Интерфейс "глобальных настроек"
Мы научились получать значение текущей температуры, калибровать его и управлять уровнем нагрева с помощью ПИД-регулятора; однако вопрос настройки ПИД-регулятора остаётся пока открытым. Помимо настройки коэффициентов также нужно устанавливать минимальное и максимальное значение задаваемой температуры (в зависимости от того, какие температуры поддерживает печка), также можно определить шаг настройки задаваемой температуры.
Принцип работы будет такой же, как и при калибровке, только в эти настройки можно попасть по краткому нажатию «админской» кнопки из вЫключенного состояния; выход из настроек будет осуществляться по краткому нажатию «админской» кнопки – возвращаемся в выключенное состояние.
Рисунок 1. Модель системы глобальных настроек с точки зрения пользователя.
Для установки минимальной и максимальной температуры и шага изменения задаваемой температуры будем предлагать пользователю на выбор несколько вариантов – например, значения минимальной температуры могут быть от 0˚С до 60 ˚С с шагом 20 ˚С; максимальной – от 80 ˚С до 400 ˚С с тем же шагом. Шаг изменения может быть выбран из следующих значений: 0.1; 0.5 и 1 ˚С.
Особый интерес представляет настройка коэффициентов ПИД-регулятора. Можно попробовать сперва найти приблизительные значения коэффициентов (например, по методу Зиглера-Никольса, подробнее об этом методе можно почитать здесь), а затем уже ручной настройкой довести их до совершенства.
При этом коэффициенты нужно задавать достаточно точно – до десятых, а то и до сотых долей; но если мы сделаем настройку как обычно – задав текущее, максимальное-минимальное значение и шаг 0.01, то крутить энкодер мы будем бесконечно. Поэтому в данном случае лучше усовершенствовать способ настройки. Например, так:
Рисунок 2. Модель настройки коэффициентов ПИД-регулятора с точки зрения пользователя.
Все очень просто: мы разделим настройку каждого разряда: сначала будем настраивать сотни (шаг изменения у счётчика энкодера = 100), затем десятков (шаг изменения = 10), затем единиц и так далее. При этом P- и D-коэффициенты будут настраиваться как (_ _ _ . _ _) – число от 0 до 999.99, а вот I-коэффициент обычно небольшой, меньше 1, а иногда может быть и отрицательным – поэтому он будет настраиваться как (_ _ . _ _ _) или (- _ . _ _ _) – от -9.999 до 99.999.
Попробуем реализовать проект по частям – начнём с настройки коэффициентов ПИД-регулятора.
Скажем сразу – несмотря на кажущуюся простоту, это оказалось не так уж просто.
Для начала, мы переписали функцию отображения дробных чисел – нам нужно уметь отображать любые комбинации количества целых и дробных разрядов, а также нужно уметь отображать нули на месте старших неиспользуемых разрядов (например, 012.34) – так что мы сделали функцию универсальной: её можно использовать для отображения температуры и при калибровке.
//перевод дробного числа в строку
void DoubleToStr(double Value, char* buff, uint8_t IsElderZero, int8_t IntDecade, int8_t FractDecade)
{
uint16_t Divider, Dividend;
uint8_t currDecade;
char* currSymbol;
uint8_t i;
currSymbol = buff;
//если отрицательное число - записываем минус
if (Value < 0)
{
*currSymbol = '-';
currSymbol++;
Value *= (-1);
IntDecade--;
}
Dividend = (uint16_t)Value;
Divider = 1;
//формируем делитель для максимального разряда
for (i = 0; i < IntDecade - 1; i++)
Divider *= 10;
//отображаем целые разряды до единиц
for (i = 0; i < IntDecade - 1; i++)
{
currDecade = Dividend / Divider;
//записываем значение разряда или ноль, если нужно записывать "старшие" нули (вид числа "0123.4")
if ((currDecade) || (IsElderZero) || (Value > Divider))
*currSymbol = currDecade + '0';
else
*currSymbol = ' ';
currSymbol++;
Dividend = Dividend % Divider;
Divider /= 10;
}
//разряд единиц мы записываем, даже если там 0
currDecade = Dividend;
*currSymbol = currDecade + '0';
currSymbol++;
*currSymbol = '.';
currSymbol++;
//записываем нужное количество дробных разрядов
Divider = 1;
for (i = 0; i < FractDecade; i++)
Divider *= 10;
Dividend = ((uint32_t)(Value * Divider)) % Divider; //следим, чтобы обрабатывались даже числа, которые при смещении дробных разрядов > uint16_t
for(i = 0; i < FractDecade; i++)
{
Divider /= 10;
currDecade = Dividend / Divider;
*currSymbol = currDecade + '0';
currSymbol++;
Dividend = Dividend % Divider;
}
}
Функция перевода double в строку получилась неидеальной – из-за некоторых проблем в округлении через приведение типов, но что делать(
Функция для отображения конкретно значения ПИД-регулятора выглядит так:
//отображение значения коэффициента ПИД-регулятора при настройке
void DisplayShowPIDCoef(char CoefName, double Value, uint8_t IntDecade, uint8_t FractDecade)
{
char buff[DISP_SEGMENT_COUNT + 2];
buff[0] = CoefName;
DoubleToStr(Value, &buff[1], 1, IntDecade, FractDecade);
buff[DISP_SEGMENT_COUNT + 1] = 0;
DisplayShowStr(buff);
}
Теперь перейдём к инициализации настройки коэффициента ПИД-регулятора.
