Исходные данные: есть готовая печь небольших размеров (активная зона - 10х10х10). Планируется использовать ее в какой-то лаборатории для моделирования чего-то там.
Задача: необходимо реализовать различные законы изменения температуры печи. Закон изменения температуры выбирается программно. Пока просят: простое поддержание заданной тепературы, линейное нарастание, квадратичное и корнеизвлеченное + кусочно-линейное.
Вопрос: КАК?

Я не прошу схему или программу, я прошу дать мне ссылочку или просто название книги, где можно про это почитать. Я такими вещами не занимался в принципе, поэтому теряюсь.

Если бы нужно было просто нагреть до нужно температуры и держать ее постоянной, то тут все ясно: ПИД или вариации на эту тему.
Но как, например, обеспечить линейное ее нарастание с нелинейность в 1-2%? При этом необходимо учитывать, что масса материала в печи неизвестна, там может быть как 1 г, так и 1 кг + инерционность самого процесса нагрева + еще какие-нибудь неведомые мне подводные камни.
Как получить (измерить, рассчитать) математическую модель печи? Как мне видится, имея на руках мат. модель рассчитать необходимое воздействие для получения желаемого закона изменения температуры дело простое.
Какой метод управления мощностью нагрева спирали использовать?

В общем, вопросов много, опыта в этой области нет, а знания лишь поверхностные.

Уважаемый All, прошу тебя, укажи мне направление, в котором необходимо двигаться.

Для начала неплохо Р.Изерман. Цифровые системы управления. М. Мир 1984

Если необходимая скорость изменения температуры печи заведомо меньше тепловой инерционности печи с ПИД регулятором, то проблемы нет.
Я делал такое без всяких моделей. Обычный ПИД регулятор (или ПИ или просто П-регулятор, по обстоятельствам), уставка которого изменяется по требуемому закону.
Из особенностей - начальная нелинейность процесса при выходе на режим и наличие запаздывания...

Заранее советую. Раз уж требуемая функция температура (время) известна, ее производную с подбираемым коэффициентом нужно пустить на управление мощностью. Обходя ПИД. Суммируя с его выходом. Обязателен строгий контроль и учет электроэнергии. И буква Д.

Скорость нагрева: 0,5-60 градус/мин.
Сама печь пока не доступна (ее еще делают), а соответственно ее инерционность пока неизвестна.
Так на в скидку: справится ПИД с 1 градус/с? Размеры печи я уже приводил. Может сможете примерно (на основе личного опыта) оценить инерционность.

Уже скачал. Пошел читать.

- метод по отклонению от параметра (температуры).
-Первое , и главное ,ихмо, направление уточнить Т.З., ибо заказчик, как правило, полагает, что Вы в курсе его проблем (особенно когда ищется исполнитель, и задача упрощается до безумия). Там, скорее всего, имеются подводные камни.
- датчик температуры, который должен быть лучше, чем требования Т.З. , хотябы процентов на 30 ( что обычно не случается, нет в прирооде), последнее из личного опыта и не операется на теоретические выкладки ( принцип - если можно подстелить то не ленись это сделать).

А что она означает?

Печь

параметры пока неизвестны.
Есть габариты.
Только нагреватель. Управление охлаждением (кондиционер или вентилятор не предусмотрены).

Параметры:

1. диапазон: 25-450 градусов.
2. Отклонение от заданного закона изменения температуры: +/- 1%.
3. Чувствительный элемент: термопара (тип пока неизвестен. ТП встроены в печь, т.к. печь еще делают, то и тип ТП пока неизвестен)

Что еще нужно у них уточнить?

Пока что из тех цифр, что вы привели, ничего не ясно. Чтобы оценить инерционность печи, нужно масса параметров (даже размеры у вас безразмерные - микроны? километры? )
Нужна мощность нагревателя, возможности по ее регулированию,
конструкция термоизоляции (размеры, материалы, слои...),
возможная загрузка печи, чтобы оценить ее теплоемкость (кстати, если будут что-нибудь плавить, то это отдельная наука с теплотой фазовых переходов),
параметры окружения (температура окружающей среды, возможная конвекция - поставят на сквозняк, все изменится)

Но в общем, если печь имеет инерцию больше, чем вам нужно по скорости изменения температуры, то достичь такой скорости, конечно, не получится

Мой совет по изменяемой уставке ПИД регулятора, в вашем случае работать не будет, сорри, забыл про специфику
Это хорошо работает, когда есть двунаправленное управление потоками тепла (нагрев/охлаждение).
У вас, если перегреете, то хоть совсем выключай нагрев, остывать будет долго...

