半导体激光器温度控制电路系统设计.doc

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1、摘 要半导体激光器在通讯、军事、医疗、科研等领域得到了广泛的应用，与其相关的子系统的研究也逐渐受到人们的重视，温控系统是其中的研究焦点。本文简要分析了热特性对半导体激光器工作性能的影响，介绍了温控系统的发展现状和温度控制的原理和方法，并在此基础上设计了一个基于模糊控制原理的全固态温度控制系统。该系统以半导体制冷器(TEC-Thermoelectric Coolers)作为执行器件，采用数字电路和模拟电路结合的方式设计系统各部分的电路。在控制方面，以单片机-ADUC831为核心，建立了两输入单输出的模糊控制系统，将整体温控和模糊控制技术相结合，实现了半导体激光器的温度控制。论文对系统设计的讨论分

2、为硬件部分和软件部分。在硬件方面给出了各部分的设计思想、设计结构图、系统元件的选取并给出了具体的电路图。软件方面给出了各个功能模块的软件思想和软件流程。实验结果表明该温控系统对温度的测量精度达到士0.1，控制精度达到士0.3。关键词：半导体激光器；半导体制冷器；模糊控制；单片机；温度控制ABSTRACTSemiconductor lasers in the communications, military, medical, scientific and other fields has been widely used, its associated subsystems of resear

3、ch by the people of the importance of temperature control system is one of focus. This paper analyzes the thermal characteristics of the work on the performance of semiconductor lasers, introduced the development status and temperature control system of principles and methods of temperature control,

4、 and on this basis is designed based on fuzzy control principle of solid-state temperature control system.The system thermoelectric cooler (TEC-Thermoelectric Coolers) as the implementation of the device, digital circuit and analog circuit design system combined with the way the various parts of the

5、 circuit. In the control, to SCM-ADUC831 core, establishing a two-input single-output fuzzy control systems, while integrating temperature control and fuzzy control were combined to realize a semiconductor laser with temperature control.Discussion paper on the system design into hardware and softwar

6、e. Given in the hardware design of each part, the design structure diagram, the selection of system components and gives the specific circuit. In software, ideas of various functional modules of software and software processes. Experimental results show that the temperature control system of tempera

7、ture measurement accuracy of 0.1 , control accuracy of 0.3 .Key words：Semiconductor lasers; semiconductor cooler; fuzzy control; SCM; temperature control目 录中文摘要I英文摘要I引言11绪论21.1温度对LD特性的影响21.2 常用温度控制系统31.2.1 开环控制系统31.2.2 闭环控制系统31.3 LD温度控制器的研究现状31.4 本课题的主要研究工作42 模糊PID控制理论52.1 模糊控制52.1.1 模糊控制概述52.1.2 模糊

8、控制系统52.1.3 模糊控制器结构62.1.4 模糊控制的特点72.2 PID控制72.2.1 PID控制原理72.2.2 数字PID控制及其实现方法82.3 模糊PID控制103 模糊PID控制器的设计113.1 模糊控制器的结构选择113.2 模糊规则的确定113.2.1 确定语言变量113.2.2 确定语言值的隶属度函数123.2.3 建立模糊控制规则143.3 模糊推理和模糊判决154 LD温度控制系统硬件实现184.1 温度检测电路184.1.1 温度传感器与铂热电阻184.1.2 温度检测电路设计194.2 温度信号的采集、控制与显示电路204.2.1 A/D转换电路204.2.

9、2 D/A转换电路214.2.3 显示电路224.3 TEC驱动电路234.3.1 TEC的工作原理234.3.2 TEC驱动电路设计24结论26致谢27参考文献2843第一章 绪论激光器的发明无疑是科学史上最伟大的发明之一，激光器在现代科研、国防、工业等领域有着广泛的应用。但是激光器性能易受温度影响，因此当激光器作为高精度仪器使用时，必须对其温度加以严格控制。现代激光技术在工业加工、精密测量、通讯、信息处理、医学、军事和科学技术研究等领域得到了广泛的应用，所形成的相关产业已成为推动社会和经济发展的动力之一。自上世纪六十年代，“第一代”半导体激光器研制成功以来，半导体激光器以其体积小、重量轻、

