CC BY
30МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 62-556:697:006.034 Ж24
Адаптивный алгоритм для автоматизации работы термостата
А.В.Щагин, Е.Ю.Амосов Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Рассмотрен алгоритм регулятора, позволяющий повысить точность стабилизации температуры объекта в условиях адаптации к изменяющейся окружающей среде.
Ключевые слова: терморегулятор, термостат, микроконтроллер, закон управления, алгоритм управления.
Существует множество задач, в которых необходимо поддерживать заданный температурный режим при минимальных затратах на управление температурой. Для этих целей разработаны различные регулирующие устройства - термостаты. Простые аналоги термостатов состоят из нагревателя, термодатчика и компаратора. Принцип работы таких регулирующих устройств основан на сравнении опорного значения температуры с получаемым значением температуры от термодатчика. Однако в таких системах часто возникает перегрев или переохлаждение термостата за счет конечной скорости распространения тепла по его объему, что приводит к низкой точности стабилизации температуры и, возможно, к выходу из строя регулируемого объекта.
В более сложных термостатах эти недостатки частично устраняются следующими способами:
- устанавливаются два компаратора для упреждения перегрева и переохлаждения, обеспечивающие два порога срабатывания: первый компаратор выключает нагреватель раньше, чем термостат успеет нагреться до заданной температуры, а второй - включает нагрев до того, как термостат остыл (достиг отметки критического охлаждения).
- подбирается мощность нагревателя таким образом, чтобы тепло успевало распространиться по всему объему термостата.
Эффект дрейфа температуры в таких термостатах устраняется незначительно, что не позволяет достичь высокой точности стабилизации температуры. Так, например, если термодатчик находится в непосредственной близости от нагревателя (менее 1 см), то точность стабилизации может достигать значений 0,005-0,01 °С [1, 2], в других случаях эта величина будет составлять около 0,1-0,5 °С (например, цифровые датчики температуры).
Существуют более сложные цифровые термостаты на основе персональных компьютеров и микроЭВМ, обеспечивающих достаточно высокую точность стабилизации температуры, которая достигается за счет:
- учета тепла, отдаваемого термостатом в окружающую среду;
- применения аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей;
© А.В.Щагин, Е.Ю.Амосов, 2011
- применения алгоритмов табличной обработки и определения составляющих величины регулирования, пропорциональных рассогласованию, интегралу и производной от изменения температуры (ПИ-, ПИД-регуляторы), а также рассеиваиваемой мощности нагревателя [3].
В таких термостатах предполагается их настройка под конкретный нагреватель, геометрию термостата, расположение термодатчика и прочие данные, которые необходимо заносить в таблицы. Использование дорогостоящих микросхем дополнительно ограничивает их применение.
Развитие микропроцессорной техники и внедрение ее в электронную аппаратуру стимулировало создание термостата на основе микропроцессора с заложенными в него сложными алгоритмами, которые способны:
- самостоятельно и автоматически проводить калибровку термостата;
- учитывать внешние факторы, влияющие на термостат;
- постепенно повышать точность стабилизации до максимально возможной, используя данные предварительно рассчитанной температуры термостата, а также собранные и обработанные данные.
При достаточно точных и стабильных параметрах, характерных для электронных приборов, такие регуляторы могут иметь очень низкую стоимость, близкую к стоимости простейших механических регуляторов (биметаллических, дилатометрических и т.п.) и вместе с тем работающих в широком диапазоне измеряемых температур, недостижимом для механических регуляторов, в котором работают широко применяемые стандартные датчики температуры - термометры сопротивлений и термопары.
В цифровых термостатах производится адаптация к системе нагреватель-термостабилизируемое тело-термодатчик. В целях уменьшения стоимости и габаритов электронной части термостата предлагается использовать «гибридный» метод термостабилизации. В качестве основного элемента такой системы, осуществляющего сравнение опорной температуры с заданной, следует использовать высокоточный и стабильный компаратор, а совместно с ним применять дешевый АЦП и аналоговый коммутатор, встроенный в микроконтроллер, выполняющий все остальные функции управления. В этом случае в алгоритме управления термостатом во время режима стабилизации используются только данные от прецизионного компаратора и данные замера времени. Данные, поступающие с АЦП, используются только для приблизительной оценки точности термостабилизации и для калибровки, и в этом случае небольшая погрешность АЦП не играет существенной роли.
