利用Fuzzy－PID的參數(shù)進(jìn)行半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益擴(kuò)展。在軍事方面可用作激光引信、深海光通信等，半導(dǎo)體激光器是惟一能夠用于彈上引信的激光器；在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的惟一實(shí)用化光源；在醫(yī)療和生命科學(xué)研究方面進(jìn)行的激光手術(shù)治療、生命科學(xué)研究也都與半導(dǎo)體激光器密不可分。但是，半導(dǎo)體激光器的輸出功率隨溫度有很大的變化，顯然這不是人們所希望的。因此如何精確控制其工作溫度相當(dāng)重要。

該文介紹具有代表性的基于Fuzzy－PID參數(shù)自整定的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。溫控系統(tǒng)本身為一個(gè)大滯后系統(tǒng)，純滯后可引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，且半導(dǎo)體激光器的閾值電流對(duì)溫度變化相當(dāng)靈敏，因此對(duì)其溫度控制系統(tǒng)的精度要求較高。設(shè)計(jì)中采用的Fuzzy－PID復(fù)合控制方式極大的彌補(bǔ)了單純采用PID算法的不足，既具有模糊控制魯棒性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快、超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有PID控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。對(duì)PID參數(shù)的模糊自適應(yīng)整定進(jìn)一步完善了PID控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。

1溫控系統(tǒng)簡(jiǎn)述

筆者所設(shè)計(jì)的小型半導(dǎo)體激光器的實(shí)用恒溫控制系統(tǒng)由傳感器、AT89C51單片機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（可控恒流源、半導(dǎo)體制冷器）及其他一些外圍電路如鍵盤(pán)、顯示及保護(hù)電路等構(gòu)成閉環(huán)控制回路。

控制部分采用自整定Fuzzy－PID的復(fù)合控制使單片機(jī)輸出PWM脈沖，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出到半導(dǎo)體激光器的電流量，實(shí)現(xiàn)小型半導(dǎo)體激光器的實(shí)用恒溫控制系統(tǒng)。上述提及的“參數(shù)自整定”是指系統(tǒng)中由于采用了模糊自適應(yīng)PID控制算法，系統(tǒng)就可以在沒(méi)有操作者干預(yù)的情況下根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，從而以優(yōu)化方式改變PWM輸出波形的占空比，合理的控制恒流源的輸出，使小型激光器工作溫度保持恒定，從根本上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這也是設(shè)計(jì)該恒溫控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

2硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各部分電路均采用常規(guī)器件，成本低，維修方便。

2.1溫度傳感器

采用DALLAS最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為－55～＋125℃。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

DS18B20為3引腳芯片，如圖2所示。DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的3腳接＋5V，1腳接地，2腳接系統(tǒng)中單片機(jī)89C51的一個(gè)I/O口，用于將采集到的溫度送入單片機(jī)中進(jìn)行處理，2腳和3腳之間接一個(gè)4.7K的上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。

DS18B20規(guī)定了自己的通訊協(xié)議，能夠?qū)⒉杉?到的溫度以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500μs，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16～60μs左右后發(fā)出60～240μs的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。

DS18B20雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格保證上述的讀寫(xiě)時(shí)序，防止當(dāng)程序讀該DS18B20時(shí)，由于某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線沒(méi)有返回信號(hào)，而使程序進(jìn)入死循環(huán)。采用此種溫度傳感器在一般的精度要求下完全能夠達(dá)到要求，且因其硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，應(yīng)用將愈加廣泛。

2.2恒流源

采用“4NIC朝陽(yáng)電源”。該電源具有輸入極性保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、輸出電壓大范圍可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)PWM輸出的脈沖對(duì)其進(jìn)行控制完全能滿足半導(dǎo)體制冷器所要實(shí)現(xiàn)的恒溫控制要求。
圖3恒流源電路

2.3半導(dǎo)體制冷器

這是一種熱電制冷器。根據(jù)熱電效應(yīng)技術(shù)的特點(diǎn)，當(dāng)制冷器有電流流過(guò)時(shí)，在它的兩個(gè)面上將分別產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。并且電流流向相反時(shí)，吸熱面和放熱面也相反。因此只要控制流過(guò)制冷器電流的大小和方向，就能對(duì)激光器進(jìn)行制冷或加熱，從而控制激光器的工作溫度。特別適用于有限空間的制冷或加熱。

系統(tǒng)采用TEC1系列。該產(chǎn)品冷卻或加熱速度快，其冷卻或加熱速度可通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流來(lái)控制，便于系統(tǒng)中通過(guò)Fuzzy－PID參數(shù)自整定實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)恒溫控制。
圖4半導(dǎo)體制冷器

2.4鍵盤(pán)及顯示的設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)用作控制信息的輸入。系統(tǒng)采用4個(gè)按鍵，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、功能轉(zhuǎn)換、設(shè)定溫度逐次加1、設(shè)定溫度逐次減1。系統(tǒng)中初始設(shè)定溫度為25℃，用戶可根據(jù)需要自行加減。

系統(tǒng)采用3位共陽(yáng)極LED靜態(tài)顯示當(dāng)前溫度值。顯示數(shù)據(jù)只用一個(gè)I/O口，從而節(jié)省了單片機(jī)端口資源。

