一種氧氣分析儀激光器的溫度控制系統(tǒng)研究

張根寶， 程震晨

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

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一種氧氣分析儀激光器的溫度控制系統(tǒng)研究

張根寶， 程震晨

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

激光氧氣分析儀是一種新型氧氣分析儀器，其半導(dǎo)體激光器的溫度變化會(huì)引起激光束波長(zhǎng)變化，嚴(yán)重降低數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及儀器壽命.研究了一種用于激光氧氣分析儀半導(dǎo)體激光器的溫度控制方法及其實(shí)現(xiàn).通過MATLAB/Simulink仿真，給出基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID的激光器溫度控制算法.硬件采用AD590作為溫度傳感器，以STM32F407為控制器，以半導(dǎo)體制冷器為執(zhí)行器建立溫度控制系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠有效控制激光器溫度，具有響應(yīng)快，超調(diào)小，余差小的特點(diǎn).

氧氣分析儀； 激光器溫控； 參數(shù)自適應(yīng)模糊PID； STM32； 半導(dǎo)體制冷器

0 引言

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(Tunable Diode Laser Absorption Spectrometer, TDLAS )技術(shù)是新型氧氣濃度分析技術(shù)，具有高靈敏度、高分辨率、快速檢測(cè)等特點(diǎn).可調(diào)諧激光式氧氣分析儀選擇的激光器波長(zhǎng)需與氧氣的特征吸收譜線相匹配，此波長(zhǎng)在近紅外區(qū)為760nm.受儀器自身發(fā)熱、環(huán)境溫度變化等因素影響，分析儀的激光器輸出功率發(fā)生波動(dòng)，激光束波長(zhǎng)發(fā)生變化，儀器穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性以及使用壽命降低，必須對(duì)激光器溫度加以控制[1,2].

目前，國(guó)外的激光器溫度控制產(chǎn)品處于領(lǐng)先水平，但價(jià)格昂貴.國(guó)內(nèi)激光器專用溫控系統(tǒng)較少，精度較低，操作性能較差[3-5].激光器溫度控制研究具有現(xiàn)實(shí)意義和研究前景，本研究給出了基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID的激光器溫度控制方案，通過MATLAB仿真分析，確定控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)搭建了一套氧氣激光器溫度控制系統(tǒng).

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氧氣激光器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)以ARM芯片STM32F407為主控制器，由溫度傳感器AD590、信號(hào)調(diào)理電路以及ADC組成溫度采集通道，以DAC、半導(dǎo)體制冷器(Thermoelectric Cooler, TEC)及其驅(qū)動(dòng)電路為溫度控制通道.系統(tǒng)工作機(jī)理為：蝶形封裝的激光器模塊內(nèi)部集成了TEC和AD590，集成溫度傳感器AD590采集激光器的表面溫度信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理電路后，由高分辨率ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；主控制器STM32F407接收來自溫度采集通道的信號(hào)，在人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示，并與輸入的設(shè)定值比較，運(yùn)行相應(yīng)的溫度控制算法程序得到控制量；TEC驅(qū)動(dòng)模塊接收DAC模塊輸出的模擬信號(hào)，控制流入TEC的電流流向和大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的制冷或制熱閉環(huán)控制.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器與傳感器

選用意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的高性能微控制器STM32F407設(shè)計(jì)激光器溫控系統(tǒng)的主控單元.該微控制器芯片基于ARM公司32位Cortex-M4內(nèi)核，工作頻率可達(dá)168 MHz，內(nèi)置大容量高速存儲(chǔ)器，集成多個(gè)高精度ADC、DAC.此外，芯片集成了FPU和單周期DSP指令，具備高性能數(shù)字信號(hào)處理能力[6-8].芯片集成豐富的片上資源和外設(shè)接口，具有較高的性價(jià)比，可以有效保證系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求.

