Komu z nas nie dokucza hałas dochodzący z wnętrza komputera? Odpowiedzialne są za niego przede wszystkim wentylatory. Część z nich na pewno może pracować znacznie ciszej. Kluczem do osiągnięcia tego celu jest... prawidłowe sterowanie. Zapraszam do lektury!
Spójrzmy na wentylator komputerowy z punktu widzenia automatyki.
 
Co to jest wentylator? 
Wentylator komputera to w zasadzie 'silnik prądu stałego'. Bezpośrednio do osi wirnika naszego silnika prądu stałego zamontowane są skrzydełka powodujące ukierunkowany przepływ gazu (powietrza).
 
Jak zasilane są wentylatory?
Niezależnie od rozmiarów (od kilku do 12 cm) są zasilane napięciem stałym (DC) 12 V. Podanie napięcia stałego na zaciski zasilania wentylatora powoduje, że zaczyna się on kręcić, przyspiesza i już po chwili kręci się przez cały czas z tą samą prędkością. Wentylatory zostały zaprojektowane na napięcie 12 V. Możemy więc powiedzieć, że ta wartość napięcia jest napięciem nominalnym (właściwym). Podobnie możemy powiedzieć, że obroty nominalne wentylator osiąga dla napięcia nominalnego.
 
Czym możemy sterować? (Jak możemy oddziaływać na wentylator?)
Możemy sterować obrotami wentylatora, a więc ilością przepływającego przez niego powietrza.
 
Po co mielibyśmy sterować pracą wentylatora?
Praca wentylatorów wiąże się z hałasem, który powstaje podczas przepływu powietrza przez wentylator. Hałas ten ma często charakter 'jednostajnego szumu', który przez wielu ludzi jest uznawany za niepożądany efekt uboczny. Nie będę się rozwodził nad negatywnym wpływem takiego hałasu na nasze zdrowie. W każdym razie mi hałas wentylatorów przeszkadzał i męczył mnie.
 
Niestety nie potrafię przedstawić związku pomiędzy prędkością obrotową łopat wentylatora a natężeniem hałasu w ustalonej odległości od wentylatora. Można znaleźć informacje, że zależność ta jest nieliniowa. Obniżenie obrotów wentylatora o połowę (z 3 tys. obr./min. do 1.5 tys. obr./min.) znacznie redukuje hałas. Oczywiście powstaje pytanie, co to znaczy 'znacznie', o dopuszczalny próg hałasu, sposób pomiaru hałasu itp. itd. Niestety są to parametry dyskusyjne, sposób pomiaru jest niejednoznaczny, sprzęt pomiarowy rzadko dostępny i kosztowny. Przy ocenie należy więc w tym przypadku kierować własnymi zmysłami.
 
Prędkość obrotowa wentylatora przekłada się na wielkość strumienia powietrza. W komputerze są miejsca, gdzie konieczne jest wymuszanie przepływu powietrza. Często jednak przyjmuje się wymagane przepływy nieco 'na wyrost', biorąc pod uwagę najgorszy przypadek. I tak np. na procesor dobiera się wentylator w taki sposób, by był w stanie odprowadzić ciepło z radiatora rozgrzanego do 70 °C podczas gdy otoczenie radiatora ma temperaturę °C. Wentylator musi się wtedy obracać z prędkością około 3 tys. obr./min. Przy tej prędkości wyraźnie słychać jego pracę. Jednak jest to przypadek ekstremalny. Przez zdecydowaną większość czasu temperatura procesora i radiatora będzie niższa. Tym samym wentylator mógłby się obracać wolniej i mniej hałasować. Fajnie, gdyby istniało urządzenie, które automatycznie (bez uwagi człowieka) dostosuje prędkość obrotową wentylatorów do aktualnych potrzeb.
 
Jak można zmieniać obroty wentylatora? (Jak możemy sterować?)
Najprostszym sposobem zmiany obrotów wentylatora jest zaplanowana zmiana napięcia zasilania.
 
Zdefiniujmy wejście i wyjście wentylatorka. Dopasujmy się do ogólnego schematu blokowego ('bloku') o jednym wejściu i jednym wyjściu (rys. 1).
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys01_blokowy_wewy01.jpg

Rys. 1. Blok wejścia-wyjścia.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys02_blokowy_wewy02.jpg

Rys. 2. Schemat blokowy wentylatora.
 
Wielkością wejściową (wejściem) będzie napięcie zasilania. Wielkością wyjściową (wyjściem) będą obroty wentylatora lub ilość powietrza przepływającego przez wentylator. (Por. rys. 2).
 
Najczęściej napięcie zasilania jest zmieniane na dwa sposoby:
  • ciągła zmiana napięcia zasilania; zasilanie ma charakter ciągłej funkcji gładkiej
  • sterowanie PWM - zasilanie przypomina kształtem sygnał prostokątny 
Sterowanie PWM zasługuje na poświęcenie mu osobnego, rozbudowanego artykułu. Z tego powodu w dalszej części omówię przypadku 'ciągłe'.
 
