PID 加热器回路中分辨率为 1% 的 PWM 能否实现优于 1% 的温度精度?

电器工程 脉宽调制 pid控制器
2022-01-27 17:15:23

我需要将温度设置在 20 °C 到 300 °C 之间。我正在使用分辨率为 1% 占空比的 PWM 输出。整个 PWM 周期和 PID 回路时序能否获得优于 1% 的负载温度跨度精度?

4个回答

这取决于负载的时间常数。加热负载通常会在 10 秒内响应。

如果您在一秒钟内生成 30% 的 PWM,然后在下一秒生成 31% 的 PWM,这看起来像是几秒钟内平均的 30.5%。

烤箱恒温器往往开一分钟,关一分钟,但烤箱温度仍然稳定在几摄氏度。每秒调整一次的 1% PWM 可以比这好几个数量级。

是的。

鉴于相对于其他规定(电压、电流等),温度调节非常慢,您可以使用微控制器(我猜您已经这样做了),但添加 PWM 信号的循环变化宽度。

想象一下,为了使您的系统稳定,您需要有 3.8% 的脉冲宽度。您只需在 20% 的时间内应用 3% 的占空比,在其余 80% 的时间内应用 4%。这样做一秒钟左右应该可以让你达到你需要的精度。

措辞奇怪的问题,但我认为您要问的是负载的温度会以 1% 的步长递增,PWM 的步长分辨率为 1%。即每步2.828C。

虽然听起来应该,但答案可能是否定的。

原因是,为了实现这一点,需要在功率输入和负载温度升高之间存在 1 比 1 的关系。但是,根据负载的几何形状和环境,这不太可能是真的。

为了将某物加热到特定温度,您需要添加足够的能量来平衡该物体在该温度下失去其周围环境的能量。问题是,随着温度的升高,您所加热物体表面的传热效率通常也会发生变化。

在此处输入图像描述

对于很小的温度范围,功率对温度,可以认为几乎是线性的,但是300C并不是一个很小的温度范围。

您计划加热的线性度如何,以及 1% 需要有多准确(即 1% 正负什么?),当然超出了这个问题和答案的范围。但我怀疑你需要投入更多的增量力量才能让它在最后的 50C 中上升,而不是让它上升到 70C。

添加

从您的问题中不清楚您是否在控制回路中包含温度感应。我怀疑,既然你问了这个问题,那么答案是否定的,因此这个答案的重点。

如果您需要在所有条件下准确设置温度,您确实需要将该测量值重新连接到系统控制回路中。此时,您可以随时间改变 PWM 调制,以尽可能准确地保持温度,尽管存在一些热滞后和滞后。

但是,当然,在大型物体上准确测量温度本身就是一个挑战。

这取决于。

如果您的控制器或控制算法代码可以测量负载温度并以优于“1% 分辨率”的方式跟踪所需输出(注意输出与温度的关系不是线性的),那么有可能实现比正如Neil_UK的回答所暗示的那样,通过抖动实现 1% 的有效输出分辨率。您可以管理的实际改进将取决于负载的时间常数相对于您的输出周期时间的长短。

如果您的控制器或代码无法做到这一点,那么负载温度会出现一些波动。例如,如果设定点和环境条件使得所需负载温度的“正确”输出为 30.5%,那么最接近的输出可以达到 30%,在这种情况下,负载将冷却到略低于设定点,或 31%,在这种情况下,它将加热到略高于设定点,只有通过“注意到”实际负载温度的这种偏差,控制器才能改变其输出以纠正偏差。

我猜后一种情况下波动的大小将取决于控制算法中的比例系数和微分系数,您的任务将(一如既往)调整控制器以获得最佳精度,而不会冒不稳定或过度超调的风险。

另外,想想你所说的准确度到底是什么意思您需要绝对精度(100 °C 的设定点给出的控制值实际上是 100 ±0.1 °C)还是只是稳定性(控制值可能在 98 到 102 °C 的任何地方稳定,但随后保持稳定在 ±0.1 ° 以内C)?温度测量的绝对精度比人们想象的更难实现,但在许多应用中,只要稳定性好,绝对精度就不是那么重要。