宠物保温箱恒温控制系统设计笔记

记录 PetBoxX 项目从不稳定到 ±0.1°C 恒温的全过程——硬件结构、PID 调参、热安全联锁、多箱型固件管理、风扇资质测试。

硬件结构

┌─────────────────────┐
│   PTC 加热器（顶部）  │  220V 交流，TRIAC 相位控制
│   PWM 风扇（中部）   │  12V DC，RPM 反馈
│   ABS 导风口（底部） │  将热风横向分散到箱壁
└─────────────────────┘
         ↓
    宠物保温区

控制核心是 ESP32，通过 MQTT 上报传感器数据（SHT30 温湿度）到云端 MySQL，同时接收远程调参指令。PTC 加热器额定功率分 100W / 200W / 300W / 400W 四档；箱体分三型：

为什么用 PID？

保温箱的热力学本质是一阶惯性系统：

C · dT/dt = P_heater - P_loss

• C：箱体热容（空气 + 箱壁 + 宠物）
• P_heater：PTC 实际输出功率
• P_loss：与室温的温差散热

当系统达到稳态（dT/dt ≈ 0），加热功率正好补偿散热。PID 控制器的职责就是在动态过程中自动寻找这个平衡点，同时抑制扰动（开门、室温变化、宠物活动）。

PID 控制算法详解

基本公式

u(t) = Kp·e(t) + Ki·∫e(t)dt + Kd·de/dt

实现细节（离散化）：

// 温度变化率（低通滤波，避免噪声放大）
dTdt = α · dTdt_prev + (1 - α) · (t_meas - t_prev) / dt;

// PID 三项
p_term = Kp * err;
i_term += Ki * err * dt;           // 积分累积
d_term = -Kd * dTdt;               // 微分取负（dT/dt 正 → 减少输出）

u = p_term + i_term + d_term;
u = clamp(u, 0, 100);              // 输出限幅

抗积分饱和（Anti-Windup）

积分项在输出饱和时继续累积会导致解饱和滞后（"积分饱和"），表现为超调后长时间无法冷却。解决方案：条件积分——只在输出未饱和时累积积分：

if (!u_clamped) {
    i_term += Ki * err * dt;
}

参数调节心得

控制状态机

控制器根据误差（err = setpoint - T_measured）和温度变化率（dT/dt）切换七种状态：

err ≥ 4°C  ──→  BOOST     高功率急速加热，风扇 26~40%
err > 0.3°C ──→  HEAT      标准 PID 加热
|err| ≤ 0.3°C ──→  HOLD     低功率维持，风扇最低档
err < -0.3°C ──→  COOL     切断加热，自然冷却

特殊状态（叠加触发）：
STALL：   err > 0.3°C 且 dT/dt < 0.015°C/s 持续 5s → 增强输出冲破热平衡
FREEZE：  |err| ≤ 0.1°C 且 |dT/dt| ≤ 0.0035°C/s → 暂停加热，节能静默
COAST：   接近目标时提前减速，防止过冲

设定值斜坡（SP Ramp）

冷启动时若直接给目标温度（如 37°C），err 突然达到 10°C 以上，BOOST 会以最大功率加热，极易过冲。解决方案：渐进式设定值，以 5.5°C/min 速率逼近目标：

sp_used = min(sp_used + ramp_rate · dt, sp_user)

箱体型号与缩放参数

不同尺寸的箱体，热容和散热面积不同，需要对 PID 输出做线性缩放：

BOX_HEAT_SCALE 影响所有热量输出上限，例如： - M 类 BOOST 功率上限：160W - L 类 BOOST 功率上限：184W（多 15%）

一个真实的 Bug：两台箱子（一台 M 型，一台 L 型）早期都编译为 L class 固件。M 型箱子实际热容更小、温度变化更快，却用了 L 型参数：

结果：近目标时多送 15% 功率 → 过冲幅度更大 → ±0.4°C 振荡。修正箱型后恢复至 ±0.1°C。

热安全联锁

问题根源

ABS 塑料导风口的热变形温度（HDT）约为 80~100°C。当 PTC 以高功率运行而风扇转速很低时，PTC 出口热风温度远超安全值：

ΔT = P / (ṁ × Cp)

