冷却ファンの PID制御 (4) / 回転数を PID制御する

冷却ファンの回転数を検出し、PID制御する回路を作ります。

前回までに、ファンの制御に必要なフィードバック回路ができあがりました。

冷却ファンの回転数を検出し、PID制御する回路を作ります。前回は、じっさいに CPU冷却ファンを回転させ、回転数センサからの出力を Arduino NANO で検出、7セグメントLED で回転数を表示できるようにしました。今回は、ファン...

今回はいよいよ、ファンの回転数を PID制御してみようと思います。
毎度まいどですが、PID制御についてはググってください m(_ _;)m　過去記事もご覧いただければ。

PID制御のスケッチ
PID制御のようすは、次回、報告します
後記

PID制御のスケッチ

前回までに書いたスケッチに、PID制御を追加しました。
その他、細かい修正もしています。だいたいがまぁ、気分です (；´Д｀)



// FAN Speed Control v.1 2022.12.24 meyon230

//#define DEBUG_ON

class TM1630 {
private:
  const byte DISPLAY_MODE = 0x00;
  const byte WRITE_REG_AUTO_ADDR = 0x40;
  const byte WRITE_REG_FIXED_ADDR = 0x44;
  const byte READ_KEY_SCAN = 0x42;
  const byte SET_DISPLAY_ADDR = 0xC0;
  const byte DISPLAY_OFF = 0x80;
  const byte DISPLAY_ON = 0x88 | 0x84;
  const byte STB_ENABLE = LOW;
  const byte STB_DISABLE = HIGH;
  const int DOT_POSITION = -1;

  const byte digit[12] = {
    0b01111110,  // 0
    0b00001100,  // 1
    0b10110110,  // 2
    0b10011110,  // 3
    0b11001100,  // 4
    0b11011010,  // 5
    0b11111010,  // 6
    0b01001110,  // 7
    0b11111110,  // 8
    0b11011110,  // 9
    0b00000000,  // 10:blank
    0b00100000  // 11:dot
  };

  const byte dioPin = 10;
  const byte clkPin = 11;
  const byte stbPin = 12;

  const byte numberOfDigits = DISPLAY_MODE & 1 ? 5 : 4;
  const byte blank = 10;
  const byte dot = 11;

  byte gridData[];

public:
  TM1630() {
    pinMode(dioPin, OUTPUT);
    pinMode(clkPin, OUTPUT);
    pinMode(stbPin, OUTPUT);

    gridData[numberOfDigits] = {0};

    digitalWrite(stbPin, STB_ENABLE);
    shiftOut(dioPin, clkPin, LSBFIRST, DISPLAY_MODE);
    digitalWrite(stbPin, STB_DISABLE);

    digitalWrite(stbPin, STB_ENABLE);
    shiftOut(dioPin, clkPin, LSBFIRST, WRITE_REG_AUTO_ADDR);
    digitalWrite(stbPin, STB_DISABLE);
  }

  void displayNumbers(int n) {
    for (byte i = 0; i < numberOfDigits; i++) {
      int exponentialInDecimal = pow(10, i) + 0.5;
      bool zeroSuppression = (0 != i) && (DOT_POSITION < i) && (exponentialInDecimal > n);
      gridData[i] = zeroSuppression ? blank : n / exponentialInDecimal % 10;
    }

    digitalWrite(stbPin,STB_ENABLE);
    shiftOut(dioPin, clkPin, LSBFIRST, SET_DISPLAY_ADDR | 0x00);
    for (byte i = 0; i < numberOfDigits; i++) {
      shiftOut(dioPin, clkPin, LSBFIRST, digit[gridData[i]]);
      shiftOut(dioPin, clkPin, LSBFIRST, DOT_POSITION == i ? digit[dot] : 0);
    }
    digitalWrite(stbPin, STB_DISABLE);

    digitalWrite(stbPin, STB_ENABLE);
    shiftOut(dioPin, clkPin, LSBFIRST, DISPLAY_ON);
    digitalWrite(stbPin, STB_DISABLE);
  }
};

