Arduino oven controller Versie 1.0

Ik ben begonnen met het analyseren van je data. Ik heb een zogenaamde curve fit gedaan. Ik heb een formule opgeschreven naast de meetwaarden. Voor elk punt wordt de formule opnieuw berekend. Vervolgens reken ik het verschil in het kwardraat uit tussen de meting en de formule, E^2 (error^2).

De som van al die E^2 tel ik op, ΣE^2. Vervolgens minimaliseer ik ΣE^2 met doelzoeken. De waarden die ik doelzoeken laat veranderen zijn de parameters in de formule.

Kort samengevat: ik zoek het wiskundig model op basis van jou metingen. Dat is wel aardig gelukt, kijk maar naar het plaatje:

Wanneer heb je de oven aangezet? Aan het begin van de meting? Of is de temperatuur gelijk gaan stijgen nadat je de oven aanzet? In dat geval is er geen dode tijd.

Hier voorlopige resultaten, ik heb nu dat eerste aangenomen.

eenheden: gr. C, seconde, watt

Hi necessaryevil,

De eerste 25 seconde was de ruststand, je kan zien op hele kleine variatie na dat hier de karakteristiek vlak is.
Zo gauw er vermogen werd toegevoerd ging de temperatuur stijgen kan je zien aan mijn laatste twee plaatjes of in de excel sheet.
Er is eigenlijk geen "dode" tijd of "lag" door mijn montage methode van de verwarming en de sensor.

Wat kan ik nu uit jou lijstje opmaken?
Waar ik tot nog toe mee bekend ben is de P, I en D waarde dit samen met de "window" tijd.
Dat zijn dan ook de gegevens die ik in mijn Arduino PID software kan invoeren.

Jij zegt dus dit als ik het goed begrepen heb...
Kc = 2,94 graden
ti = 528 seconde
td = 13,61 Watt

Dus, hoe zet ik dit om naar de Arduino PID waarden?
En niet te vergeten, dank voor je inzet

Groet,
Bram

Oke, prima. Ik moet er nog even voor gaan zitten als ik dat wil omrekenen naar de waarden voor jou Arduino controller.

//edit, nee die eenheden waren willekeurig genoemd, de eenheden van de instellingen zijn daarop gebaseerd en daar moet ik dus nog even over nadenken. Ik moet om het door te rekenen dus ook je Arduino code goed gaan lezen .

[Bericht gewijzigd door necessaryevil op woensdag 19 oktober 2016 09:43:43 (49%)]

Hallo Bram,
Hoe stuur je je element aan? Met PWM? Welke duty hoort bij 1W? En welk vermogen hoort bij 100%?

En hoe lees je de sensor uit?. Zit deze op de 10-bit ADC? Dus 20 gr. C geeft dan het getal 400? (TMP37 : 20mV/gr. C)?

Hi necessaryevil,

bij 100% PWM is het vemogen dat de oven opneemt 13-Watt.
De schatting van het vermogen rond de 40C van de buiten oven zit rond de 3-Watt.
Hier kan jij heel aardig het PWM percenage uit berekenen

De PID software die werkt op de Arduino ik heb dit met LED's getest op lagege temperaturen.
De uitkezing met de TMP37 werkt ook, als je de bitwaarde wilt weten als 40C bereikt is, dan is dat rond de 760.

Op deze foto zie je werkende software, teminste, ik hoop dat de PID software werkt.
De waarde 760 op het display geeft de bitwaarde aan die naar de PID software gaat.

Even een vraagje voor de software goeroes tussendoor!
Op de foto hieronder staan op de derde regel van boven de bitwaarden 760.00 en 419.00 vermeld.
Die worden op deze manier in beeld gebracht; lcd.print(adcTempU + correctU);
Er staat dus .00 achter, hoe krijg ik dit zo dat de punt en de twee nullen niet in het beeld verschijnen?
De simpel oplossing van het overschrijven weet ik natuurlijk wel, maar daar is vast een nettere manier voor.

Dit is de berekening voor de temperatuur wergave op het display van de TMP37.
tempU = (adcTempU + correctU) * (uref/1024.0) /0.02;
Ik gebruik de interne referentie van de Arduino nano bij deze testen en de gemeten waarde plaats ik dan in de code als uref.

