1、電子科技高精度半導(dǎo)體激光器自穩(wěn)溫控系統(tǒng)中國工程物理研究院流體物理研究所(綿陽621900 江孝國祁雙喜王偉摘要文章介紹了一套精密的溫度控制系統(tǒng), 該控制系統(tǒng)采用PID 控制器的原理, 對發(fā)熱功率為1030W 的半導(dǎo)體激光器的控制效果良好, 控溫的穩(wěn)定度可小于±0. 1°C 。關(guān)鍵詞PID 控制器熱電偶冷卻器參數(shù)整定半導(dǎo)體激光器在民用及國防上的重要作用已得到廣泛的應(yīng)用, 但半導(dǎo)體激光器在工作時產(chǎn)生的大量熱量, 不僅會使器件溫度升高, 造成器件的性能下降, 嚴(yán)重者甚至燒毀半導(dǎo)體激光器, 因此, 激光器的散熱是重要的, 為了保證器件性能的穩(wěn)定及壽命, 將器件工作溫度在一定的范圍內(nèi)

2、以較高的穩(wěn)定度穩(wěn)定在比較低的水平上也同樣重要1。本文針對這種高精度的要求, 研制了一套精密的半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)。該溫度控制系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的PID 調(diào)節(jié)原理, 針對系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)特性, 在參數(shù)整定方面作了相應(yīng)的改進(jìn), 達(dá)到了很好的控制效果, 不僅超調(diào)量小, 并且進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)的時間短, 抗干擾能力也比較強(qiáng)。該溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用于1030W 的發(fā)熱負(fù)載的溫度控制時, 可以在1825圖1PID 控制原理V (t , 實現(xiàn)對受控系統(tǒng)進(jìn)行自動控制的目的, 它是一種線性調(diào)節(jié)器。這種控制原理的優(yōu)點(diǎn)是不要求知道受控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型, 因此, 在自動控制領(lǐng)域 中得到了廣泛的應(yīng)用。由上可知, 要構(gòu)成一個PID

3、控制器, 需要確定K p 、T i 、T d 三個參數(shù); 確定這三個參數(shù)的過程稱為PID 參數(shù)整定; 并且, 三個參數(shù)直接影響系統(tǒng)的控制性能。°C 的溫度范圍內(nèi)達(dá)到小于±0. 1°C 的穩(wěn)定度, 起到了良好的控制作用。本文主要介紹半導(dǎo)體溫度控制器的PID 參數(shù)整定及改進(jìn)等方面的工作。2PID 參數(shù)的整定毫無疑問,PID 控制器的參數(shù)的整定應(yīng)該根據(jù)實際系統(tǒng)的特性來進(jìn)行, 一般有湊試法2及Ziegler 2Nichols 經(jīng)驗公式法3等。湊試法主要是根據(jù)實際系統(tǒng)在現(xiàn)場以閉環(huán)的方式進(jìn)行運(yùn)行的情況, 由研究人員根據(jù)其豐富的經(jīng)驗來確定各參數(shù)的值, 并進(jìn)行不斷的調(diào)整, 最后達(dá)

4、到良好的綜合控制效果, 這種方法需要研究人員具有相關(guān)的豐富經(jīng)驗并通過現(xiàn)場實驗來達(dá)到, 并不總是能夠滿足靈活的控制要求的。Ziegler 2Nichols 經(jīng)驗公式法則要先進(jìn)一步, 它主要是1PID 原理簡介2PID 控制原理主要是按照誤差信號的比例、積分和微分值計算相應(yīng)控制量, 并將其作為輸入量傳遞到控制系統(tǒng)而實現(xiàn)自動控制的, 其控制模型為:V (t =K p e (t +tT id +T d e (dt(1其中:K p 為比例系數(shù); T i 為積分系數(shù); T d 為微分系數(shù); e (t 為誤差信號量, e (t =S -y (t , S 為受控量的設(shè)定值; y (t 為受控量的輸出值; V