Co nazywamy sygnałem? (Jak definiujemy sygnał?)
Sygnał to (wyróżniona) wielkość fizyczna niosąca informację. Inaczej nośnik informacji.
 
Co chcemy osiągnąć poprzez sterowanie? (Jakie możemy sobie postawić cele sterowania?)
1. Praca ciągła z ustalonymi obrotami. Po włączeniu zasilania komputera wentylator zostanie włączony, ale będzie się ciągle kręcił z obrotami różnymi od obrotów nominalnych.
2. Praca automatyczna - obroty wentylatora będą dopasowywane (wg jakiejś reguły) do temperatury radiatora procesora.
 
W przypadku pracy automatycznej możemy wyobrazić sobie kilka odmian algorytmu sterowania: 
2.1. Obroty wentylatora dopasowywane proporcjonalnie do temperatury radiatora.
2.2. Regulacja 'skokowa' - po przekroczeniu pewnej wartości progowej temperatury zmierzonej na radiatorze wentylator zostanie włączony z maksymalnymi obrotami. Po zmniejszeniu się temperatury poniżej pewnego progu wentylator zostanie zatrzymany.
 
Jakie znamy podstawowe sposoby sterowania?
  • tzw. sterowanie w pętli otwartej sprzężenia zwrotnego
  • tzw. sterowanie w pętli zamkniętej sprzężenia zwrotnego
Co to jest 'sprzężenie'? Co to znaczy?
Termin 'sprzężenie' oznacza mniej więcej tyle, co 'połączenie'. Innymi słowy termin 'sprzężenie zwrotne' oznacza wprost, że coś jest z czymś 'zwrotnie' połączone. Ale co z czym? By prawidłowo odpowiedzieć na to pytanie, należy uważnie spojrzeć na najprostsze schematy blokowe ilustrujące oba sposoby sterowania (rys. 3, rys. 4).
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys03_sterowaniewpetliotwartej.jpg

Rys. 3. Schemat blokowy układu z pętlą otwartą.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys04_sterowaniewpetlizamknietej.jpg

Rys. 4. Schemat blokowy układu sterowania z pętlą sprzężenia zwrotnego.
 Na obu rysunkach widzimy pewien 'układ', czyli bloki ilustrujące urządzenia. Oprócz bloków na rysunku umieszczono strzałki. Oznaczają one przepływ sygnałów (przenoszenie informacji) między blokami. Wyróżniono dwa bloki:
  • blok kontrolera (sterownika), który ma za zadanie zrealizować postawione przez nas cele sterowania. Kontroler jest przygotowywany przez nas, mamy wpływ na jego sposób (algorytm) działania. Możemy go zmieniać. Ponieważ to my budujemy kontroler, więc możemy przyjąć, że wiemy o nim wszystko. Często jest tak, że koszt budowy i przygotowania kontrolera jest znikomy w porównaniu z kosztem obiektu.
  • blok obiektu. Nie możemy zmieniać obiektu. Nie mamy wpływu na jego sposób działania. Nie zawsze w pełni znamy sposób zachowania obiektu.
Z punktu widzenia sterowania najważniejsze są sygnały trafiające na wejście obiektu (wypracowywane przez algorytm kontrolera) oraz sygnały trafiające na wyjście obiektu. Z tego względu to właśnie te sygnały (WE oraz WY) zostały wyróżnione na rys. 3.
  
Czym różnią się oba sposoby sterowanie? 
W przypadku sterowania w pętli otwartej sprzężenia zwrotnego (albo: bez pętli sprzężenia zwrotnego) kontroler oddziałuje na obiekt. Sygnał wypracowany przez kontroler (sygnał wyjściowy kontrolera) trafia na wejście obiektu. Obiekt przekształca sygnał wejściowy na sygnał wyjściowy. Sterowanie polega w tym wypadku na takim oddziaływaniu na obiekt, by uzyskać oczekiwany cel sterowania.
 
W przypadku sterowania w pętli zamkniętej dodatkowo sygnał z wyjścia obiektu jest zawracany ('skierowywany', 'zwracany') na wejście układu, czyli trafia na wejście kontrolera. Można też powiedzieć, że sygnał wyjściowy układu jest łączony ('sprzęgany') z sygnałem wejściowym. Stąd też termin 'sprzężenie zwrotne'. Mowa też o 'pętli sprzężenia zwrotnego'. Owa pętla to nic innego jak właśnie skierowanie sygnału z wyjścia obiektu na wejście kontrolera.
 
W przypadku układów ze sprzężeniem zwrotnym kontroler ma szansę się dowiedzieć, czy podziałał na obiekt w taki sposób, że faktycznie uzyskał cel sterowania. Jeżeli wyjście różni się od wejścia, to może zmodyfikować sposób sterowania w taki sposób, by osiągnąć spodziewany cel. 
 
Czym są zakłócenia? Jaka jest ich rola? 
Nasze schematy blokowe wymagają uzupełnienia. Świat niestety nie jest taki prosty, jak to przedstawiłem na powyższych rysunkach. Matka natura w sposób przypadkowy 'atakuje' nasz obiekt.  Przypadkowe oddziaływania o często niezidentyfikowanym pochodzeniu nazywa się w automatyce zakłóceniami.
 