溫度傳感器采用美國(guó)AD公司的單片集成兩端感溫電流源AD590，具有體積小、線性好、精度高的特點(diǎn).AD590與STM32組成的溫度信號(hào)采集電路如圖2所示.AD590輸出電流I=(273+T)μA,T為攝氏溫度.使用電壓跟隨器輸出采樣電阻兩端電壓，差動(dòng)放大器輸出Vo=(100K/10K)(V2-V1),Vo接主控器的ADC，該電路能使AD轉(zhuǎn)換結(jié)果與攝氏溫度保持線性比例關(guān)系.

圖2 溫度采集電路

2.2 TEC電路分析

半導(dǎo)體制冷器簡(jiǎn)稱TEC，是激光器溫度控制系統(tǒng)中的核心器件.電流通過兩種不同導(dǎo)體材料組成回路時(shí)，在不同導(dǎo)體接頭處隨著電流方向不同會(huì)分別出現(xiàn)吸、放熱現(xiàn)象，稱為珀?duì)栙N效應(yīng)[9].TEC正是利用珀?duì)栙N效應(yīng)，由多對(duì)熱電元件(半導(dǎo)體晶粒)經(jīng)串并聯(lián)組合而成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 TEC結(jié)構(gòu)示意圖

TEC驅(qū)動(dòng)電路按輸出模式可分為線性模式和開關(guān)模式[9,10].簡(jiǎn)單的線性驅(qū)動(dòng)電路可由如圖4所示的橋式推挽功率放大電路構(gòu)成，兩組達(dá)林頓管分別導(dǎo)通達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)電流方向和大小的目的，該電路具有電流波紋小和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但其驅(qū)動(dòng)效率低，控制精度不高，且存在溫度控制死區(qū).

本文采用如圖5所示的開關(guān)型驅(qū)動(dòng)電路，集成TEC驅(qū)動(dòng)芯片MAX1968內(nèi)部包含兩個(gè)開關(guān)型同步降壓穩(wěn)壓器和PWM控制器，芯片通過CTLI引腳輸入控制電壓，兩個(gè)穩(wěn)壓器同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)電壓，內(nèi)部PWM控制器輸出PWM波控制構(gòu)成H橋的四個(gè)MOSFET，實(shí)現(xiàn)電流的雙向控制.此外，該電路還可以通過采樣電阻檢測(cè)電流，若電流超過限值則關(guān)斷PWM波.該電路具有高集成度、高效率、高精度、死區(qū)小的特點(diǎn).

圖4 TEC線性驅(qū)動(dòng)電路

圖5 TEC開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路

3 控制方法研究

3.1 參數(shù)自適應(yīng)模糊PID

PID控制是自動(dòng)控制領(lǐng)域產(chǎn)生最早、應(yīng)用最廣的一種控制方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，表達(dá)式如式(1)

(1)

式(1)中：Kc、Ti、Td分別為PID控制器的比例增益、積分時(shí)間和微分時(shí)間，u0為穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn).可知傳統(tǒng)PID控制是一種固定參數(shù)的控制，針對(duì)大時(shí)滯、時(shí)變的控制對(duì)象，整定好的控制參數(shù)會(huì)偏離最優(yōu)點(diǎn)，控制效果會(huì)變差甚至失控[11].

模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，具有較強(qiáng)的魯棒性，適用于大滯后、時(shí)變性、非線性等復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)于難以建立精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，通過人類經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)控制[12,13].但是一般的模糊控制器相當(dāng)于PD控制器，不具有積分環(huán)節(jié)，因而不能消除穩(wěn)態(tài)誤差.