Ik hoop dat je hiermee uit de voeten kan.

Groet,
Blackdog

Ik heb een mogelijk antwoord op je probleem met je decimalen. Bij het printen naar de serial monitor mag het zo:

Serial.print(float, decimals)

==> val is dan
Mogelijk is er ook zoiets mogelijk bij de LCD, maar dat ligt een beetje aan de LCD library. Probeer dit eens:

lcd.print(float, 0)

==> float is dan het getal dat je op je lcd wilt toveren
==> 0 is het aantal decimalen dat je dan wilt laten zien

Deze waarden gelden als

• de output van de PI(D) controller in procenten zijn
• de meting in °C is
• de tijd in seconden is

Ik moet nog wat na gaan denken over je code, heb het nog niet echt doorgelezen. Dit werkt mogelijk niet direct, want ik denk dat je code in milliseconden en ADC waarden rekent. Ik weet niet wat je PID controller als uitgang geeft.

Ben je overigens bekend met integreren/differentiëren? Je hoeft het niet echt te kunnen uitrekenen, maar als je de symboliek en wat het ongeveer doet weet legt dat wat makkelijker uit.

//edit
de eenheden zijn nu:
output : %
error: gr. C
setpoint: gr. C
meetwaarde: gr. C

Kp: %/°C
Ki: %/(°C*sec)
Kd: (%*sec)/°C

//edit 2
De eenheden kloppen met die van mij als:
1. de input is omgerekend in gr. Celsius. Volgensmij doe je dat nu niet.
2. de output in procenten is. Ik moet de library nog wat verder doorspitten om te kijken of dat klopt.

[Bericht gewijzigd door necessaryevil op woensdag 19 oktober 2016 19:30:33 (13%)]

Voer die laatste waarden maar eens en verander je programma dusdanig dat je controller het setpoint en de meting in graden C binnenkrijgt!

Hi necessaryevil,

Weinig tijd de laatste dagen...

Wat deze vraag betreft: Ben je overigens bekend met integreren/differentiëren
In de electronica wel met opamp schakelingen, wiskundig kan ik dat niet.

Verder werkt de P.I.D. software die ik gebruik met de bitwaarde die uit de AD converter komt van de Arduino.
Dat is niet mijn keuze maar de keuze van de gene die de library heeft geschreven.
De uitgang die naar de Fet gaat is gewoon 0 of 1.
Het enige wat ik daar nog aan doe, is de scherpe flanken er af halen om de stoorsignalen te voorkomen.

Oja...
De truc met de ", 0)" om de extra cijfers kwijt te raken werkt, dank daarvoor.

Groet,
Blackdog

Hi Blackdog,
Volgensmij krijgt de controller hier zijn input:

  Input = (adcTempU + correctU);
   Setpoint = 760;  

Ik begrijp je code niet geheel, maar volgensmij bepaal je wel zelf
welke eenheden je de PID controller voert (in de bovenstaande code)

Als ik het goed begrijp is tempU de gemeten temperatuur in graden celsius in wordt deze hier berekend:

tempU = (adcTempU + correctU) * (uref/1024.0) /0.02

klopt dat?

In dat geval moet je dit doen:

//meetwaarde (PV) voor de PID controller in gr. C  
Input =    tempU            

//setpoint (SP) in gr. C 
Setpoint =  42;    

Hi,

Vandaag een beetje tijd gehad, en toen een aantal testen gedaan met de ovenwikkelingen in phase en in tegen phase.

Laten we beginne met een plaatje hoe gemeten is, in de buiten oven ligt op wat watten een smoorspoel.
Dit moet wel links gedraaide watten zijn, anders krijg je geen goed meetresultaat!!!
Sorry, ik kan het niet laten de audiapen in de maling te nemen
Het watte is gebruikt om de spoel een beetje in het midden te krijgen.

Het oppikspoeltje hangt bij dit plaatje aan de Audio precision meetset, de foto die ik in in het scoop plaatje heb geplakt laat het niveue zien.
Dit is hier rond de 1mV, en als ik de wikkelingen uit fase zet, dan gaat het signaal ruim 50dB! naar beneden.
Nog een leuke test die ik gedaan heb is deze, bij deze meting de buis van de binnenoven over het spoeltje geschoven.
Hierdoor ging het niveau 20dB omlaag, maar deze foto is zonder de binnen oven test genomen.