Jakie są konsekwencje występowania zakłóceń w przypadku układu bez pętli sprzężenia zwrotnego? 
Uzupełnijmy nasz model blokowy bez pętli zwrotnej o zakłócenia (rys. 5).
 
Jak widać podstępne zakłócenia oddziałują na cały układ, a więc zarówno na kontroler jak i na obiekt. Ponieważ jednak kontroler jest naszym dziełem, możemy przyjąć, że potrafimy sobie z nimi poradzić. Projektujemy nasz kontroler w taki sposób, by był odporny na większość dających się przewidzieć zakłóceń. Niestety tego samego nie możemy zrobić w przypadku obiektu. Obiekt nie podlega projektowaniu. 'Jest, jaki jest'. Bierzemy go takim, jaki jest. Jego struktura wewnętrzna jest niezmienna. W wyniku zabiegów projektowych możemy zmienić nasz model do postaci widocznej na rys. 6.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys05_otwarte_zaklocenia01.jpg

Rys. 5. Oddziaływanie zakłóceń na układ z otwartą pętlą sterowania.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys06_otwarte_zaklocenia02.jpg

Rys. 6. Układ z otwartą pętlą w obecności zakłóceń.
Konsekwencją obecności zakłóceń (oddziaływania zakłóceń na obiekt sterowania) jest zmiana wyjścia, zmiana sygnału wyjściowego. Kontroler projektujemy zakładając, że nie występują zakłócenia. Dlaczego? Ponieważ, zgodnie z definicją, zakłócenia to oddziaływania przypadkowe, nieprzewidywalne, w związku z tym projektujemy układ nie uwzględniając ich wpływu. Pomimo że kontroler będzie realizował zaprojektowany sposób oddziaływania na obiekt, to na pracę obiektu wpływ mają także zakłócenia zniekształcające wyjście. Wniosek: nie będziemy w stanie sterować tak, jak chcieliśmy. Jesteśmy narażeni na niezrealizowanie celów sterowania.
 
Jakie są konsekwencje występowania zakłóceń w przypadku układu z pętlą sprzężenia zwrotnego?
Uzupełnijmy nasz model blokowy z pętlą sprzężenia zwrotnego o zakłócenia (rys. 7).
 
Ponownie podstępne zakłócenia oddziałują na cały układ. Ponownie możemy przeprojektować kontroler w taki sposób, by opierał się zakłóceniom. Zakłócenia będą miały wpływ przede wszystkim na obiekt (rys. 8).
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys07_zamkniety_zaklocenia01.jpg

Rys. 7. Układ z pętlą w obecności zakłóceń.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys08_zamkniety_zaklocenia01.jpg

Rys. 8. Model układu ze sprzężeniem zwrotnym w obecności zakłóceń.
  
Konsekwencją obecności zakłóceń (oddziaływania zakłóceń na obiekt sterowania) jest zmiana wyjścia, zmiana sygnału wyjściowego. Zmieniony sygnał wyjściowy trafi na wejście kontrolera. Kontroler będzie miał szansę zareagować na zmieniony sygnał. Będzie miał szansę skompensować wpływ zakłóceń. Pomimo obecności zakłóceń możemy zrealizować cele sterowania. Tym samym ujawniła się ogromna zaleta układów ze sprzężeniem zwrotnym. 
 
Spróbujmy zilustrować przedstawione cele sterowania za pomocą schematów blokowych
 
1. Praca ciągła z zadanymi obrotami. Po włączeniu zasilania komputera wentylator zostanie włączony, ale będzie się ciągle kręcił z obrotami różnymi od obrotów nominalnych.
 
Przez 'obroty nominalne' rozumie się takie obroty wentylatora, jakie uzyskuje bez regulatora, czyli przy pełnym napięciu 12 V.
 
Na rynku jest dostępnych wiele rozwiązań zapewniających zmianę obrotów wentylatora. Jedno z nich umieściłem na poniższym zdjęciu (rys. 9).
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys09_potencjometryczny_petla_otwarta.jpg

Rys. 9. Regulator z pętlą otwartą, potencjometryczny.
 
Najczęściej obniżenie napięcia zasilania uzyskuje się przez podanie go na potencjometr. Spadek (obniżenie) napięcia na potencjometrze powoduje wydzielenie się na nim ciepła. Ciepło to trzeba jakoś odprowadzić, np. poprzez sporych rozmiarów radiator.
 
Parametry urządzenia podane przez producenta:
  • rozmiary: 70 (dł.) x 26 (szer.) x 26 (wys.) mm
  • waga 32 g
  • napięcie wyjściowe (napięcie regulowane) w zakresie 5 V ~ 11 V (±2 %)
  • wydzielanie mocy < 6 W 
 
Zakres regulacji tego typu regulatora nie jest wielki. Napięcie zostaje zmniejszone z 12 do około 5 V. Przy takim napięciu wentylator wciąż dosyć szybko się obraca. Prędkość obrotów śmigła spada o mniej więcej połowę. 
 