在氧氣激光器溫度控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象具有較大的熱慣性，存在大時(shí)滯、時(shí)變性的特點(diǎn).故針對(duì)傳統(tǒng)PID控制的缺陷，本文在激光器溫度控制中引入?yún)?shù)自適應(yīng)模糊PID算法.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID 控制是一種結(jié)合 PID 控制與模糊控制的控制方法，能夠汲取兩種控制的長(zhǎng)處，并且彌補(bǔ)各自的不足，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，控制器包含一個(gè)模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器和一個(gè)參數(shù)可調(diào)的PID控制器.它不是將PID控制與模糊控制簡(jiǎn)單的合并，而是根據(jù)輸入偏差e、偏差變化率ec，由模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器輸出PID三個(gè)參數(shù)增量ΔKp、ΔKi、ΔKd，實(shí)現(xiàn)對(duì) PID 參數(shù)在線調(diào)整，使PID參數(shù)始終處于最佳狀態(tài)，從而滿足控制的要求.

圖6 參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

3.2.1 模糊語言變量與隸屬函數(shù)

模糊參數(shù)調(diào)節(jié)器的輸入為激光器溫度偏差e和偏差變化率ec，PID控制參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出語言變量.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，選取相應(yīng)量化因子，確定基本論域：e，ec，ΔKp，ΔKi，ΔKd=[-4, 4].考慮控制規(guī)則的靈活與細(xì)致性，兼顧操作的可行性，采用模糊子集{NB,NS,ZE,PS,PB}，分別代表負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大.

模糊狀態(tài)的隸屬函數(shù)一般選擇對(duì)稱三角形、對(duì)稱梯形、正態(tài)型隸屬函數(shù).因?yàn)槿切坞`屬函數(shù)運(yùn)算較簡(jiǎn)單，所占內(nèi)存空間也較小，故選用三角形函數(shù)為輸入輸出語言變量的隸屬函數(shù).

3.2.2 模糊規(guī)則

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按照偏差變化的偏差e和偏差變化率ec，Kp，Ki，Kd的一般整定原則如下：

(1)當(dāng)偏差e較大時(shí)，誤差較大，為使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，應(yīng)取較大的Kp；為了防止偏差變化率ec瞬時(shí)過大，應(yīng)取較小的Kd；為了避免較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0.

(2)當(dāng)偏差e處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)相應(yīng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取得小些，Ki取值要適當(dāng)，這時(shí)Kd取值對(duì)系統(tǒng)影響較大，取值應(yīng)大小適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度.

(3)當(dāng)偏差e較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，Kp與Ki均應(yīng)取大些，同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，Kd值的選擇應(yīng)根據(jù)偏差變化率ec來確定，當(dāng)ec較大時(shí)，Kd取較小值，當(dāng)ec值較小時(shí)，Kd取較大值，一般情況下，Kd為中等大小[14,15]

根據(jù)以上整定原則，總結(jié)出一套Kp、Ki和Kd的模糊邏輯整定模型，如表1所示，三個(gè)模糊控制規(guī)則從左到右依次為ΔKp，ΔKi，ΔKd.

表1 Kp,Ki,Kd模糊推理規(guī)則表

3.2.3 解模糊策略和PID參數(shù)調(diào)整

模糊推理的結(jié)果，即模糊控制器的輸出變量，一般情況下是一個(gè)模糊集，不能直接用于控制被控對(duì)象，需要先轉(zhuǎn)化成執(zhí)行器可以執(zhí)行的精確量.此過程一般稱為解模糊，本文采用重心法(加權(quán)平均法).在控制的初始階段，采用Ziegler-Nichols等工程整定方法對(duì)PID控制器進(jìn)行參數(shù)預(yù)整定，然后投入模糊自適應(yīng) PID 控制.經(jīng)過模糊推理得到PID參數(shù)的修正量ΔKp、ΔKi和ΔKd后，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足控制要求.

3.3 Simulink仿真分析

使用MATLAB的模糊控制工具箱，根據(jù)上述模糊推理器設(shè)計(jì)原則，建立模糊控制器，在Simulink下調(diào)用該控制器，建立基于控制系統(tǒng)參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器的仿真模型，并與常規(guī)PID控制做對(duì)比，仿真模型如圖7所示[16,17].得到階躍響應(yīng)曲線如圖8所示，可知參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制相對(duì)常規(guī)PID算法具有響應(yīng)快，超調(diào)小的特點(diǎn).