2.5掉電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

掉電保護(hù)電路是為防止系統(tǒng)因?yàn)橐馔獾綦妼?dǎo)致丟失數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。集成電路7805為一個(gè)單一的＋5V穩(wěn)壓塊，和備用電源分別通過(guò)二極管接到單片機(jī)的電源端；當(dāng)穩(wěn)壓電源略高于＋5V時(shí)，備用電源不工作，同時(shí)555定時(shí)器接成單穩(wěn)形式；為防止干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作，應(yīng)用了光電耦合器TIL113。

3軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成相對(duì)簡(jiǎn)單，但較小的硬件開(kāi)銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，下面較為詳細(xì)地分析軟件的設(shè)計(jì)。

3.1數(shù)字PID控制

單片機(jī)控制是一種采樣控制，系統(tǒng)采用的增量式PID控制算法為：

由于該控制算法不需要累加，控制增量Δu（k）僅與最近的k次采樣有關(guān)，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，而且較容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。這也是系統(tǒng)采用此增量式PID控制算法作為模糊PID控制器中PID調(diào)節(jié)器部分算法的主要理由。

3.2模糊PID控制器

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。

模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

模糊控制設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立合適的模糊規(guī)則表，得到針對(duì)kp、ki、kd 3個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制。

kp、ki、kd的模糊規(guī)則表建立以后根據(jù)如下方法進(jìn)行3參數(shù)的自適應(yīng)校正，將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊集上的論域。

其模糊子集為e，ec＝｛NB，NM，NS，O，PS，PM，PB｝，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。設(shè)e、ec和kp、ki、kd均服從正態(tài)分布，因此可得出各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理使在線運(yùn)行過(guò)程中完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正。

由于C語(yǔ)言編制的函數(shù)便于進(jìn)行模塊化的處理，且對(duì)于數(shù)據(jù)的運(yùn)算相對(duì)簡(jiǎn)單，更加有利于程序的移植及系統(tǒng)的擴(kuò)展，所以在系統(tǒng)Fuzzy－PID控制算法部分采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)將整個(gè)控制算法作為一個(gè)函數(shù)以備匯編語(yǔ)言調(diào)用。這里就涉及到一個(gè)匯編與C51混合編程的問(wèn)題。系統(tǒng)中采用的是基于ASM51無(wú)參數(shù)化調(diào)用C51函數(shù)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)匯編與C51的混合編程。

所謂無(wú)參數(shù)化調(diào)用是指讓C51子函數(shù)不帶任何參數(shù)，就可以從根本上避開(kāi)調(diào)用參數(shù)的傳遞和返回值的安排等繁瑣易出錯(cuò)的問(wèn)題，只需要簡(jiǎn)單地在匯編語(yǔ)言開(kāi)頭說(shuō)明一下外部C51子函數(shù)（“EXTRNcode（〈C51模塊名稱〉）”）。至于C51函數(shù)中需要使用的外部參數(shù)值及其返回值，完全可以通過(guò)加入C51的〈absacc.h〉頭文件來(lái)解決。

引進(jìn)該頭文件后，程序員就可對(duì)8051系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器進(jìn)行絕對(duì)地址的訪問(wèn)。把對(duì)參數(shù)值和返回值的操作轉(zhuǎn)化為對(duì)存儲(chǔ)器絕對(duì)地址的操作，象純匯編操作一樣，不用定義C51函數(shù)與匯編接口的參數(shù)和返回值的配置，從而提高了調(diào)用效率。

對(duì)于〈absacc.h〉頭文件中的函數(shù)原型，可查找C51編譯器中的help文件，選擇合適的數(shù)據(jù)類型來(lái)定義需要用到的絕對(duì)地址空間。系統(tǒng)中Fuzzy－PID控制算法涉及到的數(shù)據(jù)均以DWORD類型定義。
圖5模擬自適應(yīng)PID控制

3.3軟件設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)述

整個(gè)程序主體部分采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，在控制算法部分調(diào)用了C語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)。

軟件設(shè)定定時(shí)器T0為5s定時(shí)，在無(wú)鍵盤(pán)響應(yīng)時(shí)每隔5 s響應(yīng)一次，以用來(lái)獲得DS18B20溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)；設(shè)定定時(shí)器T1為嵌套在T0中的定時(shí)中斷，初值由PID算法子程序提供，以用來(lái)輸出PWM波形控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

4結(jié)果分析

溫度為25℃時(shí)，采用Fuzzy－PID控制所得到的經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的溫度控制曲線；給出了Fuzzy－PID控制誤差曲線。該溫度控制系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，上升時(shí)間快，超調(diào)較小，且在工作1 h內(nèi)，即可將控溫精度控制在±0.1℃，經(jīng)測(cè)定，半導(dǎo)體激光器的輸出光功率波動(dòng)小于1.5‰，其可信度高。

5結(jié)論

筆者在半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)并使用了這套精密恒溫控制系統(tǒng)。需要指出的是，系統(tǒng)可控制的溫度范圍僅受所采用的溫度傳感器及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能的限制，而與控制部分算法無(wú)關(guān)。由此可知，系統(tǒng)的溫度控制范圍較大，用戶可根據(jù)需要自行改變預(yù)定的控制溫度值。到目前為止，系統(tǒng)已經(jīng)作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的產(chǎn)品投入生產(chǎn)。