Д - это последняя буква в слове ПИД.


Почти ничего не нужно. Раз сами делают, то получат то, что можно приделать к ими сделанному.
Можно уточнить сопротивление нагревателя, его материал, сечение... напряжение (ток) не приводящий к сгоранию... мощность...

Размеры в мм. Наши механики вбили мне это в голову навсегда. Поэтому и не указал. Посчитал это как само собой разумеющееся.

А зачем мне знать материал изоляции и прочее?
Принцип "черного ящика" не сработает? Подать максимальную (или максимально допустимую мощность), снять переходную характеристику, и по ней оценить инерционность. А за счет чего эта инерционность получена мне не интересно. Для меня главное знать зависимость напряжение-температура.
Как сказал другой оратор:

Еще параметры:
Окружающая среда 25+/- 10 градусов
Максимальная загрузка - 1 кг.
Минимальная загрузка - определяется лишь конечной точностью измерения В идеале чем меньше, тем лучше.

Ну, это естественно. Прыгать выше головы мы не собираемся. Переходная характеристика даст нам максимально возможную скорость нагрева. Будет печь, этот параметр тогда и уточним. Озвученные ранее 60 градусов/мин - это их желания, но не наша забота. Если печь обеспечить этого не сможет, то виновата в этом конструкция печи, а не наша электроника. Пусть переделывают (ставят более мощный нагреватель) или меняют ТЗ.

Жаль.
Я уж было обрадовался.
Правильный выбор параметров ПИД'а не позволит нам избежать перегрева?
Т.е. не удастся ли при правильном выборе постоянных времени всегда немного недогревать ?
Или как ввести предсказание?
Или не получиться ли отстраиваться от возможного перегрева? Ведь измерять температуры в печи и соответственно контролировать мощность нагревателя мы можем с гораздо большей точностью, чем требуется обеспечить. Для максимальных 450 градусов +/-1% даст нам 9 градусов запаса (в сумме) и 4,5 градуса допуск на недогрев.
Кроме того и сам процесс нагрева достаточно медленный. Максимальная скорость нагрева - 1 градус/с . Даже если мерить температуру 10 раз в секунду у нас будет возможность 10 раз предугадать перегрев. Другое дело, как это сделать.

Блин, а при каких условиях один кубический сантиметр будет весить один килограмм ?

зы: я б для начала отпинался от точности в +/-1% - не шутки


Неа, зависит от того, где стоит нагреватель, а где датчик.

Не пугайтесь так уж сразу... Все получится. Если датчик правильно расположен...
Возможно, будет небольшой (будет зависеть от вашего умения) переброс в конечной точке.

Меня еще с первого сообщения удивило это сочетание 10х10х10 и 1 кг. Подумал, что может это все таки не мм или не кг. Ан нет. Что за вещество такое? Явно неземного происхождения потому, что даже у урана плотность чуть ли не на два порядка меньше

Еще один "подводный камешек" о котором Вам не упомянули - собственно термопара. Где-то здесь уже обсуждались вопросы применения термопар для точных измерений температуры. Боюсь, что для Вашего случая (особенно если термопара будет типа К, да еще и китайская) будет необходимо каким либо способом снимать градуировочную таблицу для Вашей конкретной термопары. Увы я на это уже налетал...

Не хочется Вас огорчать, но постоянная времени термопары без оболочки ~10с, в защитной оболочке ~3мин. В принципе вариант без оболочки решается измерением Т термопары и введением коррекции (виртуальный датчик и т.д.)
И по поводу плотности вещества, которое в 20 раз плотнее урана. Ядра с таким весом в земных условиях не устойчивы и распадаются с выделением энергии. У Вас будут проблемы не с нагревом печки, а с охлаждением. И соблюдайте технику безопасности при работе с радиоактивными материалами.

Не хочется вас огорчать, но то, что Вы называете постоянной времени не является свойством термопары.... А свойством теплообмена с измеряемым объектом. Любой термометр дает нам возможность измерять его собственную температуру... С любой скоростью... Что касается термопары, то ее можно хорошенечко прижать. А если в воздухе, то... площадь поверхности пропорциональна диаметру, а теплоемкость диаметру в квадрате...

