Гистерезис в автоматике: почему реле клацает

Гараж, ноябрь, обогреватель на киловатт через релейный модуль, термостат на DHT22 с порогом ровно 20,0 °C. Вечером я сидел рядом и слушал: клац — четыре секунды тишины — клац. За вечер реле насчитало несколько сотен щелчков, а я за тот же вечер сделал три бессмысленные правки: ставил delay подлиннее, сдвигал порог на 19,9, даже перепаял датчик на новый. Ничего не помогло, потому что чинить нужно было не железо, а логику: у моего термостата не было гистерезиса.

Температура в гараже не стоит на отметке — она дышит вокруг неё. ТЭН остывает, воздух оседает на две десятых градуса ниже порога, сквозняк из щели под воротами возвращает его обратно. DHT22 честно докладывает каждое колебание, а термостат с одним порогом на каждое колебание отвечает новым решением: включить, выключить, включить. Реле при этом механическое — пружина, якорь, контакты, и каждый щелчок это износ: в паспорте модуля значится порядка ста тысяч переключений под нагрузкой. При щелчке раз в четыре секунды этот запас выгорает меньше чем за шесть суток — 86400 секунд в сутках делим на четыре.

Гистерезис — не деталь и не библиотека, а правило автоматики: включать и выключать на разных величинах. Ниже 21,0 реле включается, выше 23,0 выключается, а в коридоре между ними прибор держит последнее решение и молчит. В этом уроке посмотрим, что именно изнашивается при частых щелчках, как выбирать ширину коридора под шум конкретного датчика и как за десять строк скетча построить счётчик щелчков, который покажет проблему раньше, чем вы её услышите. Базовый термостат у нас уже был — урок про термостат с гистерезисом собрал комнатную версию, а про коммутацию 220 вольт своими руками напоминает урок про релейный модуль.

Релейный модуль — это не кнопка, а катушка и подвижный якорь. На катушку подают 5 вольт, она тянет около 70 миллиампер — для пина Arduino это много, поэтому на плате модуля стоит транзистор с оптопарой, а пину остаётся вежливый управляющий сигнал. Якорь перебрасывает контакт с тем самым щелчком пружины из начала урока. Внутри модуля живёт целый механизм, и у него две слабости: механика изнашивается, а контакт подгорает.

Подгорает он из-за искры. Каждый раз, когда контакт размыкает нагрузку 220 вольт, между расходящимися поверхностями проскакивает микродуга и выжигает микронный слой металла. Десять щелчков в минуту превращают это в постоянную эрозию: контакт покрывается нагаром, растёт сопротивление, реле греется на нагрузке, которая раньше шла холодным. Мой подгоревший модуль из той зимы до сих пор лежит в ящике как памятник: щёлкает, а обогреватель не включается.

Отсюда и логика лечения. Убрать искру совсем не выйдет — разве что поставить твердотельное реле, о нём подробно в следующем инкубаторном уроке, — зато можно убрать лишние переключения. Гистерезис — способ сказать прибору: между 21 и 23 градусами любое решение правильно, просто не меняй его каждые четыре секунды.

Правило, к которому я пришёл после того гаража: коридор должен быть хотя бы вдвое шире, чем гуляют показания датчика между соседними опросами. У DHT22 паспортная погрешность ±0,5 °C, но между двумя опросами через две секунды показания прыгают обычно на 0,1–0,3 °C — межопросный шум меньше паспортной погрешности, и считать их одним числом ошибка. Коридор в 2 °C перекрывает такой шум с десятикратным запасом: реле переключается только когда температура реально ушла за границу, а не задела её краем.

Вторая поправка — инерция нагрузки. Обогреватель выключается, а ТЭН ещё минуту отдаёт тепло: воздух у датчика доплывает ещё на градус-полтора после щелчка. Узкий коридор заставит реле щёлкнуть обратно раньше, чем нагрев кончит дышать. Поэтому для инертных нагрузок — обогреватели, тёплые полы — я беру коридор 2 °C, а для быстрых, вроде лампочки в коробе, хватает 0,4–0,5. Если сомневаетесь, начните с широкого: узкий коридор всегда успеете сузить, а подгоревшие контакты не восстановишь.

Проверить выбор глазами проще всего на графике: в уроке про Serial Plotter показания рисуются кривой, и на ней сразу видно, как далеко гуляет температура за опрос. А если реле начало щёлкать само по себе, без порога рядом, — это чаще всего питание или обрыв линии, разбор таких случаев живёт в уроке про диагностику nan.

В скетче гистерезис — это переменная состояния и два сравнения вместо одного. heat хранит последнее решение: единица — реле включено, ноль — выключено. Пока температура живёт внутри коридора, ни одно сравнение не срабатывает, и heat остаётся как была — прибор помнит, что делал, даже когда показания болтаются туда-сюда. digitalWrite сразу после pinMode ставит реле в известное состояние, иначе до первого решения якорь висит как придётся.

Обратите внимание на else if: включение и выключение проверяются не парой независимых if, а взаимоисключающей веткой. Пока границы стоят далеко друг от друга, это одно и то же, — но как только вы сузите коридор до шага шума, порядок проверок и их исключительность перестанут быть мелочью. else if делает решение обязательным по построению: ровно одна из трёх судеб на каждый опрос. Печать парами t= и rel= — та же, что во всех приборах раздела: такие строки без правок читает и человек, и Serial Plotter.

Звук — плохой измерительный прибор, поэтому щелчки я считаю программно: каждая смена состояния реле — событие, которое дешевле посчитать, чем услышать. В симуляторе ниже счётчика два: clicks= — сколько раз переключилось реле с гистерезисом, и would= — сколько раз переключался бы термостат с одним порогом в середине того же коридора. Разница между этими числами и есть цена вопроса.

В реальном проекте достаточно одного счётчика: добавьте clicks= в печать любого релейного скетча, подержите сутки и посмотрите итог. Пара щелчков в час — прибор дышит нормально. Сотни в сутки — коридор узкий для вашего шума или датчик стоит неудачно, и это видно по числам раньше, чем почувствуют контакты.

Частота опроса здесь второй участник арифметики: чем чаще вы читаете датчик, тем больше у каждого колебания шансов доехать до реле. Почему DHT22 не опрашивают чаще, чем раз в две секунды, и что происходит при нарушении интервала — отдельный урок про интервал опроса.

Коридор включения и выключения — самая переиспользуемая конструкция бытовой автоматики: те же две константы и одна переменная состояния работают в инкубаторе, где цена каждой секунды перегрева выше, — об этом следующий урок про инкубатор. Если же ваша нагрузка в первый раз требует 220 вольт, начните с урока про релейный модуль: там разводка силовой части и предохранители на стороне железа.

И про мой гараж напоследок: коридор 21,0–23,0 пережил вторую зиму. Реле щёлкает от силы двадцать раз в сутки, обогреватель держит полградуса от середины коридора, и звук этот стал настолько редким, что я успел забыть, как выглядел тот ноябрьский стробоскоп.