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Heater: segmented PID (full-power / slow-band / overtemp-cutoff) + 2s/5pct PWM

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hulk
2026-10-10 14:49:24 +08:00
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commit c9aa41685f
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Src/heat.c
+68 -61
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@@ -1,10 +1,14 @@
/**
* @file heat.c
* @brief 加热控制：慢 PWM 驱动（PB12）+ PID 控温闭环 + 安全保护。
* @brief 加热控制：慢 PWM 驱动（PB12）+ 分段 PID 控温闭环 + 安全保护。
* @details 硬件：PB12=HEAT_EN，高 = 加热开（2N7002K 电平转换 → VBE2412 PMOS → 24V）。
* 开关频率约束（<=10Hz）由"1s 载波周期 + 10% 占空步进"保证——每档脉宽
* 恒为 100ms 的整数倍。PID 以 500ms 周期计算（NTC 后台采样 100ms），
* 输出量化到 0~10 档占空。
* 开关频率约束（<=10Hz）由"2s 载波周期 + 5% 占空步进"保证——每档脉宽
* 恒为 100ms 的整数倍（0.5Hz 载波、20 档占空分辨率）。
* 控制为分段式：
* err >= 温和带 全量 PID（满功率爬升）；
* 0 <= err < 温和带 正常 PID 但占空上限压到温和档（小功率缓升，
* 减少进带蓄热，降低越过目标后的惯性过冲）；
* err < 0（超温） 强制关断 + 积分按负误差回退（执行器只能加热不能制冷）。
* @note 安全保护：上电默认关闭；NTC 传感器故障（OPEN/SHRT）强制关断；
* 过温（>= HEATER_OVERTEMP_C）滞回保护；未使能强制关断。
*/
@@ -19,20 +23,20 @@
/* 内部状态 */
static bool s_enable = false; /* 加热使能（M3） */
static float s_target = 0.0f; /* 目标温度（M4，外部设定值） */
static float s_ramp_target = 0.0f; /* 内部斜坡目标（以 HEATER_RAMP_CPS 滑向 s_target） */
static uint8_t s_duty10 = 0; /* 量化占空档位 0~10（x10%） */
static float s_target = 0.0f; /* 目标温度（M4） */
static uint8_t s_duty = 0; /* 量化占空档位 0~HEATER_PWM_STEPS（x STEP%） */
static bool s_overtemp = false; /* 过温锁存（滞回恢复） */
static float s_integral = 0.0f; /* PID 积分项 */
static float s_prev_err = 0.0f; /* PID 上次误差 */
static uint16_t s_pwm_phase_ms = 0; /* PWM 载波相位 0..PERIOD-1 */
static uint16_t s_pid_divider = 0; /* PID 周期分频（10ms 圈） */
/* 档位总数 = 100% / 步进% */
#define HEATER_PWM_STEPS (100U / HEATER_PWM_STEP_PCT)
/******************************************************************************/
/* 底层输出 */
static void heat_out(bool on);
static void heat_out(bool on) {
if (on) {
gpio_bit_set(HEATER_EN_PORT, HEATER_EN_PIN);
@@ -61,21 +65,28 @@ static void pid_reset(void) {
}
/**
* @brief PID 计算（500ms 周期）：误差 -> 占空档位 s_duty10（0~10）。
* @brief 积分试算值（err 一步积分；供抗饱和逻辑条件采纳）。
*/
static float integ_step(float err) {
return s_integral + err;
}
/**
* @brief 分段 PID 计算（500ms 周期）：误差 -> 占空档位 s_duty。
*/
static void pid_compute(void) {
float t = ntc_get_temperature();
/* 传感器故障（开路/短路）：安全第一，强制关断并复位 PID */
if (t <= -273.0f) {
s_duty10 = 0;
s_duty = 0;
pid_reset();
return;
}
/* 未使能：强制关断 */
if (!s_enable) {
s_duty10 = 0;
s_duty = 0;
pid_reset();
return;
}
@@ -87,57 +98,60 @@ static void pid_compute(void) {
s_overtemp = false;
}
if (s_overtemp) {
s_duty10 = 0;
s_duty = 0;
pid_reset();
return;
}
/* 目标斜坡：内部设定值以受限速率滑向 s_target。
满功率爬升段 ramp 超前于实际温升（不受影响）；接近目标后 ramp 先到站停住，
误差随实际温度逼近而平滑收缩 -> 功率缓退，抑制热传导滞后造成的过冲。 */
float diff = s_target - s_ramp_target;
float step = HEATER_RAMP_CPS * (HEATER_PID_PERIOD_MS / 1000.0f);
if (diff > step) {
s_ramp_target += step;
} else if (diff < -step) {
s_ramp_target -= step;
} else {
s_ramp_target = s_target;