Вай-вай!
Зачем ругаемся?
Ашыпся я.
В таких случаях обычно пишут про пятницу и конец рабочей недели, но тут я просто затупил.
Вот сейчас специально посмотрел.
Размеры 120х120х120 мм - это внешние габариты. Внутренний объем - неизвестно, да и не так принципиально это.

Вес - неизвестен, т.е. сколько влезет. Могут положить 1 г, а могут и 1 кг (как я и говорил). Это я к тому вел, что моделька по ходу должна быть адаптивной или самонастраивающейся.
Согласитесь, что при нагреве с указанной точностью в 0,5 градуса/мин 1 мг и 1 кг параметры будут разные.
Для 1 мг - все определяется самой печкой. В случае если весь активный объем заполнен веществом, то прежде всего временные параметры изменяются.
Это как мне видится.
Что делать?

ЗЫЖ Там еще крышка есть. Могут и не закрыть. Параметры теплообмена со средой тоже уйдут.

Рисуйте модель. Как происходит передача тепла: нагреватель->стенки->воздух->датчик->воздух->обьект. Учесть мощность, теплоемкость, теплопроводность. В итоге сможете примерно прикинуть сколько нужно и с какой скоростью "вдувать" в нагреватель для получения нужной скорости возрастания температуры. По разности скорости для пустой печки и реальной сможете оценить примерный объем и тепловой "аппетит" загрузки.
ИМХО, если во внутреннем объеме не будет достаточно эффективной принудительной циркуляции воздука (как в духовке с конвекцией), то о такой
точности при таком разбросе веса и размера можно даже не вспоминать (ИМХО, конечно)
ИМХО, еще раз трезво оценить вменяемость заказчика - но это исключительно Вам решать. Кстати, а нужно учесть что мало того что дверцу не закроют, так еще и дышать и/или дуть на обьект смогут? Будут ли покладывать посторонние предметы в процессе нагрева (сосиски, кофе, бутерброды) ?

Удачи!

Для поддержания температуры в реакторе по заданному закону кроме нагревателя не забывют и линию охлаждения. И все встает на свое место. Бояться не надо.

Какой реактор?
Да это же шутка была.
Хватит уже издеваться.
Вот стоило человеку один раз ошибиться, и теперь каждый считает своим долгом пнуть его за это.

Охлаждения принудительного нет и не будет. В этом заказчик убежден.

Для Tanya:
Конечно, я высказался слишком обобщенно, хотя для понимания проблемы этого достаточно.
Извините, но Ваше утверждение содержит несколько неточностей.
1.
Посмотрите параметр тепловой инерции в паспорте на термопару.
2. Измерение температуры с любой скоростью принципиально не возможно, все процессы имеют конечную скорость. Также инерцию имеет любое материальное тело нашей вселенной. Здесь вопрос только о соотношении требуемой скорости измерения температуры и скорости работы датчика. Пока это соотношение не в пользу разработчика. Хотя уже всплыл параметр 0,5 градуса/мин. Это вполне реально, при приложении некоторых усилий.

P.S. Прошу прошения, слегка ввел в заблуждение, соотношение плотностей к урану было не 20, а 50. 20 это приблизительная плотность урана г/см3.

Начинайте с самого тупого варианта типа простейшего ПИД, затем по ходу будете усложнять/дополнять.
Обязательно с самого начала приделайте удобную систему сбора/обработки данных, плюс интерактивное управление, чтобы на ходу смотреть, что получается и корректировать.
Даже я сейчас склоняюсь к мнению, что для изучения свойств незнакомой системы лучше погонять её вручную, промерить переходные процессы (как вверх, так и вниз), попробовать поуправлять. Там, глядишь, и алгоритм начнёт вырисовываться.

Я в своё время потерял кучу времени на отлаживание излишне сложной модели проточного регулятора, а в конце остановился на тупом двухрежимном автомате - первоначальный прогрев - выход в дельта-окрестность - тонкая регулировка.
Адаптивность - в последнюю очередь, когда чётко работает хотя бы частный вариант.

Ну, это я писал на тот случай, если есть желание оценить тепловые параметры печи в теории, до того, как вам ее "живую" предоставят.
А так, можно и практически. Хотя все равно может пригодиться, поскольку вам все же не лишне будет кое-какие тепловые расчеты произвести, чтобы добавлять в алгоритм различные ограничения для исключения перегрева.