10、结构简单、能将电能直接转换为光能、功率转换效率高(已达10%以上、最大可达50%)、便于直接调制、省电等一系列的优点而成为信息技术的关键器件。随着半导体激光器连续输出功率的日益提高1，应用范围也不断扩大。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应用领域过去常用的其他激光器，已逐渐为半导体激光器所取代。半导体激光器得到了广泛的应用，而热问题一直伴随着半导体激光器的诞生与发展，特别是对于大功率半导体激光器而言，如何有效地控制工作过程中的温度，从而增强其抗销毁能力、提高光输出功率，逐渐受到了人们的重视。传统的LD温度控制方法有PID控制、模糊控制等，虽然PID控制原理简单，调

11、节精确，但快速性不理想。Fuzzy控制算法具有无需建立被控对象的数学模型，对非线性、时变性系统具有一定的适应能力及快速性好的优点，但难以达到较高的控制精度。因此将二者结合，构建Fuzzy-PID复合控制策略，将能更加有效的对LD温度进行控制，同时推动LD的更广泛应用。模糊PID控制技术就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊PID控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。 由此，本文基于模糊PID理论设计了LD激光器温控系统。 1.1温度对LD特性的影响半导体激光器（Semiconductor laser diode，简称LD）是利用半导体材料内产生的受激辐射和谐振腔提供的光反

12、馈制作的一类半导体器件。LD具有体积小、重量轻、输入电压小、结构简单、寿命长、转换效率高、功耗低、价格低廉、易于调制等优点。这些优异的特性使得半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光制导跟踪、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用。但是半导体激光器也存在缺点,其性能受温度影响大，随着温度的升高会使激光器的阈值电流增加、输出功率降低、发射波长移动，由此造成模式的不稳定、增加内部缺陷、严重影响器件的寿命，给应用带来很大困难。具体来讲，温度对LD特性的影响主要表现在以下几个方面：（1）LD的阈值电流对温度很敏感。其阈值电流随有源区温度的变化的关系一般为： （1.1）是特征温度

13、，表示阈值电流对温度的敏感程度，由上式可以看出随着温度的增加,阈值电流呈指数增加。（2）激光器的输出功率受工作温度的影响，随着有源区温度的升高，激光器的平均功率和最大输出功率都会减少，功率波动变大。理想情况下，LD的PI关系是线性曲线，温度的变化将引起LD的PI特性曲线非线性畸变,使输出功率呈抛物线和指数关系递减，这对于LD的调制非常不利。（3）有源区的温度影响激光器的输出波长，激光器的激射波长一般随着有源区温度的升高而出现红移等现象，并伴随着跳模。LD的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定。由于有源层材料的禁带宽度随着温度升高而变窄，使波长向长波方向移动，移动量与器件的结构和有源

14、区材料有关，约为0.20.3nm/；在电流恒定的情况下，温度每升高1，激光波长将增加大约0.20.3nm。（4）有源层内部的温度不均匀性，使能级间出现能量差异，会导致输出谱线展宽，更容易出现多模激射情况。（5）由于温度的影响，各层材料之间热膨胀系数的差别会在内部产生应力，各材料之间扩散加剧，使器件退化，缩短激光器的使用寿命。正常工作时，大功率LD的热耗很大，约占总功耗的50%75%。若不能及时散热，就会使芯片温度急剧升高，输出功率严重下降，并影响使用寿命。据粗略估计，温度每升高25，其器件寿命减少一半。1.2 常用温度控制系统1.2.1 开环控制系统开环控制系统在温度控制中应用比较广泛，特别应

15、用在控温精度要求不高，控温点不多的情况下，如生活中简单的温度报警器，热水器等。如图1.1所示，控制单元根据温度设定量直接通过执行单元控制被控对象的温度。该控温系统结构简单，但由于没有反馈回路，这类控制系统的控温精度很低，而且温度控制点也比较少。控制单元执行单元被控对象温度设定量图1.1 开环温控系统框图1.2.2 闭环控制系统为了提高控温精度，通常采用闭环负反馈温控系统。负反馈可以减小温度偏差，使被控对象的温度在所要求的控温精度范围内变化。图1.2是闭环控制温控系统框图。图中偏差量经过控制器调整后，输出控制量控制被控对象的温度，被控对象的温度再由传感元件负反馈到偏差量中，进而实时调整控制被控对

