Gérer un PID en soft ou via l'éléctronique ?

[invitea3aa0b45]

Bonjour à tous,

Je suis amené à définir le cahier des charges d'une carte électronique qui aura pour but premier de réguler une température à +/-0.01°C grâce à un PID. J'ai déjà lu pas mal de sujet sur la faisabilité et le contraintes d'une telle exigence, je ne viens absolument pas relancer le débat.

La carte électronique devra réguler jusqu'à 4 températures en parallèle.
Ma question est la suivante:

Serait-il judicieux ou non de gérer le PID grâce à un microcontrolleur (type Kinetis M par exemple) en s'appuyant sur son ADC interne (sigma delta 24 bits) ? Il faudrait donc programmer les opérateurs de dérivation, d'intégration et proportionnel dans le micro. Ca ne me choque pas jusque là, sachant que le Cortex M4 intègre des instructions type DSP qui permettent de coder ces fonctions efficacement.
Cependant, je me demande si le résultat serait comparable ou non à un PID câblé (en estimant évidemment que les composant ont été sélectionné avec précaution pour limiter les effets parasites).

Le gros avantage de la solution soft : on peut envisager la régulation de n temperatures (n étant le nombre d'entrées analogiques de l'ADC) et on économise en terme de composants sur la carte à produire.


Merci d'avance pour vos réponses,
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[bobflux]

L'ajustement des paramètres du PID en soft est trivial. En analogique, c'est multitours et tournevis.

Pas de dérive, d'offset, intégrateurs parfaits, etc.

Un algo peut compenser le "integrator windup"

Ton truc est assez lent pour une régulation soft.

etc.

Fin du débat, je pense

[invitea3aa0b45]

Enorme bobfuck !
Une réponse claire et concise

Je vais voir pour monter une démo et faire des essais !

[invite01fb7c33]

Une régulation de température est un processus pas trop rapide, donc la régulation par logiciel est bien adapté. Mais 0,01°C est un beau challenge.
Par contre il te faut bien connaitre l'inertie thermique du système. Le chauffage va être piloté par une tension délivrée par un DAC, examine attentivement ton besoin en résolution, et vérifie bien que 1LSB ne te fais pas dépasser les 0,01°C dans le temps de boucle. Il est préférable de faire les calculs avant de choisir le matériel.
Pour ce niveau de régulation j'avais eu besoin de trois enceintes concentriques régulée. La masse de l'objet à climatiser était de 400gr.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite3a1051d7]

Bonjour,
la temperature régulé est toujours celle de la sonde !
ça semble evident mais ?

quand à la methode softe la logique floue est une solution
http://www.memoireonline.com/07/10/3...de-floue3.html
cordialement
Alain

[bobflux]

Fais une recherche sur les OCXO. Le but est de climatiser un quartz, je me souviens avoir lu des choses intéressantes sur les gradients de température.

[invite01fb7c33]

Pour le moment, on est loin d'avoir les données du problème. La cible à thermostater est elle passive ou active? et si elle active, quel est son delta P en fonctionnement? Quel est l'inertie thermique de la cible? S'agit-il d'une régulation au dessus, au dessous ou autour de la température ambiante ?(ça peu piquer un peu). A la mise en route y a t-il un gradient de température à respecter?

[invitea3aa0b45]

@alainav1

On est bien d'accord, on parle de la température mesurée par la sonde en entrée et du control de température à appliquer à l'élément chauffant en sortie.
Je ne connaissais pas la logique floue. J'étudierai le sujet

@bobfuck

OCXO qur Google me donne des tas de circuits de régulation dont je pourrais m'inspirer en effet ! Je vais gratter un peu et voir si je trouve mon bonheur là dedans.


@fabang

Tu as apparemment pas mal d'expérience dans la régulation de température. Je serai heureux d'en échanger avec toi plus longuement.
Dans mon cas, je désire chauffer des petites cellules cylindriques (fours) de 15 cm de long et 8 cm de diamètre. Ces pièces n'ont pas encore été conçues par l'équipe mécanique et le corps chauffant reste à déterminer. Il se pourrait qu'on enrobe ces fours avec des éléments chauffant souples en silicone (ex: http://www.directindustry.fr/prod/vu...2-1017177.html) qui s'apparenterait à un réseau de résistances (donc passif). Je ne me suis pas encore penché sur le contrôle de ce corps chauffant. Beaucoup de montages utilisent des relais mais ça suppose que je devrais piloter en tout ou rien ce qui est incompatible avec le degré de précision que je souhaite atteindre. Je suppose qu'il existe des "variateurs" que je pourrai piloter depuis le microcontrôleur (?)