P = 157W，ṁ（风扇 15% ≈ 极低风量）→ ΔT 轻松超过 60°C
若室温 25°C，PTC 出口温度 > 85°C → ABS 开始软化变形

实际案例：旧版 Staged 控制以 157~200W 功率运行，风扇固定在 15~19%（安全联锁代码缺失），ABS 导风口在数小时后变形。

解决方案：风扇-功率硬耦合

// 热安全联锁：风扇转速不足时限制加热功率
if      (fan_cmd < 5.0f)  heat_cmd = 0.0f;               // 风扇停转 → 禁止加热
else if (fan_cmd < 15.0f) heat_cmd = fminf(heat_cmd, pct_for_power_w(30.0f));  // 低风 → 最多 30W
else if (fan_cmd < 25.0f) heat_cmd = fminf(heat_cmd, pct_for_power_w(90.0f));  // 中风 → 最多 90W
// 25% 以上：不限制

这段代码在所有功率输出前执行，无论控制算法处于哪种状态，都不可绕过。

风扇特性曲线的影响

不同型号风扇的 PWM-RPM 特性曲线差异极大，是生产调试中最主要的变量之一。实际遇到过以下几类：

平台区型（常见）：在某个 PWM 区间（如 20~35%）转速几乎不随占空比变化，超过阈值后陡升至高转速。

RPM
3200 |                              ╱
     |                         ╱
1496 |          ─────────────╱
1380 |     ╱───
     |
     └──────────────────────────────→ PWM%
          20%   35%  40%

陡峭曲线型（如 ARCTIC P9）：低 PWM 区间几乎不转，需要 20%~25% 以上才进入有效转速区间，无法使用固定的低 HOLD PWM 运行。

固速型：PWM 信号对转速几乎无影响，风扇以内部固定速度运转（约 1350~1450 RPM）。温控仅依赖 PTC 调节，风扇充当固定循环气流源。

这种多样性促成了风扇资质测试的开发——通过标准化的自动测试流程，为每台设备确定安全可用的运行参数，见下节。

BOOST 跨越平台区问题：BOOST 状态风扇设定 26~40%，跨越了平台区与陡升区的边界，风量变化非线性，导致 PTC 出口温度估算偏差。目前通过设定 BOOST_FAN_MIN = 26%（固定值，不随箱型缩放）确保始终超出安全门限（25%）。

风扇资质测试（Fan Qualify Test）

生产过程中不同批次风扇特性差异极大，手动摸索每台设备的安全运行参数费时且容易出错。风扇资质测试通过标准化自动流程，一次运行输出可直接应用的控制参数。

测试流程

测试分两阶段：安全扫描 + 自适应 HOLD 搜索。

第一阶段：安全扫描（3 步）

任意步骤未达最低 RPM → 等级 unsafe，整体失败。每步在给出 PWM 后等待 4~5 秒稳定，再测量 3 秒取均值。

第二阶段：自适应 HOLD 搜索

从低到高遍历候选 PWM（5%、8%、10%、12%、15%、20%、25%、30%、35%、40%），寻找落入 700~1200 RPM 理想区间的最低 PWM 点，作为 HOLD 运行点。

找到后，在此 PWM 下执行冷启动测试： 1. 停转风扇 3 秒（模拟真实冷启动场景） 2. 给目标 HOLD PWM，等待 12 秒稳定 3. 测量 8 秒取均值，RPM ≥ 700 方通过

控制等级（Control Grade）

推荐参数与一键应用

测试通过后，系统自动推荐三个运行参数：

• HOLD PWM：找到的最低稳定点，用于 HOLD 状态持续低速循环
• NEAR PWM：50% 步骤测得的 RPM 对应 PWM，用于接近目标温度时的中速循环
• FAST PWM：100% 步骤 PWM（高于 NEAR），用于 BOOST / 快速升温阶段