float err = s_target - t;
/* 超温区间：执行器只能加热不能制冷，输出必须为 0；
积分按负误差回退，为温度回落后的重新加热保留正确初始态 */
if (err < 0.0f) {
s_integral = integ_step(err);
s_prev_err = err;
s_duty = 0;
return;
}
/* 位置式 PID（带抗积分饱和）：输出饱和时积分仅沿退饱和方向更新，
防止升温段积分顶满后长时间维持 100% 输出（此前实测目标 50℃ 冲到 59℃） */
float err = s_ramp_target - t;
float u_noi = HEATER_PID_KP * err
+ HEATER_PID_KD * (err - s_prev_err); /* 比例 + 微分 */
float integ_new = s_integral + err;
/* 超温区间（实际温度高于内部目标）：加热器只能加热、不能制冷，
输出必须为 0（此前积分正残量会算出小占空在超调段续灌加热）；
积分按负误差同步回退，为温度回落后的重新加热保留正确初始态 */
if (err < 0.0f) {
s_integral = integ_new;
s_prev_err = err;
s_duty10 = 0;
/* 位置式 PID（带抗积分饱和） */
float u = HEATER_PID_KP * err
+ HEATER_PID_KD * (err - s_prev_err)
+ HEATER_PID_KI * integ_step(err);
if (u > 100.0f) {
u = 100.0f;
/* 饱和：err>=0 分支积分不吸收（防 windup） */
} else {
/* 误差为正（未达/低于内部目标）：正常 PID + 抗积分饱和 */
float u = u_noi + HEATER_PID_KI * integ_new;
s_integral = integ_step(err);
}
/* 温和带：距目标不足 HEATER_SLOWBAND_C 时，比例/微分即时响应受限
（小功率缓升，减少进带蓄热、降低惯性过冲）；积分项不受限——
稳态维持功率由积分缓慢顶到实际需要值 */
if (err < HEATER_SLOWBAND_C) {
float u_pd = HEATER_PID_KP * err + HEATER_PID_KD * (err - s_prev_err);
if (u_pd > (float)HEATER_SLOWBAND_DUTY) {
u_pd = (float)HEATER_SLOWBAND_DUTY;
}
if (u_pd < 0.0f) {
u_pd = 0.0f;
}
u = u_pd + HEATER_PID_KI * s_integral;
if (u > 100.0f) {
u = 100.0f;
/* 超上限：仅误差为负才吸收——err>=0 分支不会发生，保持积分不动 */
} else {
s_integral = integ_new;
}
/* 输出量化到 10% 档位（四舍五入） */
s_duty10 = (uint8_t)((u + (float)HEATER_PWM_STEP_PCT / 2.0f) / (float)HEATER_PWM_STEP_PCT);
}
s_prev_err = err;
/* 输出量化到档位（四舍五入） */
s_duty = (uint8_t)((u + (float)HEATER_PWM_STEP_PCT / 2.0f) / (float)HEATER_PWM_STEP_PCT);
}
/******************************************************************************/
/* 公共接口 */
void heat_task(void) {
uint8_t prev_duty = s_duty10;
uint8_t prev_duty = s_duty;
/* PWM 载波相位推进（10ms tick） */
s_pwm_phase_ms += 10U;
@@ -150,16 +164,16 @@ void heat_task(void) {
if (s_pid_divider >= HEATER_PID_PERIOD_MS) {
s_pid_divider = 0U;
pid_compute();
if (s_duty10 != prev_duty) {
if (s_duty != prev_duty) {
s_pwm_phase_ms = 0U; /* 占空变更：从新周期起点开始，响应即时 */
}
}
/* 按占空档位输出：0 档常关、10 档常开、其余按相位斩波 */
uint16_t on_ms = (uint16_t)s_duty10 * (HEATER_PWM_PERIOD_MS / 10U);
if (s_duty10 == 0U) {
/* 按占空档位输出：0 档常关、满档常开、其余按相位斩波 */
uint16_t on_ms = (uint16_t)s_duty * (HEATER_PWM_PERIOD_MS / HEATER_PWM_STEPS);
if (s_duty == 0U) {
heat_out(false);
} else if (s_duty10 >= 10U) {
} else if (s_duty >= HEATER_PWM_STEPS) {
heat_out(true);
} else {
heat_out(s_pwm_phase_ms < on_ms);
@@ -169,15 +183,8 @@ void heat_task(void) {
void heat_set_enable(bool on) {
if (s_enable == on) return; /* 幂等 */
s_enable = on;
if (on) {
/* 从当前实际温度起坡，避免内部目标从 0 跳变造成功率冲击 */
s_ramp_target = ntc_get_temperature();
if (s_ramp_target < 0.0f) {
s_ramp_target = 0.0f; /* 传感器故障标记值非法，退化为 0 */
}
} else {
s_ramp_target = 0.0f;
s_duty10 = 0;
if (!on) {
s_duty = 0;
pid_reset();
heat_out(false);
}
@@ -196,5 +203,5 @@ float heat_get_target(void) {
}
uint8_t heat_get_duty(void) {
return s_duty10;
return s_duty;
}