Основным достоинством термостата такого типа является использование алгоритма, адаптирующегося к работе термостата. Данный алгоритм (как вариант) может представлять собой следующие действия: с каждой итерацией перегрев-переохлаждение режим работы нагревателя изменяется таким образом, чтобы цикл становился все более длительным и равномерным (время нахождения термостата в состоянии перегрева и переохлаждения должно быть одинаковым или иметь минимальное отклонение). Это обеспечит более точное стабилизирование температуры.
Основу алгоритма работы разрабатываемого термостата составляют следующие положения.
1. Алгоритм должен учитывать несоответствие динамики нагрева динамике охлаждения при расчете параметров нагрева и охлаждения (при расчете параметров нагрева и охлаждения). Так как при работе термостат взаимодействует с внешней средой посредством конвективного теплообмена, то количество тепла, передаваемого в процессе конвективного теплообмена, определяется законом Ньютона-Рихмана (эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через
температурный напор). При этом интенсивность теплоотдачи зависит от вида конвекции, условий движения газа и его физических свойств, форм и размеров теплоотдаю-щей поверхности. В случае регулярного режима охлаждения [4] (нагрева) для двух произвольных моментов времени зависимость между температурой и временем имеет вид
ЬпГ2 - ЬпТ
12 \
= сош!,
(1)
где I - время, Т - избыточная температура.
2. Алгоритм должен обеспечивать вычисление требуемой мощности нагревателя с учетом времени распространения тепла по объему термостата.
3. Алгоритм должен адаптироваться к работе термостата, чтобы обеспечить максимально возможную стабилизацию температуры.
Структурная схема предлагаемого термостата изображена на рис.1.
Рис. 1. Структурная схема термостата
Сигнал от датчика температуры окружающей среды 5 через операционный усилитель (ОУ) 9 подается на аналоговый коммутатор 14. Сигнал от датчика температуры 1, закрепленного (погруженного в объект - если это необходимо) на термостабилизируе-мом теле 3, подается на прецизионный компаратор 6, который сравнивает сигнал термодатчика с опорным сигналом от источника опорного напряжения 10. Результат сравнения попадает на микроконтроллер для дальнейшего анализа. Помимо компаратора, сигнал с термодатчика поступает на ОУ 12, усиливающий сигнал до уровня, обеспечивающего замер абсолютной температуры с точностью до 0,1 °С. Кроме того, чтобы обеспечить относительное измерение температуры с дискретностью 0,03 °С в диапазоне 0,2 °С, сигнал усиливается ОУ 13. Сигналы обоих ОУ поступают на коммутатор 14, затем под управлением микроконтроллера 7 производится поочередное коммутирова-
ние входных сигналов с последующим кодированием их на 10-разрядном низкоскоростном АЦП 11.
Данные из АЦП поступают в микроконтроллер 7. На основании полученных и накопленных данных с использованием заложенного в микроконтроллер алгоритма вырабатывается широтно-импульсно-модулированный сигнал управления нагревателем, который через усилитель мощности 8 поступает на нагреватель 4. Управление нагревателем происходит при помощи широтно-импульсной модуляции с частотой 500-1000 Гц.
Поскольку большой точности и линейности АЦП и коммутатора не требуется в схеме можно использовать микроконтроллер, в состав которого уже входит АЦП и коммутатор, например микроконтроллеры фирмы А1те1 А1те§а8, А1те§а16, А1те§а103 и др. Необходимо иметь в виду, что термодатчики, компаратор, источник постоянного тока и опорного напряжения должны обладать высокой временной и температурной стабильностью и не зависеть от изменения напряжения питания.
На уровне подпрограмм алгоритм работы термостата показан на рис.2.
Рис. 2. Алгоритм работы термостата
Приведем краткое описание алгоритма.
1. Фиксируется время, за которое термостат нагреется на 3 °С.
2. Фиксируется время, за которое термостат остынет на 3 °С.
3. Одновременно с нагревом и охлаждением замеряется температура среды, окружающей термостат.
4. Идет быстрый нагрев термостата до рабочей температуры.
5. На основе калибровочной информации о мощности нагревателя и поверхности, через которую термостат отдает тепло в окружающую среду, вычисляется доля мощности, которую необходимо подавать на нагреватель.
6. Устанавливаются начальные значения процента мощности нагрева и остывания относительно рассчитанной в п. 5, равные 105 и 95% соответственно.
7. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от компаратора.
8. Микроконтроллер постоянно производит замер времени, в течение которого сигнал от компаратора находится в состоянии логических «1» и «0». Если время отличается более чем на 3-5%, то производится коррекция значения мощности нагрева или охлаждения (чтобы время перегрева и недогрева стало одинаковым).
