Построение алгоритма оптимального регулятора мощности нагревателя для электронного устройства, используемого в жестких климатических условиях

Аннотация. В данной статье описан процесс построение алгоритма оптимального регулятора для электронного устройства, используемого в жестких климатических условиях, построены блок-схемы пропорционального регулятора и пропорционального регулятора с поправочным коэффициентом, представлено описание алгоритмов работы построенных регуляторов, обусловлена необходимость применения поправочного коэффициента при использовании пропорционального регулятора.

Abstract. This article describes the process of building an optimal controller algorithm for an electronic device used in harsh climatic conditions, a flowchart of a proportional controller and a proportional controller with a correction factor is built, and a description of the algorithm of the constructed regulators is presented, due to the need to apply the correction factor when using a proportional regulator.

Ключевые слова: регулятор мощности нагревателя; пропорциональный регулятор; ШИМ; регулятор с поправочным коэффициентом; алгоритм регулятора мощности нагревателя.

Keywords: heater power regulator; proportional regulator; PWM; regulator with correction factor; heater power control algorithm.

При разработке и эксплуатации устройств, предназначенных для использования в жестких климатических условиях, возникает ряд проблем уже на стадии проектирования. Например, при разработке устройства известно по ТЗ, что оно должно эксплуатироваться при температуре  –50⁰С, а основной исполнительный элемент данного устройства может работать, начиная с  –40⁰С. Использование другого исполнительного элемента не предоставляется возможным в связи с ограничениями элементной базы.  Возникает необходимость использования подогревающих устройств, при этом потребление данного устройства может возрасти в десятки раз.

В связи с этим, разработчику необходимо обеспечить максимальную энергоэффективность, так как такие устройства чаще работают в местах, где используются автономные источники питания, например аккумуляторы, по причине отсутствия подвода полноценной питающей сети. Следовательно, возникает необходимость в разумном использовании этой энергии. Поэтому применение типового решения касательно мощности нагревателя, а именно использование достаточно мощного нагревательного элемента, который многократно увеличивает токопотребление исходного устройства, не целесообразно.

Зачастую в ТЗ на разработку таких устройств указывается время, в течении которого после включения оно должно начать работать. Например, время готовности устройства при температуре окружающей среды  –50⁰С составляет 10 минут. Исходя из таких данных, необходимо вычислить минимальную мощность нагревателя, достаточную для нагрева устройства за время 10 минут, тем самым обеспечивая минимально возможную мощность нагревательного элемента, а соответственно минимально возможное токопотребление.

Процесс нагрева разрабатываемого устройства с –50⁰С до –40⁰С останется неизменным, в этот промежуток времени нагреватель будет работать на полную мощность, для обеспечения своевременного нагрева, заданного в техническом задании на разработку. Однако, когда устройство переходит в рабочий режим, то есть температура равна –40⁰С, использование полной мощности нагревателя нецелесообразно. Для ограничения мощности используется регулятор, благодаря которому дальнейший нагрев разрабатываемого устройства производится в более долгий промежуток времени. С повышением температуры мощность нагревателя постепенно уменьшается, и при достижении значения  минус 30⁰С, нагреватель выключается. Спустя время окружающая среда произведет влияние на устройство и температура вновь начнет падать, нагреватель включится, с значительно малой мощностью, необходимой лишь для удержания значения температуры близкого к –30⁰С.

Принцип регулятора мощности основан на широтно-импульсной-модуляции. Используя ШИМ, предоставляется возможность и регулирования мощности в широком диапазоне.

Регулятор используется только в диапазоне от –40⁰С до –30⁰С, соответственно, чем ближе текущая температура обогреваемого устройства к верхней границе диапазона, тем меньше мощности требуется от нагревателя.

Для этого требуется задать коэффициент пропорциональности. Значение, которое может быть подано на ШИМ-выход равно от 0 до 255, а диапазон, в котором работает регулятор равен 10⁰С (от –40⁰С до –30⁰С). Исходя из этих данных, находится шаг регулятора K=255/10=25,5.

Алгоритм строится следующим образом: разрабатываемое устройство подогревается до –40⁰С с полной мощностью нагревателя, при достижении данной температуры включается регулятор управляемый с помощью ШИМ.

Значение которое подается на ШИМ-выход вычисляется по формуле:

,

где K – шаг регулятора(коэффициент пропорциональности);

T_уст – необходимое значение температуры (минус 30⁰С);

T – значение температуры с датчика.

В итоге получается пропорциональный регулятор, то есть для своего значения температуры, есть свое значение мощности нагревателя, чем ближе текущая температура к температуре уставки, тем мощность нагревателя меньше. Алгоритм работы регулятора представлен на рисунке 1.

Рисунок 1. Алгоритм работы пропорционального регулятора

Для более точного регулирования мощности на температуре близкой к температуре уставки, возникает необходимость введения дополнительного поправочного коэффициента (K₂). На температуре –31⁰С, мощность нагревателя равна 10% от максимальной мощности. Для получения поправочного коэффициента необходимо производить замеры времени между включениями нагревателя, то есть при нагреве до –30⁰С (отключение нагревателя) значению счетчика приравнивается 0, отсчет начинается после следующего старта нагрева и останавливается при следующем выключении нагревателя, при этом происходит запоминание значения переменной счетчика.

Алгоритм пропорционального регулятора с поправочным коэффициентом представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Алгоритм работы пропорционального регулятора с поправочным коэффициентом

Если время текущего замера меньше времени предыдущего замера происходит уменьшение значения подаваемого на ШИМ-выход управляющий нагревателем, и наоборот, если время текущего замера больше времени предыдущего замера происходит увеличение значения подаваемого на ШИМ-выход. Следовательно, происходит незначительное снижение мощности нагревателя, что обеспечивает более точное регулирование.

Алгоритм счетчика представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Алгоритм работы счетчика

Итоговое значение, которое подается на ШИМ-выход, вычисляется по формуле:

,

где K – шаг регулятора(коэффициент пропорциональности);

T_уст – необходимое значение температуры (минус 30⁰С);

T –значение температуры с датчика;

K₂ – поправочный коэффициент.