Наверное можно сильно зарезать коэффициенты ПИДа. Это поможет не перегревать, но снизит быстродействие, т.е. увеличит ошибки при выходе на режим (на монотонную функцию) и при изгибах кусочно-линейных функций.
Все-таки можно попытаться порегулировать ПИДом с изменяемой уставкой. Только обязательно нужен безударный режим в направлении увеличения мощности и контроль тепла (из вычислений, см. выше).
Но это все ИМХО, в точности такую задачу я сам не решал.


Скорости нагрева и измерения температуры как таковые не важны - все относительно..
Как уже говорили, важно расположение термодатчика и скорость отклика на подачу энергии. Чем отклик быстрее, тем лучше будет работать ПИД.
Чем этот отклик дольше, тем хуже, вплоть до полной неработоспособности ПИДа и необходимости применения модели.

Реактор в медицинской промышденнности. Не пугайтесь.

У меня нет паспорта термопары, только мой.
Приведите цитатку....

Для Tanya:
Прошу прошения, в предыдущем посте не указал прямо, что паспорт на хромель-альмюлевые, копелевые и т.д. термопары в прикрепленном файле.
К сожалению цитату из него вытащить не получается, видимо шрифты не совпадают, вместо текста только какие-то зяблики.

А методом - задан закон изменения температуры, включили дождались пока отклонение тепературы не выйдет за заданные пределы, выключили, дождались полного охлаждения, скорректировали мошность, снова включил, и так далее не пробовался?

Из физических законов у Вас внутри сжимаемый газ, который при нагреве расширяется и уходит через щели, нагрев стенок печи, нагревателя, материала внутри, кроме температуры окружающей среды, наверное нужно ещё знать начальную температуру стенок, Вы же часто ей будете пользовать, качественную оценку можно получить из школьного курса физики, от формы печки можно отвлечся.

Не путайте.
Это не термопара, а термопреобразователь термопарный... Там снаружи корпус толстый, а внутри... керамика.... много... и проволока миллиметровая...
Эта штука специально предназначена для монтажа пьяными монтажниками посредством кувалды в какой-нибудь котельной... Выдержит ядерный взрыв...

Для Tanya:
Насчет пьяных монтажников - это Вы напрасно, киповцы как правило работают трезвыми, это полезнее как для зарплаты, так и для здоровья (в смысле травматизма). Такую защиту ставят на термопары для обеспечения хоть какого-то срока службы, чтоб менять хотя бы не 2 раза на день (это в промышленных установках, не лабораторных), реально при температуре 200-500 градусов срок жизни даже с такой защитой от 1 недели до 1 года (бывает).
Если не понравились те, то посмотрите на эти:

Как сказал поэт -
- Я глупостей не чтец, а пуще - образцовых. (Впечатления от прочтения...)

И термопары разные видела (и делала), и характерное время для выравнивания температуры проволочки в жидких и газовых средах в зависимости от диаметра прекрасно знаю, - измеряла сама.
И пьяных киповцев видела... Видимо-невидимо...
И дело тут не в термопаре, а в месте, куда ее поставят...
Мне так кажется.

to 314: Последний документ лучше подходит под задачу миниатюрной лабораторной установки:

И величины показателя тепловой инерции для таких термопар (из документа)
- открытая термопара (там только одна такая, первая) - 1 сек;
- в защитной арматуре (все остальные) - 2...12 сек

А что ОНИ называют тепловой инерцией?
Они это скрывают. И пишут только неравенства.

А что такое "температура печи с материалом внутри"?
Про "линейность нарастания температуры печи с материалом внутри, равную 2%" можно будет поговорить после разбирательства с первым вопросом.



Они это называют "показатель тепловой инерции". Судя по вот этому учебнику для судомехаников http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2tx...08&p_page=3 этим термином они обзывают постоянную времени в динамической модели первого порядка для термопары, находящейся в потоке неизвестно какого вещества, текущего с неизвестно какой скоростью. То есть почти всё что угодно, имеющее размерность времени.

Сначала придется разобраться с вопросом, что такое температура печи. Из моей практики в печи с цилиндрической камерой диаметр 80 милиметров высотой 40мм нагреватель боковые стенки цилиндра при загрузке камеры десяток грамм и скоростях нагрева поядка 10-20градусов в минуту неравномерность температуры в печи составляет несколько десятков градусов(измерения несколкими термопарами в разных точках) и это при температурах порядка 800 градусов когда теплообмен в основном радиационный.
Так что по моему мнению заявленные в топике требования выполнимы при скоростях нагрева единициы градусов в час.