9. В случае если это время (п. 8) одинаково, производится приближение мощности нагрева и охлаждения к их среднему значению на 10%.
10. Проводится корректировка коэффициентов мощности на основе данных, полученных от внешнего датчика температуры окружающего воздуха (расположенного рядом с термостатом).
11. Во время каждой итерации приближения мощности нагрева к мощности остывания контролируется сигнал, поступающий от дополнительного ОУ (для определения степени стабилизации температуры), и проверяется, не ухудшилось ли это значение относительно предыдущего замера. Если это произошло (значение ухудшилось), то расширяется диапазон между мощностью нагрева и охлаждения на 50%.
12. Микроконтроллер вырабатывает сигнал переключения с пониженной мощности на повышенную с опережением времени относительно предыдущей итерации на 25%.
13. Микроконтроллер повторяет описанные выше действия, начиная с п. 7.
При каждом уменьшении диапазона между долями мощности нагрева и остывания термостата существует опасность просчета доли подводимой мощности, особенно в случае изменения внешних условий. Поэтому для уменьшения этого диапазона выбрано значение 10%. В случае если температура внешней среды изменяется быстрее, чем процессор успеет ее измерить, или результаты расчета коэффициента коррекции доли мощности нагрева и охлаждения окажутся не точны, точность стабилизации будет понижаться на 50% на каждый цикл нагрева-охлаждения. Точность стабилизации температуры будет понижаться до тех пор, пока ошибка вычисления коэффициентов до мощности нагрева и охлаждения не станет меньше самого диапазона этих коэффициентов, после чего этот диапазон снова начнет сужаться.
Таким образом, на основе данного алгоритма разработано устройство управления термостатом маслонагревательной установки типа ГАР. В качестве управляющего контроллера выбран Atmega16, содержащий в своем составе 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь. В качестве аналогового компаратора использовался прецизионный ОУ 140УД24, датчики температуры полупроводникового типа LM335, в качестве источника опорного напряжения - стабилитрон КС191Ф.
Организованный внешний интерфейс устройства управления термостатом позволяет выводить на ЖК-индикатор и персональный компьютер значение температурной стабильности, а также текущую, абсолютную и относительную температуру. С помощью кнопок управления на блоке контроля можно установить время включения нагревателя, задав конкретную дату или период срабатывания.
Управляющее устройство испытано на термостате, имеющем следующие характеристики:
- мощность нагревательного элемента 500 W (~ 40 вольт);
- термостабилизируемое тело - масляный бак (масло DTE 24 (ISO 32));
- габариты обогревателя 1160x670 мм.
Время выхода на режим составляет менее 50-55 минут при точности стабилизации температуры 0,1 °С. Точность стабилизации определялась при помощи осциллографа и данных с АЦП на выходе ОУ 13 (см. рис.1).
Измерения проводились в закрытом отапливаемом помещении при температуре от 10 до 22 °С.
Предложенный алгоритм может быть применен для многих типов термостатов и дает возможность создания системы регулирования с наилучшими показателями стабильности температуры без использования высокоточного АЦП, что, в свою очередь, является перспективным решением для создания недорогих высокоточных термостатов.
Литература
1. Левченко В.И., Клеменко В.П. Система термостатирования опорных спаев // Приборы и техника эксперимента. - Наука, 1995. - № 6. - С. 164-167.
2. Скаржинюк Ф.К. Точный регулятор-стабилизатор температуры // Приборы и техника эксперимента. - Наука, 1985. - № 3. - С. 208-210.
3. Замрий В.Н., Роганов А.Б., Сиротин А.П. Прецизионный регулятор температуры со встроенным микропроцессором // Приборы и техника эксперимента. - Наука, 1991. - № 2. - С. 229.
4. Погорелов А.И. Тепломассообмен (основы теории и расчета): Учеб. пособие для вузов. - Одесса: Черноморье, 1999. - 128 с.
Статья поступила 31 января 2011 г.
Щагин Анатолий Васильевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой систем автоматического управления и контроля в микроэлектронике (САУиК) МИЭТ. Область научных интересов: разработка и исследование в области микропроцессорных устройств, специализированных микро-ЭВМ, информационных сетей и телекоммуникаций, измерительных систем и систем управления.
Амосов Евгений Юрьевич - аспирант кафедры САУиК МИЭТ. Область научных интересов: разработка и исследование систем автоматического контроля и учета тепловой и электрической энергии. E-mail: greenrat@mail333.com