De volgende foto's zijn gemaakt met mijn 10x meetversterker om de 50 brom te onderdrukken, de scoop gevoeligheid is reeds aangepast.
Hierdoor kloppen de scoop gevoeligheids instellingen, let hierop bij de verschillende plaatjes hieronder.
De gele trace is het signaal dat aan de ovenverwarming wordt toegevoerd, en de blauwe is het signaal dat de 2,2mH spoel oppikt.
Het signaal is nu in tegen phase en wordt goed onderdrukt, maar er zijn wat verschillen, kijk maar.

1Khz, tegen Phase bij sinus signaal 20V PP via 39 Ohm aangesloten op de ovenwikkeling.
Met wat goede wil kan je in de blauwe trace het signaal herkennen,
als ik het via de Audio Precision meet met extra filters, krijg ik een schoner signaal, maar dat is nu even niet van belang.

Hier gaat het nu om, dit is de sturing met een blok signaal, let op de kanaal gevoeligheid, die is nu 10x zo ongevoelig.
De golf in de pieken komt door de scoop instellingen, bij het verder inzoomen verdwijnt dit.
Het maakt voor de gemeten Piek Piek spanning niet uit, deze bleef bij een andere tijdbasis rond de 4,2mV.
Voor de hogere frequenties die en in deze 1KHZ blok zitten is de onderdrukking dus duidelijk minder dan voor de sinus golfvorm.
Er treed resonantie op door de paracitaire capaciteiten en aansluitdraden inductie.

Ik heb er al aan gerefereerd, dat dit stevig kan storen als het P.I.D. signaal uit de Arduino rechttreeks naar de schakelfet gaat.
Ik zal dan flink in de problemen komen door de energie die hier geschakeld wordt,
afhankelijk waar ik voor kies maar denk aan de 1,1 Ampere die er geschakeld gaat worden bij 12V.

De laatste foto geeft aan hoeveel stoorsignaal er overblijft als de flanken worden aangepast van het signaal dat naar de gate van de Fet gaat.
Ik heb hier gekozen voor een flankstijlheid van 0,2msec, dit is nog steeds ruim sneller dan nodig voor de P.I.D regeling.
Als ik het signaal met de Audio precision meet is het ongeveer 10% hoger dan met het sinus signaal.
Bij een goede bedradings techniek heb ik het vermoede, dat ik het schakelen van de buitenoven niet ga terugvinden in mijn spannings referentie.

Door deze metingen heb ik nu wat meer vertrouwen dat ik met een simpele ovenregeling die weinig verliezen heeft een storing arm geheel krijg.
Door de in verhouding trage flanken zal er ietsje meer dissipatie optreden in de schakel Fet.
Maar die 0,2mSec is nog steeds erg weinig en ik maak me er dus niet druk om.

Gegroet,
Blackdog

Hi,

Vandag weer wat metingen gedaan aan het EM veld van de oven als deze met een puls signaal wordt aangestuurd.

Daar het kleine signalen zijn die ik moet meten, valt het betrouwbaar meten van dit ongewenste signaal niet mee.
Ik had al metingen gedaan met het 2,2mH spoeltje dat hieronder op de foto staat.
Dit doet echter ook zijn best om zowel het magnetische als het electrische veld van de 50Hz netfrequentie op te pikken.
Daar heb ik dus een stukje koperfolie omheen gewikkeld.
Nee, niet kortsluitend

De folie zit aan de afscherming van het kabeltje gesoldeerd en als laatst komt er dan nog een stukje krimpkous omheen.

Dat is dan nog niet voldoende, hier kunnen jullie zien dat de oppikspoel naar mijn 10x meetversterker gaat met ingebouwde 50Hz notch filter.
De uitgang van de meetversterker gaat dan naar de Audio Precision meetset.

De ovenbedrading is ook aangepast, de vier draden aan een kant heb ik na uitgebreid testen afgeknipt,
nadat ik wist wat de beste comby van doorverbinden was.
Hier is te zien dat draad 1 met draad 4 verbonden is, en draad 2 is met draad 3 doorverbonden.