Spróbujmy narysować schemat blokowy układu sterowania. Najpierw bloki:
a. obiekt -> wentylator 
b. regulator.
 
Te dwa elementy są oczywiste. Czy nie brakuje jeszcze czegoś? Co zadaje sygnał sterowania? Jak zamodelować zmianę nastawy potencjometru? Posłuży do tego kolejny blok schematu: 
c. zadajnik
 
W przypadku regulatora widocznego na rys. 9 zadajnikiem będzie... nasza ręka przekręcająca ośkę potencjometru. Czasami dla uproszczenia na schematach blokowych rezygnuje się z rysowania bloku nastawnika. Rysuje się wtedy wyłącznie sygnał 'zadający' (nasze oznaczenie: y0). 
 
Tradycyjnie oznaczymy na schemacie sygnał wejściowy (we) i wyjściowy (wy). Dodatkowo oznaczymy sygnał na wyjściu zadajnika. Gotowy schemat blokowy przedstawia rys. 10.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys10_blokowy_otwarte.jpg

Rys. 10. Schemat blokowy otwartego układu sterowania.
 
 
2. Praca automatyczna - obroty wentylatora będą dopasowywane (wg jakiejś reguły) do temperatury radiatora procesora.
 
W przypadku pracy automatycznej możemy wyobrazić sobie kilka odmian algorytmu sterowania: 
2.1. Obroty wentylatora dopasowywane proporcjonalnie do temperatury radiatora np. na głównym procesorze.
 
Na Allegro znalazłem dwa znakomite regulatory wykorzystujące termiczne sprzężenie zwrotne, oba produkcji polskiej. Pierwszy z nich to tzw. 'noise killer' ('zabójca szumów') (rys. 11). Drugi to 'RT-2' (rys. 12). Niestety oba z nich nie są już w tej chwili dostępne na Allegro (wrzesień 2007), więc niech żałują Ci, którzy ich nie zakupili ;-)
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_dsc_4270.jpg

Rys. 11. Noise killer 'z licencją na zabijanie hałasu'.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_dsc_4273.jpg

Rys. 12. Regulator proporcjonalny RT-2.
 
Krótkie porównanie funkcjonalności obu rozwiązań:
Funkcja  RT-2  Noise Killer 
 
Możliwość ustawienia granicznej wartości temperatury, 
po przekroczeniu której wentylator 
startuje z minimalnymi obrotami.
NIE  TAK 
Głośniczek informujący o zatrzymaniu wentylatora po 
przekroczeniu progu
NIE  TAK 
Możliwość w zasadzie dowolnego umieszczenia regulatora wewnątrz 
obudowy komputera
TAK  nie koniecznie 
Element termoczuły na osobnym przewodzie
TAK  NIE 
Dioda sygnalizująca przekroczenie progu załączenia
???  TAK
 
Niestety nie pamiętam, jaka była cena regulatora 'noise killer', podejrzewam że około 20 pln (rok 2004). Cena RT-2 w maju 2007 oscylowała w zakresie 12-15 pln. Jakość za rozsądną cenę. W jednym z moich komputerów mam do dzisiaj zamontowany regulator 'noise killer'. Procesor to Celeron 950 MHz. W normalnych warunkach pracy (włączonych kilka typowych aplikacji (program pocztowy, przeglądarka, komunikatory)przez prawie połowę czasu wentylator na procesorze w ogóle się nie kręci. W gorące letnie dni, gdy temperatura w cieniu przekracza 30 stopni, kręci się przez cały czas, a jego obroty dochodzą do 2,5 tys. obr./min. Nominalne obroty wentylatora na procesorze (przy napięciu 12 V) to 3 tys. obr./min. Wentylator zaczyna się kręcić przy 1.4 tys. obr./min.
 
Spróbujmy narysować schemat układu sterowania z zastosowaniem wymienionych regulatorów. Jak to już zostało wspomniane czujnik temperatury zostaje umieszczony na radiatorze procesora. Celem sterowania jest utrzymanie stałej temperatury radiatora. Obiektem sterowania jest radiator. Spróbujmy narysować schemat blokowy (rys. 13). Spróbujmy opisać nasz układ oraz zachodzące w nim procesy.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys13_blokowy_rzeczywisty_zamkniety.jpg

Rys. 13. Schemat blokowy rzeczywistego układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.
 
Stan początkowy obiektu (np. zaraz po włączeniu zasilania komputera): zimny radiator. Wobec tego wentylator się nie obraca. Po pewnym czasie temperatura radiatora rośnie. Rosnąc przekracza ustalony wcześniej za pomocą potencjometru próg (sygnał y0 = const.) odpowiadający temperaturze, która powinna być utrzymywana na radiatorze. Kontroler przez cały czas otrzymuje informację o temperaturze radiatora za pośrednictwem czujnika temperatury. Dzięki temu po przekroczeniu progu y0 może zareagować i próbować utrzymać temperaturę obiektu (radiatora) na ustalonym poziomie. By to osiągnąć podaje na wejście wentylatora sygnał zwiększający obroty wentylatora. Wentylator szybciej się obracając stara się obniżyć temperaturę radiatora do poziomu y0. Jeżeli temperatura na radiatorze mimo to rośnie, kontroler zwiększy obroty wentylatora. Do radiatora przymocowany jest czujnik temperatury. Powietrze z wentylatora chłodzi radiator, a więc i czujnik.
 