16、象的温度。由于加入负反馈，大大提高了系统的控温精度与控温范围。输出量控制量反馈量偏差量-+控制器被控对象传感器设置量图1.2 闭环负反馈温控系统框图关于具体的控制系统，根据控制对象和使用元件的不同，自动控制系统有各种不同的形式，但是概括起来，一般均由以下基本环节组成，如图1.3所示。图1.3是按照偏差原则构成的控制系统的典型结构图。给定环节比较环节放大校正环节控制环节执行机构被控对象检测装置图1.3 控制系统结构框图1.3 LD温度控制器的研究现状高精度温控仪是目前热电领域、温度控制系统领域研究的热点之一。对于LD的恒温控制系统，国内外很多公司、学校及研究所都在进行研究与开发。目前，生产激光器

17、温度控制器产品的国外公司中，处于领先水平的主要有WAVELENGTH，IXLight，THORLABS，McShane，Linear Technology等几家公司。其中以WAVELENGTH公司的FPT系列的恒温控制器精度最高、稳定性最好。尽管国外产品的控温精度高、稳定性好，但价格昂贵。与此同时，国内许多科研单位进行了各种尝试，试图找出一种控温精确稳定，价格适中的方案。国内在此方面都作了很多研究，在测温元件的选取，控制方法，和加热制冷装置方面做出了不同的尝试，给这方面研究工作提供了宝贵经验。控制方法由模拟PID到数字PID，由模糊控制到自适应控制，控制温度的执行机构部分也由风扇、水制冷转向半

18、导体制冷器制冷，而控温精度也逐渐提高。所有这一切推动了LD的广泛应用，今后随着LD控温精度的提高，相信LD将会有更大的发展前景。但是国内生产的温度控制系统控温范围较窄，其应用范围受到一定的限制，而且国内市场的高性能温控仪仍然被美国、日本、韩国以及欧洲一些大公司的产品主宰。鉴于这种情况，研制一种高稳定度的温控系统来控制LD的工作温度具有极其重要的现实意义和经济价值。1.4 本课题的主要研究工作本文研制了一种基于单片机微处理器控制的温度控制系统，属于小型温控仪，用于实验室半导体激光器的温度控制。系统采用了流行的数字控制的方法，并且在过程控制中采用了目前发展较快的模糊控制原理。为了提高控制精度和减小

19、系统的体积，采用了TEC(半导体制冷器)制冷技术。系统结合了一些硬件和软件的方法，实验证明基本能够满足实验室所选用的半导体激光器温度控制的需要。在设计中把模糊控制原理应用于实践，提高了应用水平，积累了操作经验，这也有利于其它设备的研发。本文主要研究工作包括以下几个方面：第一章分析温度对LD输出特性的影响,介绍了LD温度控制器的研究现状；第二章介绍模糊PID控制理论；第三章设计LD温度控制系统及其硬件实现。第四章基于模糊PID控制理论，详细介绍模糊PID控制器的设计；第二章 半导体激光器温度模糊PID控制理论2.1 模糊控制模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模

20、糊技术与自动控制技术相结合的产物。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重要方法论。2.1.1 模糊控制概述模糊控制（Fuzzy Control）是模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）的简称，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制是一种非线性控制。模糊控制不是采用纯数学建模的方法，而是将相关专家的知识和思维、学习与推理、联想和决策过程用计算机来实现辩识和建模，并进行控制。因此，它属于智能控制的范畴。1965年美国的控制论专家L. A. Zadeh教授创立了模糊集

21、合论，从而为描述、研究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模型，设计控制器的新型方法模糊控制也随之问世了。模糊控制理论在近年来得到了迅速的发展，其原因在于对那些时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。模糊控制理论的提出是控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能发展到了一个新的阶段。随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机（单片机）上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。