Het geheel weer netjes ingepakt.

Oppikspoeltje ongeveer in het midden, door het aanpassen van de bedrading ben ik het strooiveld kwijt aan deze kant.
Dat wordt dan ook de kant waar de bedrading van de spanningsreferentie uit de binnenoven gaat komen.
Als ik de binnenoven die er op dit plaatje even niet in zit plaats, is het signaal niveau rond 1uV, natuurlijk nog afhankelijk van de positie.
De toegepaste technieken hebben er voor gezorgt, dat het stoorveld zo rond de 60dB gedempt word.
Wat ik al aangaf, ik heb goede hoop dat het schakelen van de P.I.D. regeling geen enkele storing op mijn referentie schakeling gaat opleveren.

Deze metingen zijn nu klaar en vanmiddag nog zet ik de Fet naast de Arduino op het Breadbord en de temperatuur regeling te kunnen gaan testen.
Dit samen met het Preheath relais zodat ik kan gaan testen hoever de Preheath temperatuur van de normale temperatuur of moet zitten.
De eerste testen gaven ongeveer 2C aan dus als ik 38C instel zou hij dus tegen de 40C doorschieten en de P.I.D kan het dan overnemen.
Laters meer.

Groet,
Blackdog

Hi,

Even snel de eerste testen met de Arduino buitenoven controler zijn ondertussen uitgevoerd.
Plaatje van de eerste setup, oven gewoon open op tafel, in een bakje onder de KeySight multimeter i.v.m. de lengte van de bedrading.
Op de foto wordt er getest met de volgende P.I.D. instellingen:
P=40
I=1
D=1
Window=1000

De Delta-t tussen de 5K meet NTC en de TMP37 is ongeveer 0,1C en nog niet getuned naar zo klein mogelijk,
dat is voor deze meting niet noodzakelijk.
Dit is een vrij lastige test voor een oven controler, dit omdat ik behalve dan dat de oven half in een bakje licht,
er geen isolatie is aangebracht en je dan dus last hebt vande luchtstromen die je hebt in je meetruimte.
De oven ligt op het moment van het meten ongeveer 70cm van het raam af, en daar is meestal aardig wat termiek aanwezig.
Sorry voor de wazige foto, moet weg naar een klant en geen tijd om het over te doen.

Dit is een plaatje hoe de oven regeld als hij in balans is zonder de normale isolatie.
Het blijft een beetje schommelen met ongeveer 0,06C Piek, Piek.
Later vandaag de geisoleerde toestand metingen.

Groet,
Blackdog

Ziet er goed uit Bram. Alleen de buiten oven zover ik kan zien?
Verwacht dat de resultaten met isolatie een nog stabieler resultaat moet opleveren.

Groeten,
Marius.

Hi Marius,

Net weer binnen, en nu twee temperatuurmeters opgestart vanaf een koude toestand zonder isolatie.
Dit om te meten hoe snel hij op temperatuur is en hoeveel slingering er optreed.

Daarna testen doen met isolatie, blijf op dit kanaal ingeschakeld want er komt meer *grin*

Klopt wat je zegt, het ziet er verder goed uit, heb nog wel een probleem met de uitgang die de Fet stuurt, volgens mijn is de uitgang (6) niet goed gedefineerd.
Ik krijg er niet echt een "0" of een "1" uit, ik heb voor de zekerheid ook de Arduino Nano al omgewisseld, maar dat was het niet.

Dus ik moet eerst maar eens in de code duiken hoe uitgang 6 gedefineerd wordt.

Groet,
Bram

Hi,

Weer een update

Hier wordt het opwarmen van de oven weergegeven, en dat is nu met een klein handdoekje als isolatie.
Op de bovenste meter is de schaal zichtbaar van 20C tot 42C.
Op de onderste meter ingezoomd rond de 39,97C
Bijde meters zijn tegelijk gestart en op de bovenste meter is te zien dat de overshoot minimaal is, iets van 0,7C.
Na een minuut of 8 is de oven al stabiel genoeg.
Deze en de vorige testen van vandaag zijn gedaan met 15V voeding en het vermogen dta dan kan worden opgenomen is 20-Watt.