Подумаем, что нам нужно: во-первых, запомнить, какой коэффициент мы настраиваем (нужно запомнить символ-обозначение и сохранить адрес значения коэффициента; нужно помнить количество дробных и целых разрядов. Далее нужно настроить энкодер – а значит, определить минимальное и максимальное значение и максимальный шаг. На этом инициализация настройки коэффициента ПИД-регулятора закончена.
Сама же машина настройки очень проста и имеет два состояния: в первом мы, соответственно, настраиваем коэффициент, и по окончанию настройки (когда мы выбрали значения всех разрядов и снова коротко нажали пользовательскую кнопку) мы переходим в пассивное состояние «Выход из настройки коэффициента», где ничего не делаем и ждём, пока машина выше сообразит, что случилось.
А вот теперь рассмотрим подробнее состояние настройки.
Сначала мы сделали все очень просто:
Рисунок 3. Виртуальная машина настройки коэффициентов ПИД-регулятора.
Все было хорошо до тех пор, пока мы не начали проверять работу машины на отрицательных значениях.
В то время, как мы хотели получить что-то типа этого:
- 9 8 . 7 6 5
повернули энкодер вправо
0 9 8 . 7 6 5
Мы, естественно, получили вот это:
- 9 8 . 7 6 5
повернули энкодер вправо
0 0 1 . 2 3 5
Естественно, энкодер просто прибавляет к значению шаг, и мы получаем не очень красивую картину.
Поэтому пришлось изголяться: при переходе от отрицательного значения к положительному или наоборот нам нужно вместо прибавления или вычитания шага умножать предыдущее значение на (-1). В общем, добавляем ещё одну переменную, в которой будет храниться предыдущее значение, и проверку при повороте энкодера.
Получаем следующий код:
//настройка коэффициентов ПИД-регулятора
//состояния виртуальной подмашины настройки ПИД-коэффициентов
typedef enum {pssSetup, pssExit} TVMPIDSetupState;
//структура подмашины настройки ПИД-коэффициентов
typedef struct
{
char psCoefName; //символ, обозначающий текущий настраиваемый коэффициент ('P', 'I' или 'D')
uint8_t psFractDecade: 3; //количество дробных разрядов при настройке коэффициента
uint8_t psIntDecade: 3; //количество целых разрядов при настройке коэффициента
uint8_t psDecadeCounter; //счётчик разрядов
double *psCurrCoef; //указатель на переменную, в которой хранится значение настраиваемого коэффициента
double psLastEncValue; //предыдущее значение энкодера (исп-ся при переходе от отрицательных значений к положительным и обратно)
TVMPIDSetupState psMachineState;
} TVMPIDSetup;
TVMPIDSetup VMPIDSetup;
//инициализация подмашины настройки ПИД-коэффициентов; на вход название коэф-та, наличие отрицательных значений, число дробных разрядов
void PIDSetupMachineInit(char CoefName, uint8_t IsNeg, uint8_t FractDecade)
{
uint8_t i;
double minValue, maxValue, step;
VMPIDSetup.psCoefName = CoefName;
//определяем указатель на переменную со значением нужного коэффициента
switch (VMPIDSetup.psCoefName)
{
case 'P':
VMPIDSetup.psCurrCoef = &(VMHeatElement.hePIDPCoef);
break;
case 'I':
VMPIDSetup.psCurrCoef = &(VMHeatElement.hePIDICoef);
break;
case 'D':
VMPIDSetup.psCurrCoef = &(VMHeatElement.hePIDDCoef);
break;
}
VMPIDSetup.psLastEncValue = *(VMPIDSetup.psCurrCoef);
//определяем количество дробных и целых разрядов
VMPIDSetup.psFractDecade = FractDecade;
VMPIDSetup.psIntDecade = (DISP_SEGMENT_COUNT - 1) - FractDecade;