5、(t 為控制信號量。控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。PID 控制器把設(shè)定值S 與受控系統(tǒng)的受控量的實際值y (t 相減, 得到了一個誤差量e (t , 誤差量e (t 經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算針對帶有純時間延遲的一階近似模型提出的, 該延遲環(huán)節(jié)的模型為:G (s =1+s T-sL(2在實際的整定中, 它首先要求測量出系統(tǒng)的階躍響應(yīng), 如圖2所示, 其次根據(jù)響應(yīng)曲線求出圖示的K 、L 、T 等系統(tǒng)的特性參數(shù), 并假設(shè)=KL /T , 再根后通過線性的組合而得到受控系統(tǒng)的控制輸入量56(312 中國自動化http :/www. automation. com. cn 電子技術(shù)2002年第5期據(jù)表1的計算式計算

6、出相應(yīng)的PID 參數(shù)。這種方法有較大的優(yōu)點(diǎn), 對于半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)而言, 它是一個具有較大延遲的溫度控制系統(tǒng), 具有適用于Ziegler 2Nichols 公式法的特性, 并且該系統(tǒng)的實際階躍響應(yīng)曲線容易測量, 如圖2所示; 其次, 不須經(jīng)過大量的現(xiàn)場實驗調(diào)試, 符合溫控系統(tǒng)中半導(dǎo)體激光器件對調(diào)試工作條件的要求。系統(tǒng)實際參數(shù)的整定結(jié)果見表1的本系統(tǒng)的PID 參數(shù)一欄所示。表1Ziegler 2Nichols 設(shè)定算法3控制器類型K pv (t =K S -y (t +-T ddtT id e (0(3其主要目的是減小超調(diào)量, 并將系統(tǒng)的超調(diào)量控制在10%或20%內(nèi), 因此引入系數(shù), 根據(jù)不

7、同的超調(diào)量及系統(tǒng)的特性, 系數(shù)的計算方法不一樣, 本例中, 是按照小于10%的要求計算的, 具體的計算式為=(533L 86T /(577L 34T 3。由此可見, 改進(jìn)的Ziegler 2Nichols 方法不僅在參數(shù)上, 還在算法上與原 PID 算法有較大的變化, 須重新編程完成。PID 參數(shù)T iT dP PI PID1/0. 91. 2/0. 63350. 653L 2L 2. 82. 8L /2本系統(tǒng)的PID 參數(shù)改進(jìn)后的PID 參數(shù)0. 70. 70. 0293圖2溫度控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線3PID 參數(shù)及算法的改進(jìn)由上述方法整定的參數(shù)一般能夠達(dá)到控制的目的, 但有時在控制過程中存

8、在一些不如意的地方, 如超調(diào)量過大、進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)的時間過長, 甚至抗干擾能力不足等; 我們早先研制的系統(tǒng)存在一定的超調(diào)4, 并且不太適用于寬范圍的控制要求, 如熱負(fù)載發(fā)生一定的變化時, 就達(dá)不到所要求的控制效果, 因此, 有必要改進(jìn)控制的能力。3. 1PID 參數(shù)的改進(jìn)圖3PID 參數(shù)整定及積分分離控制原理框圖3. 2. 2積分飽和抑制方法2在PID 控制器中, 其中一項T i根據(jù)資料3的顯示, 改進(jìn)的Ziegler 2Nichols 方法整定的參數(shù)控制效果比直接由Ziegler 2Nichols 方法整定的參數(shù)要好, 并且, 它不要求進(jìn)行更多的系統(tǒng)特性參數(shù)測試, 因此, 我們選用該方法并且稍作