Algorytm sterowania w tym przypadku brzmi: 'im wyższa temperatura na radiatorze, tym większe obroty wentylatora; utrzymać temperaturę na zadanym poziomie'. Najprościej ten postulat jest zrealizować stosując algorytm proporcjonalnego wzrostu obrotów wentylatora do temperatury radiatora. Tyle w wielkim skrócie. Zmiany temperatury radiatora (obiektu) to oczywiście zakłócenie. Nie możemy przewidzieć jak zmieni się temperatura naszego obiektu. Radiator jest podgrzewany w przypadkowych momentach.
 
Zwykle przedstawiony układ sterowania modeluje się następująco (rys. 14).
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys14_zamkniety_blokowy_teoria.jpg

Rys. 14. Schemat blokowy układu sterowania ze sprzężeniem zwrotnym.
 
Dla większej czytelności sygnały oznaczyłem kolorem zielonym. Oznaczenia:
  • sygnał wyjścia (wyjście obiektu, wy) = y
  • sygnał wejścia (wejście obiektu, we) = u
  • wartość zadana sterowania ( y(t = t0 = const.) ) = y0
 
Na schemacie pojawił się nowy symbol 'węzła sumacyjnego' (kółeczka). Na węzeł sumacyjny trafiają dwa sygnały: y0 oraz y, natomiast wychodzi jeden: e. Jak działa węzeł sumacyjny? Wyjście węzła sumacyjnego stanowi sumę sygnałów wejściowych:
e =  y0 + y
 
Hm... Czy aby na pewno powyższe równanie modeluje nasz układ? Przypomnijmy, jaki jest cel sterowania. Cel sterowania zostanie osiągnięty, gdy y0 = y, a raczej y0 → y (dążyło do y). By model miał sens, w węźle sumacyjnym powinno dojść do porównania wartości zadanej z wyjściem (obiektu). Trzeba więc zmienić znak w równaniu węzła:
e = y0 - y
 
Tak więc znak sygnału pętli sprzężenia zwrotnego musi być ujemny. Dzięki temu sygnał 'e' może być miarą celu sterowania: im bliżej 'e' zera, im 'e' mniejsze, tym bliżej jesteśmy celu sterowania. Czasami dla jednoznaczności dodatkowo na schemat nanosi się znaki sygnałów wchodzących na węzeł sumacyjny (rys. 15). 
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys15_zamkniety_wezelsumacyjny_znaki.jpg

Rys. 15. Pełny schemat blokowy układu zamkniętego. Ujemne sprzężenie zwrotne.
 
W przypadku, gdy znak sygnału sprzężenia zwrotnego jest ujemny, mówimy o 'ujemnym sprzężeniu zwrotnym'. Tylko takie sprzężenie jest użyteczne, gdyż prowadzi do osiągnięcia celu sterowania. Sprzężenie zwrotne prowadzi do wzmacniania sygnału, teoretycznie do nieskończoności.
 
Jak już wspomniano wcześniej regulator wypracowuje sygnał proporcjonalny do temperatury obiektu. Spróbujmy bardziej ściśle zapisać to zdanie. Sygnał wypracowany przez regulator (wyjście regulatora):
u = k · e
jest proporcjonalny do sygnału e, czyli:
u = k · (y0 - y) = k · y0 - k · y
 
Porównajmy 'nasz' schemat blokowy modelujący układ rzeczywisty (rys. 13) z tym teoretycznym, abstrakcyjnym 'podręcznikowym' (rys. 14). W pierwszym momencie możemy odnieść wrażenie, że to dwa różne modele. Przyjrzyjmy się bliżej (rys. 16).
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys16_porownanie_teor_prak.jpg

Rys. 16. Model 'teoretyczny' oraz model układu rzeczywistego.
 
 
Kolorem czarnym narysowano bloki i przepływ sygnałów modelu 'teoretycznego'. Kolorem niebieskim narysowano bloki rzeczywiste analizowanego układu sterowania.
 
Ze względu na teoretyczną analizę układów sterowania wygodnie jest rozdzielić węzeł sumacyjny oraz regulator. Rzeczywisty moduł regulatora zawiera 'na pokładzie' oba wymienione bloki.
 
Teoretyczny schemat blokowy zakłada, że wszystkie sygnały układu są sygnałami elektrycznymi, a przynajmniej że są sygnałami o tym samym charakterze (np. wszystkie są temperaturami, prędkościami itp.). W rzeczywistym układzie sterowania dochodzi do przekształceń sygnałów:
  • sygnał temperaturowy zostaje przekształcony na postać elektryczną przez czujnik umieszczony w pętli sprzężenia zwrotnego,
  • sygnał elektryczny zostaje przekształcony na prędkość obrotową przez wentylator.
 