La régulation se fera pour des températures toujours au dessus de la température ambiante (on ne pourra que chauffer). Pas de gradient de température à respecter à la mise en route.

[Gérard]

Pourquoi une telle précision et quel sera le capteur capable de mesurer avec cette précision?
Quelle est la puissance de chauffe?

Tu peux utiliser une commande par triac par salves (PWM), càd tu alimentes le triac pendant un certain temps (définit par la régulation) puis pas de chauffage. C'est mieux que le découpage de phase qui génère beaucoup de parasites.

[invite01fb7c33]

La précision à 0,01° ! Encore faudrait-il trouver un capteur. Moi j'ai interpréter le problème comme étant le besoin en stabilité, ce qui est différent.
On ne sais pas quel est la température à atteindre, 100°C, 1000°C? ça a son importance sur la stabilité.
Prenons un exemple sans perte, en mode adiabatique, un four avec une masse de 250g et une chaleur spécifique de 900jkg-1K-1. Si la résistance de chauffage fait 100W, la température varie de 0,444°/s. Donc pour tenir les 0,01° il faudra tourner à moins de 20ms.

[invitea3aa0b45]

@Gerard

La précision est nécessaire car la température appliquée au four va stimuler un procédé chimique : la perméation.
Plus on sera précis, plus on contrôlera la quantité de matière en sortie.
Quant à la puissance de chauffe, je ne peux pas te répondre pour le moment, j'y travaille. Les éléments de réponse que j'ai sont : alimentation en 24V DC, temps de chauffe long (on ne veut pas que le four atteigne sa température cible dans la minute. C'est un procédé long qui se stabilise sur plusieurs heures).

@fabang

Bien vu, je n'ai pas indiqué la température max. Elle est de 100°C.
On s'est fixé l'objectif d'atteindre 0.01°C de précision et stabilité, on verra si on le tient, c'est le challenge.
Ton exemple m'a un peu + ouvert les yeux sur la difficulté de l'opération. Comme dit, le four n'a pas encore été conçu et nul doute qu'il devra également tenir compte des contraintes thermiques du projet. De toute façon, l'électronique et le logiciel seuls n'y arriveront pas.

[invitee6c3c18d]

La précision à 0,01° !

A ma connaissance une température n'est jamais réparti uniformément à +- 0.01° dans un four donc une telle précision ne correspond à rien d’intéressant ou alors j'ai loupé un truc : tu bosses pour la NASA ?

[invitea3aa0b45]

Tu as entièrement raison ranarama ! C'est aussi pour celà que nous avons un budget d'incertitude sur le résultat de la perméation.
Seulement il faut bien se fixer des objectifs (bien que difficiles) pour obtenir le meilleur résultat possible.

[invite01fb7c33]

En précision tu ne dépasseras probablement jamais les 0,2°C. Si tu trouves des moyens plus précis, il y en a peut être, il faudra prendre d'infinie précaution.
Les échelles de température sont très difficiles à étalonner, et les étalons ont connu des corrections importantes jusque dans les années 80.
Et en stabilité 0,03° ce sera déjà fantastique.

[bobflux]

Un peu d'inspiration:

jim williams "temperature controlling to microdegrees"

http://www.introni.it/pdf/Williams%2...c%20Design.pdf
(premier article)

http://electronicdesign.com/blog/tem...d-25-years-ago
http://www.edn.com/design/analog/434...r-optic-lasers

[invite01fb7c33]

Articles intéressant, on distingue bien la précision absolue de la répétabilté et de la stabilité.
Dans le domaine des étalons de laboratoire on approche les 0,01°C
http://eu.flukecal.com/fr/products/t...duct_details=2
Mais l'électronique associée doit être à la hauteur
http://www.calibration-online.com/th...5000-p399.html
Et je n'ai pas éplucher pour savoir si le temps d'intégration requis pour ce niveau de précision était compatible avec un asservissement.

