sưởi điện có thể không được thiết kế để hoạt động trên nguồn điện PWM. Tùy thuộc vào cách chính xác nó được xây dựng, nó có thể bắt đầu rung và cuối cùng tự hủy hoặc gây ra các vấn đề không lường trước khác.

Hầu như tất cả các máy sưởi đều tiêu thụ rất nhiều năng lượng. Các thyristor hoặc bóng bán dẫn điều khiển PWM cho các ứng dụng như vậy có thể khá kém hiệu quả và đòi hỏi phải làm mát đáng kể với chi phí đắt đỏ.

Về chủ đề thyristor đúng pha (đối với AC), độ chính xác dưới 1% có thể không đạt được một cách đáng tin cậy với chúng vì nguồn AC có thể không phải là một sin hoàn hảo.

Máy sưởi điều khiển điện tử

Một số "máy sưởi" thực sự có thể là thiết bị điện tử tự cảm nhận nhiệt độ và kiểm soát năng lượng. Nhiệt độ mong muốn có thể được đặt thông qua tín hiệu PWM. Đó là những điều hiếm gặp nhưng đó là lý thuyết duy nhất có thể giải thích mối quan hệ trực tiếp giữa chu kỳ nhiệm vụ và nhiệt độ.

Trong trường hợp này, câu trả lời cho câu hỏi của bạn phụ thuộc vào thiết bị điện tử điều khiển tích hợp của máy sưởi. Các điều chỉnh chính xác được mô tả trong câu hỏi có thể sẽ hoạt động với giả định rằng các thiết bị điện tử đã đủ chính xác - thực tế đó cần được nêu trong tài liệu của nó.

Bởi vì hầu hết tất cả các máy sưởi như vậy hoạt động bên trong như tôi đã mô tả trước đó, chúng thường thực hiện các chu kỳ bật tắt khá dài, do đó nhiệt độ thực tế có thể dao động lên xuống theo thời gian cho dù tín hiệu PWM có chính xác đến đâu.