VMPIDSetup.psDecadeCounter = 0;
//рассчитываем максимальное и минимальное значение
maxValue = 1;
for (i = 0; i < VMPIDSetup.psIntDecade; i++)
maxValue *= 10;
step = maxValue / 10;
//уменьшаем на "чуть-чуть" значение максимума, чтобы не "перевалить" за старший разряд
maxValue -= 0.0001;
if (IsNeg == 0)
minValue = 0;
else
minValue = (maxValue / 10) * (-1);
//настраиваем энкодер
EncoderCounterSetValue(*(VMPIDSetup.psCurrCoef), maxValue, minValue, step);
//отображаем на дисплее текущее значение коэффициента
DisplayShowPIDCoef(VMPIDSetup.psCoefName, *(VMPIDSetup.psCurrCoef), VMPIDSetup.psIntDecade, VMPIDSetup.psFractDecade);
VMPIDSetup.psMachineState = pssSetup;
}
//подмашина настройки ПИД-коэффициентов
void PIDSetupMachine()
{
switch (VMPIDSetup.psMachineState)
{
case pssSetup:
//если энкодер был повернут - меняем значение
if (VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged)
{
VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged = 0;
//отдельная ситуация, когда происходит смена знака - тогда просто умножаем предыдущее значение энкодера на (-1)
if (((VMPIDSetup.psLastEncValue < 0) && (VMEncoderCounter.ecntValue > 0)) ||
((VMPIDSetup.psLastEncValue > 0) && (VMEncoderCounter.ecntValue < 0)))
VMEncoderCounter.ecntValue = VMPIDSetup.psLastEncValue * (-1);
VMPIDSetup.psLastEncValue = VMEncoderCounter.ecntValue;
DisplayShowPIDCoef(VMPIDSetup.psCoefName, VMEncoderCounter.ecntValue, VMPIDSetup.psIntDecade, VMPIDSetup.psFractDecade);
}
//если пользовательская кнопка была коротко нажата
else if (VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress)
{
VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress = 0;
VMPIDSetup.psDecadeCounter++;
//если нужно уменьшить разряд
if (VMPIDSetup.psDecadeCounter < (VMPIDSetup.psFractDecade + VMPIDSetup.psIntDecade))
VMEncoderCounter.ecntStep = VMEncoderCounter.ecntStep / 10;
//если разряды "кончились"
else
{
*(VMPIDSetup.psCurrCoef) = VMEncoderCounter.ecntValue; //сохраняем новое значение
VMPIDSetup.psMachineState = pssExit; //выходим
}
}
break;
}
}
Вот прошивка с настройкой P-коэффициента.
В силу округления и отображения дробных чисел у нас возникают некоторые проблемы – иногда при редактировании старших разрядов меняются младшие разряды (поскольку шаг у нас может представлять собой не целое число – например, 100 – а дробное – 99.(9)), но спишем это на «издержки производства», поскольку наш проект все-таки учебный. По-хорошему, конечно, стоит реализовать отдельную функцию задания числа поразрядно с помощью энкодера, когда значение одного разряда никоим образом не будет влиять на другие.
Но, в принципе, всё работает! Возвращаемся на уровень выше и моделируем работу машины глобальных настроек:
Рисунок 4. Часть виртуальной машины глобальных настроек (настройка минимальной температуры).
Настройка минимальной-максимальной температуры одинакова. С шагом температуры чуть похитрее: нам нужно будет создать некоторый массив возможных значений, например, {0.1, 0.5, 1, 2}; счётчик энкодера будет выбирать индексы, и сохранять в отдельную переменную мы тоже будем не значение шага, а значение индекса массива шагов температуры.
Попробуем реализовать эту часть.
Сначала в библиотеку «ADCTemperature» добавляем информацию о минимальной-максимальной температуре и шаге температуры.