7セグメントLED ドライバ TM1630 の制御をおこなうクラスです。
基本的に、前回までと変わりないですが、一部、動作モードの転送を、コンストラクタからメンバ関数へ移動したりしてます。どっちでもいいんですケド。



class PulseDetector {
private:
  const byte sensorPin = 7;
  long pulsePeriod;

public:
  PulseDetector () {
    pinMode(sensorPin, INPUT);

    pulsePeriod = 0;
  }

  long detectPulses() {
    pulsePeriod = pulseIn(sensorPin, HIGH);
    pulsePeriod += pulseIn(sensorPin, LOW);

    return pulsePeriod;
  }
};

回転数パルスの検出を行なうクラス。
これも変更ないです。あ、変数の型をちょっと変えたかな。



class PIDcontrol {
private:
  const float Kp = 2.5;   // Proportional
  const float Ki = 0.15;  // Integral
  const float Kd = 1.3;   // Differential

  const long minimumPeriod = 13800;   // 2170rpm
  const long maximumPeriod = 25900;   // 1160rpm

  const byte potentiometerPin = 0;
  const byte manipulateOutputPin = 5;

  long en;
  long en1;
  long en2;
  long MVn;
  long MVn1;
  long dMVn;

追加した PID制御のクラス宣言とメンバ変数。

PID制御は、速度型制御アルゴリズムを使いました。
Kp、Ki、Kd は、それぞれ比例制御、積分制御、微分制御の制御係数です。値に関しては、まぁ、こんな感じかなぁと。動作のようすについては、あらためて書きます。
en、en1、en2 はそれぞれ、今回、前回、前々回の偏差。MVn、MVn1 は今回、前回の操作量。dMVn は操作量の増分です。



public:
  PIDcontrol() {
    pinMode(potentiometerPin, INPUT);
    pinMode(manipulateOutputPin, OUTPUT);

    en = 0;
    en1 = 0;
    en2 = 0;
    MVn = 0;
    MVn1 = 0;
    dMVn = 0;
  }

コンストラクタ。
ピンモードの設定をしてますけど、INPUT と PWM なので、必須ではないです。



  void manipulate(long pulsePeriod) {
    int potentiometerVoltage = analogRead(potentiometerPin);
    long SV = map(potentiometerVoltage, 0, 1023, maximumPeriod, minimumPeriod);

    long PV = pulsePeriod;

    en2 = en1;
    en1 = en;
    en = SV - PV;
    MVn1 = MVn;

    dMVn = Kp*(en-en1) + Ki*en + Kd*((en-en1)-(en1-en2));
    MVn = MVn1 + dMVn;

    int manipulatedVariable = map(MVn, maximumPeriod, minimumPeriod, 0, 255);
    int manipulatedOutput = constrain(manipulatedVariable, 0, 255);
    analogWrite(manipulateOutputPin, manipulatedOutput);

PID制御をおこなうメンバ関数。
回転数設定ボリュームからの入力を目標値 SV、回転数パルスの周期を計測値 PV として、今回操作量 MVn を算出します。その値を PWM デューティ比として出力しています。



#ifdef DEBUG_ON
  Serial.print("SV:");
  Serial.print(SV);
  Serial.print(", PV:");
  Serial.print(PV);
  Serial.print(", MVn:");
  Serial.print(MVn);
  Serial.print("\n");
#endif

  }
};

3行目のコメントアウトを解除すると、動作のようすがシリアルプロッタにグラフ化されます。ただ、なんかちょっと動作が変わるような気もします。どこかの処理に影響してるんじゃないかなぁ。



TM1630 ledDisplay;
PulseDetector pulseDetector;
PIDcontrol pidControl;

void setup() {

#ifdef DEBUG_ON
  Serial.begin(9600);
#endif

}

void loop() {
  static unsigned long interval = 100;
  static unsigned long previousMillis = 0;
  static long pulsePeriod = 0;

  unsigned long currentMillis = millis();

  if(interval <= currentMillis - previousMillis) {
    pulsePeriod = pulseDetector.detectPulses();
    pidControl.manipulate(pulsePeriod);

    long numberToDisplay = 30000000 / pulsePeriod;
    ledDisplay.displayNumbers(numberToDisplay);

    previousMillis = currentMillis;
  }
}