Przekształcenie sygnału temperaturowego:
yT na postać elektryczną yE. Przekształcenia tego dokonuje czujnik, więc z punktu widzenia funkcji, jaką spełnia, możemy go nazwać przetwornikiem:
yT ~ yE
 
Od czujnika oczekujemy, że liniowo (proporcjonalnie) przekształci nam temperaturę na sygnał elektryczny, ze współczynnik proporcjonalności w1:
yE = w1 · yT
 
Przekształcenie sygnału elektrycznego przez wentylator:
uE na postać obrotów wentylatora uOW. Przekształcenia tego dokonuje wentylator, który pełni funkcję przetwornika:
uOW ~ uE
 
Od wentylatora oczekujemy, że liniowo (proporcjonalnie) przekształci sygnał z jednej dziedziny w drugą z jakimś współczynnikiem proporcjonalności w2:
uOW = w2 · uE
 
Dalej przyjmuje się milcząco, że kontroler zajmuje się tylko wypracowywaniem sygnału sterującego 'u' poprzez odpowiednie przekształcenia informacji. Tymczasem by móc faktycznie oddziaływać na obiekt sygnałowi sterującemu należy nadać jakąś energię, czyli go wzmocnić. Ponadto często należy sygnał sterowania przekształcić do postaci wymaganej przez obiekt. Wzmacniacz stanowi część elektronicznego modułu kontrolera. Wypracowany sygnał sterowania zostaje wzmocniony i przeskalowany do postaci sygnału elektrycznego zasilającego wentylator. Sam wentylator jest przetwornikiem sygnału napięciowego na sygnał obrotów wentylatora (wejścia obiektu).
 
Zatrzymajmy się jeszcze na chwilę przy wentylatorze. W omawianym układzie nie jest on obiektem (celem) sterowania. Stanowi narzędzie, moduł przetwornika. Przyjmuje się, że ma liniową charakterystykę wiążącą wejście z wyjściem oraz że można pominąć wpływ zakłóceń. Proszę zwrócić uwagę, że w przedstawionym układzie sterowania, gdzie obiektem był radiator procesora, wentylator jest sterowany w pętli otwartej, stanowi jeszcze jeden roboczy blok. jak widać, w zależności od kontekstu, ten sam element może raz być obiektem sterowania, innym razem pełnić funkcję liniowego wzmacniacza.
 
Podsumowując, widać dobrą zgodność modelu teoretycznego i rzeczywistego. Model teoretyczny stanowi uproszczenie modelu rzeczywistego. Pomija nieistotne z punktu widzenia idei sterowania bloki przetworników i wzmacniaczy. Ponieważ oczekuje się, że bloki przetworników i wzmacniaczy mają liniowe charakterystyki 'wejścia-wyjścia', więc nie zmieniają kształtu sygnałów istotnych z punktu widzenia sterowania. Model teoretyczny pozwala się skupić na najważniejszych blokach układu, relacjach między najważniejszymi sygnałami. Model rzeczywisty pozwala dostrzec sposób realizacji zadania sterowania.
 
 
2.2. Regulacja 'skokowa' (jak w termostacie) - po przekroczeniu pewnej wartości progowej temperatury zmierzonej na radiatorze wentylator zostanie włączony z maksymalnymi obrotami. Po zmniejszeniu się temperatury poniżej pewnego progu wentylator zostaje zatrzymany.
 
Niestety nie mam fotografii prezentującej przykładowe rozwiązanie. Na Allegro regulatory realizujące przedstawiony algorytm sprzedawał ten sam producent, który wytwarzał regulator RT-2. Jak widać każdy mógł znaleźć coś dla siebie.
 
Co to jest charakterystyka bloku?
Charakterystyką bloku nazwiemy ścisły, matematyczny opis sposobu działania bloku wiążący wyjście z wejściem.  W ogólności tak podana definicja nie wymaga, by WE z WY było związane funkcją. Charakterystyką bloku może być wykres, tabela, zapis algebraiczny.
 
Jakie są typy charakterystyk bloków? 
Z punktu widzenia automatyki istotne jest rozróżnienie pomiędzy charakterystykami:
  • statycznymi
  • dynamicznymi 
Charakterystyki statyczne są niezależne od czasu ('nic się nie zmienia, wszystko jest nieruchome, statyczne').  Charakterystyki dynamiczne opisują zależności od czasu. Tak podane definicje są bardzo uproszczone, nieformalne, ale opisowo oddają sens definicji.
 
Jak wygląda charakterystyka statyczna typowego wentylatora komputerowego?
Na początek spróbujmy przedstawić, czego się spodziewamy. Jak to już zostało wcześniej powiedziane, spodziewamy się liniowego związku między wejściem (napięciem przykładanym na wejściu wentylatora) a obrotami. Ideę tą przedstawia rys. 17. Rys. 17 przedstawia jakościową zależność pomiędzy wielkością wejściową a wyjściową. Co więcej rys. 17 przedstawia raczej pewien postulat, nierealizowalny w praktyce. Rzeczywistość daje się modelować zależnościami liniowymi tylko w pewnych przedziałach wielkości. Dlatego na wykresie końce prostej zaznaczono liniami przerywanymi przedstawiając tym samym postulatywny charakter zależności.
 