.h-файл:
#define TEMPERATURE_STEP_VALUES_COUNT 4
extern double TEMPERATURE_STEP_ARR[TEMPERATURE_STEP_VALUES_COUNT];
//границы минимальной и максимальной температуры
extern uint16_t MinTemperatureBorder[2];
extern uint16_t MaxTemperatureBorder[2];
#define MIN_MAX_TEMPERATURE_SETUP_STEP 20
typedef struct
{
//максимальные-минимальные значения температуры и шаг изменения при задании температуры
uint16_t atMaxTemperatureValue;
uint16_t atMinTemperatureValue;
uint8_t atTemperatureStepIndex;
…
} TADCTemperature;
.с-файл:
//границы минимальной и максимальной температуры
uint16_t MinTemperatureBorder[2] ={0, 60};
uint16_t MaxTemperatureBorder[2] = {80, 400};
//варианты шага температуры при задании желаемой температуры
double TEMPERATURE_STEP_ARR[TEMPERATURE_STEP_VALUES_COUNT] = {0.1, 0.5, 1, 2};
В библиотеку дисплея добавляем функцию отображения шага температуры:
//отображение шага температуры
void DisplayShowTemperatureStep(double Value)
{
char buff[DISP_SEGMENT_COUNT + 3] = "ST ";
DoubleToStr(Value, &buff[3], 0, 1, 2);
buff[DISP_SEGMENT_COUNT] = 'C';
buff[DISP_SEGMENT_COUNT + 1] = DispPointSymbol;
buff[DISP_SEGMENT_COUNT + 2] = 0;
DisplayShowStr(buff);
}
Отображение минимальной и максимальной температуры у нас получается такое же, как и отображение точек калибровки, поэтому будем использовать те же функции.
Дальше уже работаем с библиотекой «SetupInterface»:
//состояния виртуальной машины глобальных настроек
typedef enum {gssGreetingInit, gssGreeting, gssMinTemperatureInit, gssMinTemperature, gssMaxTemperatureInit,
gssMaxTemperature, gssTemperatureStepInit, gssTemperatureStep, gssPID_PCoefInit, gssPID_PCoef,
gssPID_ICoefInit, gssPID_ICoef, gssPID_DCoefInit, gssPID_DCoef} TVMGlobalSetupState;
TVMGlobalSetupState VMGlobalSetupState;
char GS_GREETING[] = "SETUP";
//инициализация виртуальной машины глобальных настроек
void GlobalSetupMachineInit()
{
VMGlobalSetupState = gssGreetingInit;
}
//виртуальная машина глобальных настроек
void GlobalSetupMachine()
{
switch (VMGlobalSetupState)
{
case gssGreetingInit:
DisplayShowStr(GS_GREETING);
VMGlobalSetupState = gssGreeting;
break;
case gssGreeting:
if (VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress)
{
VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress = 0;
EncoderCounterSleep(); //усыпляем счётчик
VMGlobalSetupState = gssMinTemperatureInit;
}
break;
case gssMinTemperatureInit:
EncoderCounterSetValue(ADCTemperature.atMinTemperatureValue, MinTemperatureBorder[1], //настраиваем энкодер
MinTemperatureBorder[0], MIN_MAX_TEMPERATURE_SETUP_STEP);
DisplayShowCalibrationValue(0, ADCTemperature.atMinTemperatureValue); //отображаем на дисплее текущую минимальную температуру
VMGlobalSetupState = gssMinTemperature;
break;
case gssMinTemperature:
if (VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged) //при повороте энкодера отображаем новое значение
{
VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged = 0;
DisplayShowCalibrationValue(0, VMEncoderCounter.ecntValue);
}
else if (VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress) //по короткому нажатию на пользовательскую кнопку сохраняем значение и переходим на настройку макс. температуры
{
VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress = 0;
ADCTemperature.atMinTemperatureValue = (uint16_t)VMEncoderCounter.ecntValue;
VMGlobalSetupState = gssMaxTemperatureInit;
}
break;
case gssMaxTemperatureInit:
EncoderCounterSetValue(ADCTemperature.atMaxTemperatureValue, MaxTemperatureBorder[1], //настраиваем энкодер
MaxTemperatureBorder[0], MIN_MAX_TEMPERATURE_SETUP_STEP);
DisplayShowCalibrationValue(1, ADCTemperature.atMaxTemperatureValue); //отображаем на дисплее текущую максимальную температуру
VMGlobalSetupState = gssMaxTemperature;
break;
case gssMaxTemperature:
if (VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged) //при повороте энкодера отображаем новое значение
{
VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged = 0;
DisplayShowCalibrationValue(1, VMEncoderCounter.ecntValue);
}
else if (VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress) //по короткому нажатию на пользовательскую кнопку сохраняем значение и переходим на настройку шага температуры
{
VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress = 0;
ADCTemperature.atMaxTemperatureValue = (uint16_t)VMEncoderCounter.ecntValue;
VMGlobalSetupState = gssTemperatureStepInit;
}
break;
case gssTemperatureStepInit:
EncoderCounterSetValue(ADCTemperature.atTemperatureStepIndex, //настраиваем энкодер
(TEMPERATURE_STEP_VALUES_COUNT - 1), 0, 1);
DisplayShowTemperatureStep(TEMPERATURE_STEP_ARR[ADCTemperature.atTemperatureStepIndex]);//отображаем на дисплее текущий шаг температуры
VMGlobalSetupState = gssTemperatureStep;
break;
case gssTemperatureStep:
if (VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged) //при повороте энкодера отображаем новое значение
{
VMEncoderCounter.ecntOnValueChanged = 0;
DisplayShowTemperatureStep(TEMPERATURE_STEP_ARR[(uint8_t)VMEncoderCounter.ecntValue]);
}
else if (VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress) //по короткому нажатию на пользовательскую кнопку сохраняем значение и переходим на настройку П-коэффициента
{
VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress = 0;
ADCTemperature.atTemperatureStepIndex = (uint8_t)VMEncoderCounter.ecntValue;
VMGlobalSetupState = gssMinTemperatureInit;
}
break;
}
}
Далее будем настраивать коэффициенты ПИД-регулятора – тут совсем просто; мы уже все реализовали в отдельной вспомогательной машине.