22、模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。2.1.2 模糊控制系统模糊控制系统是一种以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础的自动控制系统。它采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。+A/D模糊控制器D/A执行机构被控对象传感器设置量-反馈量输出量图2.1 模糊控制系统组成框图一般的模糊控制系统由4部分组成，如图2.1 所示：(1)模糊控制器

23、: 模糊控制的核心部分，由微控制器实现。(2)输入/输出接口装置：控制器通过输入/输出接口获取数字信息量，并将判断输出的数字信号转换为模拟信号。(3)广义对象：包括被控对象和执行机构。被控对象可以是线性或非线性的、也可以是单变量或多变量的、有延迟或无延迟以及有干扰的等多种情况。(4)传感器：将被控对象的被控量转换为电信号(模拟或数字的)的器件。传感器在整个模糊系统里占有很重要的位置，它的精确度会直接影响到整个系统的控制精度。其中模糊控制器是控制系统的核心部分。2.1.3 模糊控制器结构模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成

24、推理算法以及模糊决策的方法等因素。模糊控制器（FCFuzzy Controller）也称为模糊逻辑控制器（FLCFuzzy Logic Controller）,由于其采用的模糊控制规则是由模糊理论中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言控制器，也称为模糊语言控制器（FLCFuzzy Language Controller）。YuU模糊化模糊推理模糊判决控制对象XEECee模糊控制器图2.2 模糊控制器的基本结构框图图2.2所示为典型的模糊控制器原理图。图中，X为设定值，Y为输出量，e和e分别为控制偏差和偏差变化率，E和EC分别e和e经过输入量化后的语言变量，U为基本模糊控制器语言变化变

25、量，u为经过输出量化以后的实际输出值。由此可见，模糊控制器实质上是反映输入语言变量与输出语言变量及语言控制规则的模糊定量关系算法结构，其工作过程可概括为下述几个步骤：(1)输入量的模糊化。模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解，模糊化的主要作用是将输入量规范化后的确定量转换成一个模糊矢量。即将偏差e和偏差变化率e的精确值转化为模糊量，以便进行模糊推理和决策。(2)模糊推理。其主要功能是模仿人的思维特征，根据总结人工控制策略取得的语言控制规则进行模糊推理，并决策出模糊输出控制量。模糊控制器的控制规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表

26、示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then、or、also、and等，关系词必须经过“翻译”，才能将模糊控制规则数值化。(3)模糊判决。其主要功能是对经模糊推理决策后得到的模糊控制量进行判决，把输出模糊量转化为精确的控制量施于被控对象。即输出量的非模糊化（解模糊化）综上所述，模糊控制器是易于控制、易于掌握的较理想的非线性控制器，是一种语言控制器；模糊糊控制器不依赖被控对象的精确数学模型，可以用于控制那些系统模型无法确定的系统；控制器抗干扰能力强，响应速度快，并对系统参数的变化有较强的鲁棒性。2.1.4 模糊控制的特点模糊控制理论是控制领域中非常有发展前途的一个分支，这是由于

27、模糊控制具有许多传统控制无法比拟的优点，其中主要有如下几点：（1）不需要精确数学模型。使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型。对复杂的生产过程很难获取过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方便的近似。（2）容易学习。对于具有一定操作经验，非控制专业的操作者，模糊控制方法易于掌握。（3）使用方便。操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过程的控制环节上。（4）适应性强。采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性。（5）程序短，所需存储器少。模糊控制系统一般只需要很短的程序和较少的存储器，它比采用查表方法的控制系

28、统需要的存储器少的多，比多数采用数学计算机方法的控制系统需要的存储器也要少。（6）速度快。模糊控制系统可在很短时间内完成复杂的控制任务，而使用计算机方法则需大量的数学计算工作。（7）开发方便、迅速。使用模糊逻辑控制，不必对被控对象了解非常清楚就开始设计、调试控制系统，可先从近似的模糊子集和规则开始调试，再进一步调整参数以优化系统。模糊推理过程中的各个部件在功能上是独立的，因而可以简单地修改控制系统。（8）可靠性高。常规的采用数学计算的控制系统是一个有机的整体，如其中一个算式出问题，或物理系统的条件发生变化都会使数学模型不在成立，则整个控制过程将失败。但是，模糊逻辑由许多相互独立的规则组成，它的