Rys. 17 nie przenosi informacji ilościowej. Informację ilościową uzyskujemy na podstawie pomiarów. Dzięki temu możemy zmodyfikować model zależności do bardziej rzeczywistej postaci, przedstawionej na rys. 18.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys17_wykres_liniowy01.jpg

Rys. 17. Jakościowa zależność pr. obrot. od U zas.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys18_wykres_liniowy02.jpg

Rys. 18. Rzeczywista zależność pr. obrot. od U zas.
Na podstawie rys. 18 możemy powiedzieć, że zakres napięcia zasilania Uzas naszego wentylatora to zaledwie <5; 12> [V]. Innymi słowy wentylator 'rusza' (zaczyna się obracać) po przyłożeniu na wejściu napięcia 5 V. W przypadku zmian napięcia zasilania (sterowania) dodatkowo istotną rolę odgrywa 'kierunek' tych zmian. Jeżeli zaczynamy zwiększać napięcie od 0V do +12V, to wentylator zacznie się obracać mniej więcej po osiągnięciu +5V. Jeżeli jednak będziemy zmniejszać napięcie od +12V do 0V, to okaże się, że wentylator nadal się obraca przy napięciu mniejszym niż +5V (np. +3V). Dzieje się tak dlatego, że przy 'ruszaniu' wentylator musi pokonać znaczne opory ruchu. Przy zmniejszaniu napięcia zasilania możemy zejść poniżej progu +5V. Zależność zmian od kierunku tych zmian modelujemy histerezą (rys. 19).
 
Spójrzmy na rys. 20. Pokazuje on najważniejsze punkty charakterystyki po uwzględnieniu histerezy. Położenie poszczególnych punktów może się nieznacznie zmieniać, w zależności od typu wentylatora, natomiast kształt pozostanie zbliżony do przedstawionego.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys19_wykres_histereza01.jpg

Rys. 19. Model uwzględniający histerezę.
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys20_wykres_histereza02.jpg

Rys. 20. Najważniejsze punkty charakterystyki.
Każdy model oddaje tylko pewne cechy rzeczywistości. W zależności od tego, jak wiele tych cech uwzględnia, jest bardziej lub mniej dokładny. Dokładność modelu weryfikują pomiary. Przykładowo w przypadku modelu bloku wentylatora przeszliśmy od najprostszego modelu liniowego (rys. 17) poprzez model 'odcinkami liniowy' (rys. 18) do modelu 'odcinkami liniowego z histerezą' (rys. 20).
 
Jak wygląda charakterystyka automatycznego kontrolera wentylatora komputerowego (typ 2.1)?
Charakterystyka kontrolera wentylatora komputerowego wygląda bardzo podobnie do tej przedstawionej na rys. 20, z tym że na osi odciętych ('x') powinna być temperatura, a na osi rzędnych ('y') zasilanie (rys. 21). 
images/stories/20070912_SterowanieWentylatorem/640_rys21_kontroler_liniowy01.jpg

Rys. 21. Charakterystyka kontrolera typu 2.1.

oś odciętych:

A = 0 [°C]

B = 40 [°C]

C = 40 ± 1 [°C]

F = 50 [°C]

oś rzędnych:

A =  0 [V]

D = 3 [V]

E = 5 [V]

F = 12 [V] 

Kontrolery różnych producentów różnią się nachyleniem charakterystyki (rys. 21, odcinek DF), obecnością lub brakiem obecności histerezy (rys. 21, krzywa BCDE), możliwością nastawy progu temperatury, dla którego wentylator ma rozpoczynać pracę (rys. 21, punkt D).
 
Jak można sklasyfikować wentylatory komputerowe?
Istnieje kilka prostych klasyfikacji:
  • wg średnicy wentylatora
  • wg liczby wyprowadzeń / możliwości sterowania
Klasyfikacja wg liczby wyprowadzeń / możliwości sterowania:
  • 2 wyprowadzenia: wspólny potencjał (GND), zasilanie (+12V)
  • 3 wyprowadzenia: jak wyżej, dodatkowo sygnał mówiący o prędkości obrotów
  • 4 wyprowadzenia: jak wyżej, dodatkowo sygnały sterowania PWM 
Wentylatory o 3 wyprowadzeniach umożliwiają pomiar prędkości obrotowej. Jest to bardzo cenna informacja, umożliwiająca budowanie zaawansowanych układów regulacji. Oto obiekt sterowania (wentylator) od razu dostarcza precyzyjnych informacji o trudnym do zmierzenia parametrze, jakim jest prędkość obrotowa jego łopat. Nic, tylko zasiąść do projektowania ;-)
 
Wentylatory o 4 wyprowadzeniach wymagają zaawansowanych kontrolerów wyposażonych w stosowne wyjście PWM. Tak się jednak składa, że spora grupa współczesnych płyt głównych jest już wyposażona we wbudowane kontrolery tego typu.
 