Nadat de oven in balans was is dit de variatie van de temperatuur, let op de schaal deze is 0,05C van onder naar boven.
De resolutie van de converter samen met de output van de TMP37 en de referentiespanning geven iets meer dan 0,05C per bit.
Er treed dus door de pwm een soort oversampling op

Het is toch bijna een tekstboek plaatje...

Wat merk ik nog, dat is nog steeds de uitgang die de Fet stuurd, nog geen tijd voor gehad.
Er is een kleine hysteresis.
En de temperatuur gevoeligheid van de interne referentie van de Arduino Nano.
En er is een klein effect doorat ik gebruik maak van een Breadboard waar voor een deel de ovenstroom doorhheen loopt.
Dit heb ik geprobeerd zo veelmogelijk geschijden te houden.

Wat ik nu bereikt heb, is ruim voldoende voor mijn buitenoven en tussendoor ben ik ook bezig met het opsetten van een rechthoekige buisoven.
Deze wordt dan door een flink aantal power Fets verwarmd,
maar laat ik niet teveel uitwijden hierover, eerst deze helemaal goed krijgen.

Dan nog even dit.
Dat op het bovenstaande ingezoomde plaatje het lijkt of de temperatuur toch nog veel varieerd is natuurlijk niet zo.
De variatie die optreed valt binnen de bitwaarde van de gebruikte AD converter van de Arduino.
De drift over langere tijd is wat meer van belang, deze komt dan wel aan bij de binnen oven.
Door de isolatie en de thermische massa van de binnenoven komen de kleine variaties van zeg binnen een tijdbestek van 1 minuut daar bijna niet aan.
Dit gaat zo traag, dat de regelelecronica van de binnen oven hier geen enkele moeite mee heeft.
De variaties van de binnenoven ga ik proberen binnen 0,001C te gaan houden.
Dit doe ik door de brug waar het PT1000 sense element in zit, laag Ohmig te gaan houden en een ruisarme opamp te gaan gebruiken.
Dit laat ik later wel zien hier.

Gegroet,
Blackdog

Tsja, daar heb je denk ik nog weinig aan af te regelen toch?
Da's een mooie respons. Met jou PID waarden?

Hi necessaryevil,

Tja, daar kan ook jij weinig aan optimaliseren

Op het ogenblik doe ik een test met het varieren van de voeding van de oven.
Dat is dus de spanning over de oven weerstand, dit om te kijken hoe goet de oven regelt.
Deze spanning is bij de eerdere testen 15V geweest en nu steeds per 2V naar beneden gezet.
Op het ogenblik ben ik bij 6V aanbeland en daar begint het worstelen van de regeling
Het duurt langer voor hij de oven weer stabiel krijgt, dit komt omdat het maximale vermogen steeds kleiner wordt.
Bij 6V voeding is het maximaal opgenomen vermogen rond de 3,4 Watt en met het kleine handdoekje als isolatie is bij 21C omgeving's temperatuur,
iets van 2,8-Watt nodig om de oven op temperatuur te houden.
Tijdens dit typen, is bij 6v de oven ook weer stabiel geworden, mooi!

Oja, dat hele vreemde gedrag dat ik had met het aansturen van de Fet, kwam omdat de gene die de PID Library heeft gemaakt,
in zijn voorbeeld code de pin niet als output had vastgelegt, echt onbegrijpelijk...
Ik ben eerst door de Library code heen gegaan om te kijken of daarin de uitgang vast werd gelegt, nada noppes...
Volgens mij heeft hij het nooit zelf goed getest!
Dit bracht de oplossing, de uitgang klapt nu mooi om van "0" naar 5V.
Hierdoor werkt mijn Low Pass filter om de scherpe kantjes van de flanken er af te halen nu ook goed.

  pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);

Dit is een plaatje met 15V ovenvoeding en de oven is op het ogenblik in balans.
Wat je hier kan zien is dat de pulsbreedte varieerd aan de hand van de gemeten temperatuur.