29、输出是各条规则的合并结果。所以即使一条规则出问题，其他规则可经常对它进行补偿；因而，系统可能工作的不太优化，但仍能起作用。并且，即使系统的工作环境发生变化，模糊规则经常仍能保持正确。对于采用数学模型计算的控制系统，参数变化后，必须重新调整计算公式。（9）性能优良。由于模糊控制系统对于外界环境的变化并不敏感，使它具有较高的鲁棒性，而同时，仍能保持足够的灵敏度。2.2 PID控制PID控制是一种传统的工业控制方式，也是迄今为止最通用的控制方法,发展至今已有了相当完备的理论和技术水平。2.2.1 PID控制原理PID控制器是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differen

30、tial（微分）三者的缩写,结构图如图2.1所示，它一种线性控制器，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合计算出控制量，对被控对象进行控制，故称为PID控制器。PID控制器的数学模型可以用下式表示： （2.1）其中：控制器的输出信号；：控制器输入信号，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；：控制器的比例系数；：控制器的积分时间；：控制器的微分时间。比例积分微分被控对象传感器给定量+-误差反馈信号被控对象+图2.3 PID控制器结构图偏差一旦产生，控制器立即有控制作用，使控制量朝着减小偏差的方向变化，其中的比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，

31、微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。具体来讲，Kp控制作用的强弱取决于比例系数Kp，Kp越大，则过渡过程越短，控制结果的稳态误差也越小；但Kp越大，超调量也越大，越容易产生振荡，导致动态性能变坏，甚至会使闭环系统不稳定。故而，比例系数Kp，选择必须适当，才能取得过渡时间少、稳态误差小而又稳定的效果。从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断地积累，输出控制量以消除偏差。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。可是积分作用具有滞后特性，积分控制作用太强会使系统超调加大，控制的动态性能变差，甚至会使闭环系统不稳定。积分时间对积分部分的作用影响极大。当较大时，则积分

32、作用较弱，这时，有利于系统减小超调，过渡过程不易产生振荡。但是消除静差所需的时间较长。当较小时，则积分作用较强。这时系统过渡过程中有可能产生振荡，但消除静差所需的时间较短。微分控制敏感出偏差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，减小超调量，克服振荡，提高系统的稳定性，但使系统抑制干扰的能力降低。微分部分的作用强弱由微分时间决定。越大，则它抑制变化的作用越强，越小，它反抗变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。2.2.2 数字PID控制及其实现方法 经典自动控制技术在工业生产的各个领域中已经获得广泛应用，但由于被控对象数学模型的不确定性及控制精度要求越来越严格，传统的控制技术难以解决

33、此问题了。计算机的发明及应用是科学史上的里程碑，现在计算机已广泛应用在许多行业中，在自控控制领域中，计算机技术的采用使得自动控制技术发展更是如虎添翼。由于计算机的强大处理功能和程序调整的灵活性是传统的模拟控制器所不能比拟的。所以现在应用计算机技术不但推出了许多新型的控制器和控制设备，而且许许多多的传统控制器纷纷改造成计算机控制器。PID控制器是在工业过程控制系统中，使用得最广泛的控制器之一，因此把传统的模拟PID控制转变计算机控制系统下的数字PID控制有很大现实意义。传统经典自动控制技术与计算机技术相结合，产生了许多种控制技术和理论，数字PID控制技术仅是智能控制技术中的常用的控制方法之一。在

34、计算机控制系统中，由于计算机处理的是数字信号，PID控制规律必须用数值逼近的方法实现。由数值分析理论可知，当计算机的采样周期相当短时，用求和代替积分，差分代替微分，使PID离散化变为差分方程，下面介绍两种常用的数字PID控制算法。（1） 数字PID位置型控制算法在式2.1中，做如下近似 （2.2） （2.3）式中，为采样周期，为采样序号。由式（2.1）、（2.2）、（2.3）可得数字PID位置型控制算式为 （2.4）式2.4表示的控制算法提供了执行机构的位置，如阀门的开度，所以称为数字PID位置型控制算式。（2） 数字PID增量型控制算法由式2.4式可以看出，位置型控制算式不够方便，因为要累加