[invite01fb7c33]

Je me souviens de sondes platines achetées dans les années 90 et fournies avec le tableau de correction pour faire la correspondance avec la nouvelle norme.
J'ai retrouvé la dernière correction (1990) de EIPT68 qui est devenu EIT90, entre les deux normes, l'écart va jusqu'à 0,3°K!. Ça donne une idée des difficultés rencontrées pour connaitre une température absolue.
http://metgen.pagesperso-orange.fr/metrologiefr09.htm

[invitea3aa0b45]

Je confirme, je viens de lire le premier article et c'est une réelle source d'inspiration !
J'ai noté quelques passages:

"Success depends upon meticulous wiring, assembly and componant selection"
"Don't use a shield as current carrier, don't ground both ends of a shield"
"Protect all input components and cricuits from widely varying ambient changes and observe the traditional grounding rules"
"Use the most stable and reliable components"
"Sensors that operate in the 1kohms range should not be used"
"The amplifier is shielded from the ambient electrostatically, magnetically and thermally"
"Every connection to the amplifier is shielded"

Concernant le LTC2983, ils l'annoncent comme le CI ultime pour l'acquisition de température ultra-précise (0.1°C). Pensez-vous qu'avec une calibration fine (en laboratoire) de mon produit final, je puisse faire chuter le taux d'erreur et atteindre une précision à 0.01°C ? (en considérant évidemment que mon isolation thermique est top, que mon circuit d'entrée est bien protégé contre les effets parasites magnétiques, thermiques, ...)
Ensuite, j'imagine qu'atteindre la précision du LTC2983 avec mon microcontrôleur ne sera déjà pas facile. Pensez-vous qu'il vaut mieux que je délègue l'acquisition de la mesure au LTC2983 ? Le micrcontrôleur n'aurait alors plus qu'à lire la valeur en SPI et contrôler le PID.

[invite01fb7c33]

L'étalonnage n'y fera rien. Déjà pour atteindre les 0,1°C de précision sur la mesure de température absolue il faut climatiser ton LTC2983 (regarde tout les coeff de dérive de la datasheet, vref, offset et j'en passe). L'étalonnage en laboratoire requiert selon les normes des appareils 10 à 20 fois plus précis que les appareils étalonnés. En gros en labo tu peut trouver du 0,01° et eux te certifieront du 0,1°. Il faut étalonner toute le chaine du capteur à l'affichage.
Il reste un problème déjà évoquer, c'est le temps d'intégration de la mesure (pour virer le bruit entre autre) pour atteindre une bonne précision, il est possible qu'il soit assez élevé et complètement incompatible avec l'asservissement.
Objectivement je pense que dans le projet, il y a confusion entre stabilité, précision et résolution. 0,01°C en précision ça reste du domaine du labo.

[invitea3aa0b45]

Je vais essayer de mettre au clair cette histoire de stabilité, précision et résolution. Celà dit, le produit que nous voulons concevoir est à destination des labos, d'où cette forte exigence (bien que pas claire pour le moment) au niveau des tolérances.

Je précise tout de même que ce n'est pas un produit d'étalonnage qu'on essaye de concevoir, mais tu devais déjà l'avoir compris. J'aurai des informations toute fraîches demain.

Mon travail actuellement est de mener une étude sur la faisabilité en recueillant un maximum de sources qui nous permettraient d'atteindre notre objectif. J'ai de faibles notions en électronique () mais je préfère avoir un rapport d'étude à fournir au sous-traitant pour l'aider dans son travail.

En tout cas merci pour vos contributions, ça m'aide énormément. Je vous payerai bien une bière !

[invite01fb7c33]

Il faut être prudent avec les datasheet. Quand le constructeur annonce 0,01°C de précision pour le LTC2983 par exemple, c'est la précision du circuit, pas la mesure faite avec. C'est à dire qu'en entrée du circuit on connecte des sources ou des résistances étalons et non pas des sondes de températures (de toute façon in ne saurait générer de température étalon). Après sur ce circuit qui dans les meilleures conditions atteint 0,01°C de précision, on connecte une sonde de course qui elle aussi est annoncée à 0,01°C (Dans les meilleurs conditions, courant de mesure créant un autoéchauffement minimum etc..) on est déjà à 0,02°C.

[invitea3aa0b45]

OK.

En parlant de la sonde, je vois qu'une PT100 est annoncée à +/- (0.15° + 0.002T) de précision en classe A.
Est-ce que ça signifie que je ferai mieux de me tourner vers des sondes dites "high precision" telles que Fluke en vend ?