Рисунок 5. Часть виртуальной машины глобальных настроек (настройка П-коэффициента ПИД-регулятора).
Добавили следующий код:
//виртуальная машина глобальных настроек
void GlobalSetupMachine()
{
switch (VMGlobalSetupState)
{
…
case gssTemperatureStep:
…
else if (VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress) //по короткому нажатию на пользовательскую кнопку сохраняем значение и переходим на настройку П-коэффициента
{
VMLogicalButtons[0].lbOnShortPress = 0;
ADCTemperature.atTemperatureStepIndex = (uint8_t)VMEncoderCounter.ecntValue;
VMGlobalSetupState = gssPID_PCoefInit;
}
break;
case gssPID_PCoefInit:
PIDSetupMachineInit('P', 0, 2);
VMGlobalSetupState = gssPID_PCoef;
break;
case gssPID_PCoef:
PIDSetupMachine();
if (VMPIDSetup.psMachineState == pssExit) //если машина закончила работать - переходим на настройку И-коэффициента
VMGlobalSetupState = gssPID_ICoefInit;
break;
case gssPID_ICoefInit:
PIDSetupMachineInit('I', 1, 3);
VMGlobalSetupState = gssPID_ICoef;
break;
case gssPID_ICoef:
PIDSetupMachine();
if (VMPIDSetup.psMachineState == pssExit) //если машина закончила работать - переходим на настройку D-коэффициента
VMGlobalSetupState = gssPID_DCoefInit;
break;
case gssPID_DCoefInit:
PIDSetupMachineInit('D', 0, 1);
VMGlobalSetupState = gssPID_DCoef;
break;
case gssPID_DCoef:
PIDSetupMachine();
if (VMPIDSetup.psMachineState == pssExit) //если машина закончила работать - переходим на настройку минимальной температуры
VMGlobalSetupState = gssMinTemperatureInit;
break;
}
}
Написано вроде все верно, но вот странно – программа сходит с ума! Такое может быть, когда программе не хватает стека – и верно, при увеличении его до 0x60 все становится нормально.
Также нужно не забыть реализовать в машине выше (базовый интерфейс) возможность входа и выхода в виртуальную машину глобальных настроек (по короткому нажатию на админскую кнопку); там же необходимо будет запрещать спящий режим энкодера.
После реализации машины глобальных настроек необходимо эти самые настройки задействовать – в базовой машине в состоянии настройки заданной температуры изменяем жестко записанные числа на переменные, хранящие значение минимальной-максимальной температур и шага.
Исправляем также выбор температуры при калибровке (изменяем в настройках энкодера максимальное значение; минимальное значение оставляем равным нулю, поскольку калибровка производится при выключенном нагреве).
Немного «поигравшись» с получившейся программой, мы выяснили ещё одну деталь: при изменении минимальной и максимальной температуры необходимо также проверять, не стала ли текущая заданная температура выходить за границы диапазона. Поэтому добавляем в соответствующие состояния проверки типа:
//проверяем, не оказалась ли теперь заданная температура меньше минимальной if (ADCTemperature.atSetTemperature < ADCTemperature.atMinTemperatureValue) ADCTemperature.atSetTemperature = ADCTemperature.atMinTemperatureValue;
Автор - Moriam =ˆˆ=