35、偏差，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程序，为此可对式2.4式改进。根据式2.4不难写出第次采样时的控制算式，即 （2.5）将式2.5和式2.4相减，即得数字增量型控制算式为 （2.6）其中称为比例增益； 称为积分系数； 称为微分系数。可见增量算法只与相邻几次的偏差有关，适用于控制量相对增加的系统中，如执行机构为步进电机的控制系统中。2.3 模糊PID控制PID控制算法具有原理简单，调节精确的优点，但快速性不理想；Fuzzy控制算法具有无需建立被控对象的数学模型，对非线性、时变性系统具有一定的适应能力及快速性好的优点，但难以达到较高的控制精度。近年来已有不少将Fuzzy控制与PID控制

36、算法相结合，构建了Fuzzy-PID复合控制策略。常用的模糊PID 控制器有复合式模糊PID 控制器和模糊自整定PID控制器。复合式模糊PID控制器如图2.4所示。其原理是:根据输入偏差e的大小，有选择的使用模糊控制或者PID控制，来达到优化系统的目的。在大偏差范围内，即偏差e在某个阈值之外时采用模糊控制，以获得良好的瞬态性能；在小偏差范围内，即e落到阈值之内时,转换成PID（或PI）控制，以获得良好的稳态性能。二者的转换阈值由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。常用的是模糊控制和PI控制两种控制模式相结合的控制方法称之为模糊-PI双模控制。模糊控制器PID控制器对象输入e输出图2.4 复

37、合式模糊PID控制器PID参数自整定的模糊控制原理为：根据现场的不同情况，利用模糊控制器在线调整PID控制中的参数Kp、和，以达到在线智能自整定的作用。PID控制的关键是确定PID参数，该方法是用模糊控制来确定PID参数的，也就是根据系统偏差和偏差变化率，用模糊控制规则在线对PID参数进行修改。其实现思想是先找出PID各个参数与偏差和偏差变化率之间的模糊关系，在运行中通过不断检测和，再根据模糊控制原理来对各个参数进行在线修改，以满足在不同和时对控制参数的不同要求，使控制对象具有良好的动、静态性能，且计算量小，易于用单片机实现。其原理框图如图2.5所示：PID调解器对象模糊化模糊推理器eceEC

38、RE图2.5 PID参数自整定的模糊控制器第三章 LD温度控制系统硬件实现本文据图1.3设计了一种LD温度的控制系统。LD温度控制系统结构框图如图4-1所示。该系统是一个闭环控制系统，温度传感器检测到的LD温度信号经放大、A/D转换后送入控制器中与设定温度值进行比较，得到偏差和偏差变化，控制器对它们进行模糊PID控制算法，得到数字控制量，经D/A转换后驱动系统的执行机构对被控对象LD进行加热或制冷，从而使LD的温度值稳定在设定的温度点，达到温度控制的目的。A/D控制器D/A执行机构LD温度传感器设定温度图3.1 LD温度控制系统结构框图依据图3.1我们给出系统的硬件电路设计部分，主要包括温度检

39、测电路、温度信号采集与控制电路和制冷器驱动电路的设计。硬件电路结构框图如图3.2所示：图中LD的温度信号经过温度检测电路后变为电压信号，由信号A/D转换器送入到单片机中，与温度设定电路设定的温度信号进行比较，经过模糊PID控制器的处理调整，输出的数字控制量由D/A转换器进入TEC驱动电路，进而对被控对象LD进行加热或制冷，使LD温度稳定在设定的温度点。LDTEC温度检测电路温度设定电路多路模拟开关A/D转换电路单片机显示电路D/A转换电路TEC驱动电路选通信号图3.2 硬件电路设计框图3.1温度传感器选择(l)温度传感器概述在工业测温领域中，常用的温度传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻温度传感器