Ну, зачем же так сразу нападать на производителей
Наверняка у них есть ТУ, где расписана конкретная методика измерения.
А в бумажке приведена цифра для оценки быстродействия.
Вот, в ГОСТ 6616-94 - Преобразователи термоэлектрические. Общие технические условия
на стр.2 п.3.12 приведено общее определение, а далее в тексте уточняется:
"Показатель тепловой инерции для других значений коэф. теплопередачи определяют по методикам, изложенным в ТУ на ТП конкретного типа"


Топикстартеру нужно основательно подойти к согласованию ТЗ.
И без четкого ТЗ никаких договоров не подписывать.
Если заказчик не понимает, что он хочет и что он может получить, то проще написать в ТЗ:
"Система управления обеспечивает поддержание заданного закона изменения температуры на термодатчике, встроенном в печь."
И не углубляться в подробности
Печь то целиком поставляется заказчиком, программными методами градиенты температур не уменьшить...

Нравятся мне советские ГОСТы! Как и документация на советские изделия. Как и советские учебники для советских судомехаников, ссылку на один из которых я приводил ранее.
Субъективизм вылазит из всех щелей.
Что касается производителей: кто им мешает описать прямо в даташите достаточно подробно свою методику измерения? Советская гордость может быть не позволяет? Или необходимость утверждать эти ТУ, процесс утверждения которых озлобляет и из нормальных людей рождает человеконенавистников?
Для голых термопар достаточно нормировать диаметр шарика спая и сечение проводов. И в качестве юзеролюбивой подсказки можно нарисовать график постоянной времени для воды или воздуха в зависимости от скорости потока и привести справочные величины по используемым материалам. Судовые механики не поймут? Они и так после прочтения подобных учебников ничего не поймут.

Кстати, определение на стр. 2 упомянутого ГОСТ просто ошибочно. Ну какая будет разность температур в стационарном режиме, от которой они считают долю в 37%?

Мне нужен реализовать закон изменения температуры в печи, а не выдержать точно абсолютную температуру.
Т.е. мне все равно 10 или 300 градусов намерил датчик, главное для меня, чтобы за время dt прирост температуры составил dT.
Термопара встроена в стенку печи, что должно обеспечить хороший теплообмен.
Советская медная чушка в жидкостном термостате значительно снижает неравномерность температуры, иногда на порядок.
Будем считать, что и здесь не станут экономить на металле.

Как можно регулировать закон изменения температуры в печи, не имея температуры Температура стенок печи будет иметь градиент температуры десятки градусов.
Вы в курсе что в печах для повышения равномерности температуры применяются многозонные нагреватели с индивидуальным регулированием. А сама кривая нагрева да меняйте задание по выбранному закону.
Все проблемы в печах сводятся к ограничениям накладываемыми конечными значениями теплопроводность и теплоемкости и регуляторы приходится проектировать под конкретную камеру,нагреватель,среду

C подобной ситуацией - неизвестны ни тепловые характеристики печи и нагревателя, ни тепловые характеристики объекта нагрева- короче ничего не понятно, но нужно сделать "вчера" столкнулся не так давно.
Дополнительная трудность - масса печки (и соответственно тепловая инерция) достаточно большая, те потребное на снятие характеристик печки время устремлялось в бесконечность.
Посему, правда по согласованию с заказчиком, было принято компромиссное решение: я обеспечиваю возможность управления мощностью нагревателя (уставка мощности от 1 до 100 %), измерение температуры в нужном заказчику месте и контроль времени нагрева (выключение по истечению).
Калибровку и отработку нужных режимов взял на себя заказчик. Вроде все остались довольны.
В вашем случае может быть будет полезен такой подход - снятие характеристик (построение графиков) нагрева при разных сочетаниях мощности и загрузки внутреннего объема и хранение их, например в EEPROM, в качестве опорных данных для расчетов потребной в данный момент мощности.
Ну как-то так... , может быть изложил идею не очень внятно, sorry/

Почему-то никто не предлагает самый простой и реальный вариант - купить готовый терморегулятор. Многие из них могут самонастраиваться на объект регулирования. Может не совсем качественно - но тем не менее.
Все уже давно сделано и продается недорого.

Белый дед
Терморегулятор - это лишь малая часть установки. Нагрев по определенному закону - это не самоцель.

Хорошая шутка.