Bij 15V voeding oven wikkeling

Bij 6V voeding oven wikkeling

Ik moet zeggen dat ik onder de indruk ben van de PID software.
De waarde van deze testen zijn deze:
P=40
I=1
D=1
Window=1000
Als de ovens goed ingepakt zijn, ga ik testen of ik met een grotere window kan gaan werken.
Dan schakeld de Fet minder vaak en is de kans op storing nog wat minder.
Door het goed inpakken lekt er minder energie en hierdoor kan de "PWM" frequentie omlaag.
Dit geeft dan uiteindelijk een iets grotere rimpel op de van de temperatuur,
maar deze rimpel komt door de thermische massa en isolatie niet bij de binnen oven aan.
Dit is dus een onderdeel van het "tune"proces als alees is samen gebouwd.

Verder vandaag gereedschap besteld voor het monteren van de teflon of glas doorvoertjes.
Ik heb dus diverse goede boren besteld en wat 2,5mm tapjes, Jesus wat is dat duur!

Verder nog uitgezocht wat er met een Teensy microcontroler te behalen is als regel computer.
Dat is voor een tweede versie die ik op stapel heb staan, die ga ik dan als hoofdregelaar inzetten.
Een enkele oven met 8 low cost Powerfets als verwarming en de PID software die ik nu ook test.
Alleen is de AD converter met oversampling rond de 14bit (intern 16 bit)
Ik ben benieuwd! maar wat ik al eerder aangaf, eerst deze verder testen en afmaken.

Als laatste plaatje je drift met 6V oven spanning over 2 minuten, let op de schaal 10mC totaal.
Je kan nog net de golfjes van de "window" tijd er in zien, bij 15V voeding is deze rimpel trouwens hoger.

Gegroet,
Blackdog

Dat is al een prima resultaat.
(en mooie plaatjes1)

De I-actie is net als in mijn theorie erg klein. Daar moet ik het dan maar mee doen .

Je kunt natuurlijk wat P, I en D waardes proberen.
Maar daar zit een risico aan.
Stel dat de uitkomst is dat alleen de P er toe doet. Dan heb je alleen een P regeling over.

Hi René,

Natuurlijk heb ik met de I en de D gespeeld, wat nu in het display staat en in het lijstje dat ik liet zien werkt goed.

Ik denk ook dat ik nu bijna alleen nog een P regeling over heb gehouden.
Dat maakt mij niet uit, tot nu toe levert het een mooie regeling op.

Tijd voor een warme hap, eetse voor jullie.

Groet,
Bram

Hi,

Wat vraagjes deze keer!

Ik had al de doorvoertjes laten zien, de glas en de rode Nylon of Teflon type.
Verder komen er twee deksels op de oven van aluminium, waaschijnlijk met een dikte van 3 a 4mm.
Hierin worden de doorvoertjes gemonteerd, en deze doorvoertjes wil ik lucht en vocht dicht hebben.
De rode kan ik persen en die zitten dan vrijwel zeker vochtdicht in het aluminium, maar voor de zekerheid wil ik aan twee zijden toch een laagje afdichtende "smurry" hebben.

Ik dacht dan aan pakkings materiaal voor b.v. motoren en dat kan dan iets van Locktite zijn.
Probeer eens iets te zoeken bij dat bedrijf op de functie van vocht dichtheid, druk dat gaat nog maar of het Hygroscopisch is heb ik niet kunen vinden.

De doorvoertjes zijn nog niet eens het grootste probleem, de afdichting van de plaatjes die de buis afdichten hebben een veel groter oppervlak.
Deze ronde plaatjes ga ik met een aantal 2,5mm boutjes vastzetten aan de buis, daarvoor heb ik het materiaal nodig dat ik vanmiddag had besteld, goede boren en tappen dus.
En dan moet er een soort pakking tussen die het dus luchtdicht en liefst ook dus vochtdicht houd.
Met de mogelijkheid als er reparatie nodig is, dat ik het zonder beitel open kan maken

Het eerste wat in mijn hoofd kwam was Velpon of een van de Collall lijmen.
Heeft een van jullie ervaring hiermee?

Alle ideen zijn welkom.

Groet,
Bram

Voor pakkingen zelf te maken gebruik ik meestal (of kan ik gebruik maken van) PR1440 kit.

Dan kan je ervoor kiezen om het dicht te maken om 1 deel in te waxen of om het het echt zekerste weten dicht te maken door geen wax te gebruiken.