9、一些修改, 最后的結(jié)果見表1的改進(jìn)后的PID 參數(shù)一欄, 其中的系數(shù)是超調(diào)量小于10%的情況下的數(shù)值。3. 2PID 算法的改進(jìn)3. 2. 1PID 控制器結(jié)構(gòu)的改變d 與誤差e (的積分有關(guān), 稱為積分項。在實際的控制過程中, 如果由于負(fù)載變化引起誤差發(fā)生突變, 導(dǎo)致正常控制量V (t 超過實際控制量的最大值V max , 由于實際控制量受到系統(tǒng)輸出能力的限制, 其變化跟不上受控量的變化, 必然使誤差比正常情況下更長時間地維持在正數(shù), 這樣, 使積分項得到很大的積累, 即使受控量大于設(shè)定值出現(xiàn)負(fù)誤差, 但由于積分項的積累, 還必須經(jīng)過較長一段時間才能使控制量小于最大值, 進(jìn)入正常的控制范圍,

10、 在受控量的變化上表現(xiàn)為超調(diào)。對于半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)而言, 存(31357改進(jìn)的Ziegler 2Nichols 方法要求如下的PID 控制器結(jié)構(gòu):電子技術(shù)2002年第5期中國傳感器http :/www. sensor. com. cn在這種由于參數(shù)選擇及算法選擇不當(dāng)而引起的超調(diào)現(xiàn)象, 并且半導(dǎo)體激光器的工作溫度不允許超過一定值, 過大的超調(diào)是需要克服的一種現(xiàn)象。我們選擇積分分離法來抑制積分飽和現(xiàn)象的發(fā)生。其核心思想是:在開始時, 不進(jìn)行積分, 當(dāng)誤差達(dá)到一定值后, 按正常算法計算控制量, 可防止系統(tǒng)上電時積累過多的積分, 造成過大的控制量; 同時, 也能夠在系統(tǒng)進(jìn)入飽和區(qū)后由于較少的積

11、分積累而很快地退出飽和區(qū), 減少超調(diào)量。結(jié)合改進(jìn)的Ziegler 2Nichols 方法及積分飽和的抑制方法, 本溫度控制器算法原理框圖如圖3所示。器達(dá)到了很好的控制性能, 圖4中的各圖顯示了在室溫的環(huán)境及在1825°C 的控溫要求下對1030W 的熱負(fù)載的實際控制效果; 可以看出, 在熱負(fù)載基本穩(wěn)定的情況下, 本溫控系統(tǒng)的超調(diào)較小, 能夠平穩(wěn)地進(jìn)入平衡控制區(qū), 且溫控穩(wěn)定度較高, 而圖4(e 顯示了熱負(fù)載從10W 突變到30W 的控制情況, 溫度變化范圍只有約1°C 的大小, 可見達(dá)到了很好的抑制干擾的控制效果。圖中橫座標(biāo)為時間, 單位為秒。5結(jié)束語本文研究的PID 控制

12、器結(jié)合了改進(jìn)的Zielger 2Nichols PID 參數(shù)的整定方法及采用了積分分離法來抑制超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生, 該控制器完全達(dá)到了設(shè)計4實驗結(jié)果經(jīng)過多次的調(diào)試后, 該半導(dǎo)體激光器溫度控制(a 環(huán)境溫度25. 5°C , 設(shè)定溫度17. 87° C(b 環(huán)境溫度25. 7°C , 設(shè)定溫度19. 83° C(c 環(huán)境溫度26. 3°C , 設(shè)定溫度19. 84° C(d 環(huán)境溫度26. 5°C , 設(shè)定溫度24. 79° C(e 環(huán)境溫度26. 1°C , 設(shè)定溫度24. 84°C ; 負(fù)載功率從