40、。热电式传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器;将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。(2)热电阻传感器热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪17。a)铂电阻铂易于提纯，在高温和氧化性介质中物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度;制成的铂电阻输出输入特性接近线性。铂电阻制成的温度计，除作温度标准外，还广泛应用于高精度的工业测量。由于铂为贵金属，一般在测量精度要求不高和测温范

41、围较小时，均采用铜电阻。铂电阻由于其具有测量范围大、稳定性好、测量精度高和耐氧化等特点，己成为目前温度测量中应用最为广泛的传感元件之一，而与之配套的数字测温仪表在工农业生产、科学研究及民用领域占有巨大的市场。b)铜电阻铜在-50+150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出-输入特性接近线性，价格低廉。当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。c)其他热电阻镍使用温度范围是-50+100和-50+150。但目前应用较少:镍非线性严重，材料提取也困难。但灵敏度都较高，稳定性好，在自动恒温和温度补偿方面的应用较多(我国定为标准化热电阻)。铟电阻适宜在-269+258温度

42、范围内使用，测温精度高，灵敏度是铂电阻的10倍，但是复现性差。锰电阻适宜在-271-210温度范围内使用，灵敏度高，但是质脆易损坏。碳电阻适宜在-273-268.5温度范围内使用，热容量小，灵敏度高，价格低廉，操作简便，但是热稳定性较差。(3)选用的PT100温度传感器综合上述特点我们选用铂电阻。铂电阻的电阻值与温度之间的关系可以用以下公式描述1819:R，=R。l+At+Bt2+C(t-100)t3 （3.1）而铂电阻按电阻分为PT10、PT100、PTIO00等。根据欧姆定律V=IR，如果，其中I就是流过铂电阻的电流，V是铂电阻两端的电压，R是铂电阻的电阻值，I是由CPU提供给铂电阻的，I

43、越大，系统功耗越大，V是系统要采集的信号，当I一定时，V越大那么抗干扰性能就越好，因为某一个特定的干扰信号的幅值是一定的，当V变大时，干扰信号与其比值就变小，所以抗干扰能力就高。因此选用PTI00，因为它产生同样大的信号流过的电流比PT1000小10倍，也就是说，在采样时，同样大小的电压信号，需要的电流比PT10O小得多，所以可以降低功耗，其测量范围为-200+850。而且PTI00稳定性好，可以采用软件措施进行非线性补偿20。选用热电偶传感器同样可实现低功耗，其精度比PTI00差，但测量温度值比较高，一般500度以上选用热电偶测量。(4)铂电阻信号采样电路铂电阻温度传感器的信号处理电路可以采

44、用恒压源或恒流源电路21。a)基本恒流源电路基本的恒流源电路如图3.3所示，用铂电阻Rf代替反相放大器的负反馈电阻Rf:图3.3恒流源电路根据反相放大器的公式可以得到VO=-PT/R1*Vi （4.2）Vi，R1固定后，流过RPT的电流恒定，Vo与RPT成正比，从RPT的变化可以得到相应的电压的变化，从而实现了电压输出，并且线性度保持不变。b)恒压源电路:简单，成本低，但PT100两端的采样值和PT100的电阻值关系为非线性。对于超低功耗电路来说，尽量少用元件，多用元件会带来额外的功耗，如果在能够处理电压源电路的非线性问题，就采用恒压源电路，这样在降低功耗的同事也为系统降低了成本。图3.4本系

45、统采用的信号采样电路3.2A/D转换器的选择A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统与数字系统或计算机之间的接口。A/D转换的实现方法有多种，用不同的方法实现的A/D转换器具有不同的特性22。(1)A/D转换器的主要技术指标a)分辨率对于刀D转换器来说，分辨率表示输出数字量变化一个相邻数码时，输入的模拟电压变化量。具体定义为满量程电压VFSR与2n之比值，其中n就是A/D转换器的位数。例如:12位的ADC能够分辨出满刻度的1/2，或满刻度的0.24%。所以一个12位ADC的满刻度为10V，那么该ADC能够分辨出的输入电压变化的最少值为2.4mV。由于ADC分辨率的高低取决于位数的多少，所以通常也以ADC的位数来表示分辨率。b)量化误差量化误差是由