圖7 Simulink仿真模型

圖8 階躍響應(yīng)曲線

3.4 程序流程

基于主控制器STM32F407實(shí)現(xiàn)激光器溫控系統(tǒng)的程序整體流程圖如圖9所示，首先進(jìn)行相關(guān)的初始化工作，包括時(shí)鐘配置、定時(shí)器配置、LCD初始化等，通過HMI得到溫度設(shè)定值數(shù)據(jù)，通過AD轉(zhuǎn)換得到實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，調(diào)用參數(shù)自適應(yīng)模糊PID算法得到控制量輸出，定時(shí)器時(shí)間到重復(fù)執(zhí)行采樣、運(yùn)算、輸出.其中參數(shù)自適應(yīng)模糊PID子程序流程如圖10所示，首先計(jì)算溫度偏差e和偏差變化率ec，通過條件選擇執(zhí)行查表操作，確定PID參數(shù)增量，計(jì)算得到模糊調(diào)整后的PID參數(shù)，運(yùn)行PID算法得到控制量輸出.

圖9 整體流程圖

圖10 算法程序流程

4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)該氧氣分析儀激光器溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，首先觀察氧氣分析儀工作后，在不施加控制時(shí)，記錄激光器溫度數(shù)據(jù)，如圖11所示，受儀器自身發(fā)熱和環(huán)境溫度影響，激光器溫度上升，5 min后溫度在23.5 ℃左右變化，趨勢(shì)逐漸放緩.

圖11 開機(jī)后不加控制溫度變化圖

通過HMI設(shè)置溫度20 ℃，啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，施加閉環(huán)控制，得到溫度曲線如圖12所示，分析可知，系統(tǒng)經(jīng)過約27 s后溫度穩(wěn)定在設(shè)定溫度附近，期間超調(diào)量控制在8.5%，余差為0.05 ℃.

圖12 啟動(dòng)溫控系統(tǒng)后溫度變化

5 結(jié)論

本文研究了一種氧氣分析儀激光器的溫度控制方法.給出了一種基于參數(shù)自適應(yīng)模糊PID的激光器溫度控制算法，搭建了系統(tǒng)硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于硬件平臺(tái)的溫控系統(tǒng)程序.仿真分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)具有響應(yīng)快、超調(diào)小、精度高的特點(diǎn)，能夠有效控制激光器溫度，保證氧氣分析儀穩(wěn)定性和使用壽命.該系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)，可以應(yīng)用于其他激光吸收光譜技術(shù)的系統(tǒng)中，具有較大研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

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【責(zé)任編輯：陳 佳】

Study of a temperature control system of laser on oxygen analyzer

ZHANG Gen-bao, CHENG Zhen-chen

(College of Electrical and Information Engineering,Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

The laser oxygen analyzer is a new type of oxygen analyzer.The temperature change of the semiconductor laser will cause the laser beam wavelength change,which will seriously reduce the accuracy of the data and the life of the instrument.In this paper,a temperature control method for the semiconductor laser of laser oxygen analyzer is studied. Based on the MATLAB/Simulink simulation,the parameter self-tuning fuzzy PID laser temperature control algorithm is presented.The control system of temperature,taking AD590 as temperature sensor,STM32F407 as controller,thermoelectric cooler as actuator,is developed.The system can effectively control the temperature of the laser,which has the characteristics of fast response,low overshoot and residual.

laser oxygen analyzer; temperature control of laser; parameter self-tuning fuzzy PID; STM32; thermoelectric cooler

2016-05-29

西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目(CXY1436(1))

張根寶(1958-)，男，陜西白水人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：過程控制系統(tǒng)應(yīng)用、智能儀器儀表開發(fā)

1000-5811(2016)05-0157-05

TP273.5

A