13、10W 突變到30W圖4溫控系統(tǒng)的實際控制效果58(314 中國自動化http :/www. automation. com. cn 電子技術(shù)2002年第5期電子科技新型單鍵密碼樓梯燈五邑大學(xué)(廣東江門529020 陳業(yè)仙摘要文章主要論述利用常用的CD4017為核心組成的一個簡單實用的單鍵密碼樓梯燈。關(guān)鍵詞單鍵密碼樓梯燈目前, 仍有很大一部分商品房, 尤其是早期的商品房沒有設(shè)置公用梯燈, 有些家庭不得不自己安裝樓梯燈, 市面上較流行使用的是一種用鑰匙開啟的帶鎖延時樓梯燈, 這種方法可以有效避免別人濫用自家的電燈, 但是仍存在不少缺點(diǎn), 例如:由于鑰匙必須帶在身上, 容易丟失; 這種鎖頭一般質(zhì)量

14、較差, 暴露在室外容易氧化生銹而失效, 且外觀笨重, 影響美觀; 這種開關(guān)一般沒有指示燈, 在晚上沒有燈光時找鑰匙以及開關(guān)的位置都頗為不便; 另外這種開關(guān)一旦啟動后必須達(dá)到延時時間才能自動關(guān)閉。本文設(shè)計的密碼延時開關(guān), 無需任何鑰匙, 只要掌握密碼, 便可對梯燈進(jìn)行任意的開關(guān)動作, 且設(shè)有指示燈, 方便操作, 并且可以隨時變更密碼。本設(shè)計電路簡單, 成本低廉, 適于大批量生產(chǎn), 并且可推廣應(yīng)用到其他類似的保密要求不是很高的電子密碼鎖等方面, 達(dá)到用一個公用的控制器控制各自電器的目的。圖1控制器的框圖利用這一個高電平來啟動與之相聯(lián)的亮燈延時電路, 這樣, 通過選擇不同的輸出端, 則可達(dá)到密碼控制

15、的作用。這里, 我們還考慮了幾種情況:第一, 如果輸入錯誤或忘記了自己已按了多少次按鍵時, 電路應(yīng)有自動復(fù)位的措施, 也就是對按鍵有監(jiān)視電路; 第二, 當(dāng)輸入密碼正確時, 電路應(yīng)稍作延時才啟動, 這樣可以增加猜碼的難度; 第三, 電路啟動后, 計數(shù)器應(yīng)及時復(fù)位, 但不會影響亮燈延時電路的繼續(xù)工作, 但這時再按一次按鍵即可立即中斷亮燈延時電路的工作, 使梯燈組熄滅, 故CD4017的第一次按鍵輸出(Y1 保留作此用途, 即只有第2至第9按鍵共八個狀態(tài)可供設(shè)為密碼, 第10次按鍵回復(fù)至復(fù)位狀態(tài); 第四, 戶內(nèi)須設(shè)置一個直接啟動亮燈延時電路的按鈕, 無須輸入密碼。1. 2電路原理圖及工作原理本電路由

16、電源電路、密碼電路、輸入電路和亮燈延時控制電路組成, 如圖2所示:電源電路由降壓電容C 1、整流二極管D 1和D 2、濾波電容C 2和C 3、限業(yè)出版社. 1995. 5:1021072陳汝全、林水生、夏利. 實用微機(jī)與單片機(jī)控制技術(shù). 成1電路組成及原理1. 1系統(tǒng)框圖與原理樓梯燈控制器組成框圖如圖1所示, 主要由CD4017接收按鍵進(jìn)行十進(jìn)制計數(shù), 在相應(yīng)的輸出端產(chǎn)生一個高電平, 啟動電燈延時電路, 從而達(dá)到密碼控制的目的。CD4017是CMOS 十進(jìn)制計數(shù)器, 在計數(shù)器的輸入端每輸入一個低電平, 計數(shù)器進(jìn)行加1計數(shù), 即對應(yīng)的輸出端輸出高電平, 而其它輸出端為低電平 , 的控制要求, 并且抑制超調(diào)能力強(qiáng), 進(jìn)入穩(wěn)定控制區(qū)的時間短, 可以在較大的控制范圍內(nèi)正常進(jìn)行工作, 比