管理后台支持一键应用：同时写入 ESP32 NVS 运行时参数与 LCD 屏端保存配置，无需分步手动操作。每次测试结果持久化到数据库，可随时回溯历史记录对比。

案例：ARCTIC P9 风扇（high_hold）

ARCTIC P9 在 20% PWM 以下几乎不转，需要约 25% 才进入 700~1200 RPM 理想区间，测试结果等级 high_hold。HOLD 时能耗相比普通风扇偏高，但温控效果稳定，实测符合要求。

案例：固速型风扇（unsafe）

部分风扇内部有自己的调速机制，PWM 信号对转速几乎无效，始终运行在固定约 1350~1400 RPM。这类风扇在 100% 步骤仍低于 1500 RPM 门限，得到 unsafe 等级。实际观察中，固速型风扇配合 PTC 单独控温稳态偏差约 ≤ 0.5°C，但固件的风扇调速策略完全失效，目前由运营团队人工评估是否上线。

FAN_CAN_STOP 的陷阱

早期代码中 FAN_CAN_STOP = true：当温度极稳定时，控制器进入 FREEZE 状态，同时允许风扇停转（静音优先）。但热安全联锁规定：风扇停转 → 加热功率降为 0。

于是出现了慢速振荡循环：

温度稳定 → 风扇停 → 加热禁止
  ↓
温度慢慢下降（散热）
  ↓
err 超门限 → 风扇重启 → 加热恢复
  ↓
温度回升 → 稳定 → 风扇再停 → …

周期约 10~20 分钟，幅度约 ±0.2~0.3°C。设置 FAN_CAN_STOP = false 后，风扇始终维持最低档（由风扇资质测试确定的 HOLD PWM），加热可随时响应，振荡消失。

传感器偏置与校准策略

SHT30 贴近 PTC 加热器出口安装，读数比箱内平均温度高 1~2°C。这是结构性偏置，不是传感器误差。

错误的校准方式：一次性施加 -1.8°C 校准偏移 → 控制器突然"看到" 1.8°C 误差 → BOOST 以 157W 猛冲 → 风扇仍在低速 → ABS 导风口再次变形。

正确的校准方式：每次调整不超过 -0.5°C，间隔 30 分钟，观察温度曲线是否重新稳定后再调下一步。

多固件构建流程

不同箱型、不同 PTC 功率需要单独编译固件。脚本自动替换源文件宏、编译、上传，构建完成后还原源文件：

VARIANTS=(
  "1.1.10-200w-S PETBOX_PTC_POWER_200W PETBOX_BOX_CLASS_S"
  "1.1.10-300w-M PETBOX_PTC_POWER_300W PETBOX_BOX_CLASS_M"
  "1.1.10-300w-L PETBOX_PTC_POWER_300W PETBOX_BOX_CLASS_L"
)

每次构建三个变体，通过 OTA（空中升级）分发到对应设备。版本号编码了 PTC 功率和箱型，方便日志排查。

调试经验总结

1. 先对齐箱型：错误的 BOX_CLASS 是参数缩放根源，所有调参工作应在正确箱型下进行。
2. 热安全联锁是硬约束：不能为了性能绕过它，宁可温控慢一点，也不能烧熔塑料件。
3. FAN_CAN_STOP 默认关闭：静音优先的代价是引入慢振荡，生产环境不值得。
4. 校准要渐进：传感器偏置是系统性的，但补偿动作会触发控制器响应，必须小步走。
5. 看实际功率而非占空比：TRIAC 占空比和实际瓦数之间有非线性关系（PTC 冷态阻抗低，热态阻抗高），分析时用换算后的瓦数更直观。
6. 数据驱动：所有调参决策均基于 MySQL 历史遥测数据（温度、风扇 RPM、加热档位、控制模式），不靠直觉。
7. 先跑风扇资质测试：每台新设备接线后第一步跑风扇资质测试，确定 HOLD / NEAR / FAST PWM 参数后再调温控。不同批次风扇曲线差异足以导致热安全联锁误触或 HOLD 失速，不能假设参数通用。

PetBoxX 项目持续迭代中，当前稳定版本：1.1.10。