Ile kosztuje cisza?
Wentylatory (ceny na podstawie Allegro, wrzesień 2007):

średnica [mm] /

liczba wyprowadzeń 

80 90 120
 ???  3,50 - 8  5 - 8
3  8 - 12  8 - 12  8 - 15
4  12 - 18 11 - 17,50   15,50 - 20
  • Bardziej zaawansowane (i często droższe) wentylatory posiadają wbudowany czujnik temperatury oraz regulator obrotów.
  • Czasami do wentylatora jest dołączany prosty kontroler pozwalający nastawić obroty w pewnym zakresie.
Kontrolery (ceny na podstawie Allegro, wrzesień 2007):

typ kontrolera 

cena [PLN] 
otwarty (typ 1)  9 - 10
zamknięty (typ 2.1)  brak
zamknięty (typ 2.2)

 brak lub dostępne

okazyjnie

PWM (typ 3)

 zintegrowany z

panelami sterującymi

 
Myśli nieuczesane
  • Z ekonomicznego oraz praktycznego punktu widzenia najbardziej opłacałoby się kupić najprostsze, 2-przewodowe wentylatory oraz co najmniej jeden kontroler typu 2.2. (Przeważnie do wyjścia jednego kontrolera można dołączyć więcej niż jeden wentylator).
  • Niestety, obecnie na rynku brak w sprzedaży kontrolerów typu 2.2.
  • Obecne na rynku kontrolery otwarte (typu 1) są bardzo prymitywne, jednak mogą być przydatne w tych miejscach komputera, które wymagają stałego przepływu powietrza ze względu na stałe wydzielanie ciepła (np. zasilacz, twarde dyski). Moim zdaniem idealny kontroler typu 1 powinien umożliwiać obniżenie napięcia na wentylatorze poniżej bezpiecznej wartości 5V, redukując w ten sposób obroty i hałas do minimum. Ewentualne zatrzymanie pracy wentylatora powinno być monitorowane i wykrywane. Po zatrzymaniu wentylatora spowodowanym nadmiernym obniżeniem napięcia zasilania wentylator powinien zostać ponownie rozkręcony (np. poprzez podanie napięcia 5V), a następnie napięcie zasilania powinno zostać zredukowane do wartości o 10% większej od tej, przy której poprzednio doszło do zatrzymania wentylatora.
  • Marzy mi się niedrogi regulator oparty na mikrokontrolerze jedno układowym. Posiadałby on możliwość sterowania zarówno w pętli otwartej, jak i zamkniętej, w zależności od potrzeb. W przypadku sterowania w pętli otwartej realizowałby algorytm przedstawiony w poprzednim podpunkcie. W przypadku sterowania w pętli zamkniętej powinien umożliwiać dowolne kształtowanie / przesuwanie punktów charakterystyki z rys. 20. Sterowanie obywałoby się albo w sposób 'ciągły' albo poprzez PWM.
  • Do tej pory zastosowałem kontrolery temperatury typu 2 w kilku komputerach. W moim komputerze stosuję kontroler 'noise killer'. Jest on przyklejony do radiatora procesora. Procesor Celeron (3) 950 MHz. Radiator 'box', kupiony wraz z procesorem. W okresie trzech pór roku (wiosna, jesień, zima) uzyskałem stan, w którym podczas normalnej pracy komputera przez blisko 1/3 czasu wentylator w ogóle się nie kręci, przez większość pozostałego czasu kręci się z minimalnymi obrotami (1.5 - 1.6 tys. obr./min.). W gorące letnie dni, gdy temperatura wewnątrz pokoju dochodzi do 30 °C, wentylator pracuje bez przerwy, a jego obroty dochodzą do 2.7 tys. obr./min. Jest to wciąż o 10% mniej, niż prędkość nominalna, która wynosi około 3 tys. obr. / min. Podsumowując, przez trzy pory roku w zasadzie w ogóle nie słyszę wentylatora procesora! Ilu czytelników może powiedzieć to samo o swoich wentylatorach?
  • W swoim komputerze stosuję także kontroler otwarty (typu 1), produkowany przez jednego z renomowanych producentów sprzętu chłodzącego. Nie jestem z niego zadowolony. Wprawdzie po ustawieniu pokrętła potencjometru wentylator kręci się wolniej, ale nadal na tyle szybko, by emitować dosłyszalny hałas.
  • Większość, jeżeli nie wszystkie współczesne płyty główne jest już wyposażona w  regulator temperatury typu 2.2. To samo dotyczy zasilaczy.
 
Inne materiały mówiące o sposobach sterowania pracą wentylatorów
W internecie można znaleźć sporo informacji na temat wentylatorów komputerowych oraz sposobów sterowania. Osobiście polecam poniższe:
Układy scalone ułatwiające sterowanie wentylatorami, klasyfikacja wentylatorów, omówienie sposobów sterowania. Lektura obowiązkowa!
Dodaj komentarz