一种氧气分析仪激光器的温度控制系统研究

张根宝， 程震晨

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)



一种氧气分析仪激光器的温度控制系统研究

张根宝， 程震晨

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

激光氧气分析仪是一种新型氧气分析仪器，其半导体激光器的温度变化会引起激光束波长变化，严重降低数据准确性以及仪器寿命.研究了一种用于激光氧气分析仪半导体激光器的温度控制方法及其实现.通过MATLAB/Simulink仿真，给出基于参数自适应模糊PID的激光器温度控制算法.硬件采用AD590作为温度传感器，以STM32F407为控制器，以半导体制冷器为执行器建立温度控制系统.该系统能够有效控制激光器温度，具有响应快，超调小，余差小的特点.

氧气分析仪； 激光器温控； 参数自适应模糊PID； STM32； 半导体制冷器

0 引言

可调谐二极管激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectrometer, TDLAS )技术是新型氧气浓度分析技术，具有高灵敏度、高分辨率、快速检测等特点.可调谐激光式氧气分析仪选择的激光器波长需与氧气的特征吸收谱线相匹配，此波长在近红外区为760nm.受仪器自身发热、环境温度变化等因素影响，分析仪的激光器输出功率发生波动，激光束波长发生变化，仪器稳定性、准确性以及使用寿命降低，必须对激光器温度加以控制[1,2].

目前，国外的激光器温度控制产品处于领先水平，但价格昂贵.国内激光器专用温控系统较少，精度较低，操作性能较差[3-5].激光器温度控制研究具有现实意义和研究前景，本研究给出了基于参数自适应模糊PID的激光器温度控制方案，通过MATLAB仿真分析，确定控制器结构和参数，通过软硬件协同设计搭建了一套氧气激光器温度控制系统.

1 控制系统设计

氧气激光器温度控制系统结构如图1所示.系统以ARM芯片STM32F407为主控制器，由温度传感器AD590、信号调理电路以及ADC组成温度采集通道，以DAC、半导体制冷器(Thermoelectric Cooler, TEC)及其驱动电路为温度控制通道.系统工作机理为：蝶形封装的激光器模块内部集成了TEC和AD590，集成温度传感器AD590采集激光器的表面温度信号，经过调理电路后，由高分辨率ADC进行模数转换；主控制器STM32F407接收来自温度采集通道的信号，在人机交互界面实时显示，并与输入的设定值比较，运行相应的温度控制算法程序得到控制量；TEC驱动模块接收DAC模块输出的模拟信号，控制流入TEC的电流流向和大小，实现对激光器的制冷或制热闭环控制.

图1 系统结构图

2 硬件设计

2.1 主控制器与传感器

选用意法半导体公司(ST)推出的高性能微控制器STM32F407设计激光器温控系统的主控单元.该微控制器芯片基于ARM公司32位Cortex-M4内核，工作频率可达168 MHz，内置大容量高速存储器，集成多个高精度ADC、DAC.此外，芯片集成了FPU和单周期DSP指令，具备高性能数字信号处理能力[6-8].芯片集成丰富的片上资源和外设接口，具有较高的性价比，可以有效保证系统高实时性、准确性的要求.

温度传感器采用美国AD公司的单片集成两端感温电流源AD590，具有体积小、线性好、精度高的特点.AD590与STM32组成的温度信号采集电路如图2所示.AD590输出电流I=(273+T)μA,T为摄氏温度.使用电压跟随器输出采样电阻两端电压，差动放大器输出Vo=(100K/10K)(V2-V1),Vo接主控器的ADC，该电路能使AD转换结果与摄氏温度保持线性比例关系.

图2 温度采集电路

2.2 TEC电路分析

半导体制冷器简称TEC，是激光器温度控制系统中的核心器件.电流通过两种不同导体材料组成回路时，在不同导体接头处随着电流方向不同会分别出现吸、放热现象，称为珀尔贴效应[9].TEC正是利用珀尔贴效应，由多对热电元件(半导体晶粒)经串并联组合而成，其结构如图3所示.

图3 TEC结构示意图

TEC驱动电路按输出模式可分为线性模式和开关模式[9,10].简单的线性驱动电路可由如图4所示的桥式推挽功率放大电路构成，两组达林顿管分别导通达到控制驱动电流方向和大小的目的，该电路具有电流波纹小和设计简单的特点，但其驱动效率低，控制精度不高，且存在温度控制死区.

本文采用如图5所示的开关型驱动电路，集成TEC驱动芯片MAX1968内部包含两个开关型同步降压稳压器和PWM控制器，芯片通过CTLI引脚输入控制电压，两个稳压器同时产生一个差动电压，内部PWM控制器输出PWM波控制构成H桥的四个MOSFET，实现电流的双向控制.此外，该电路还可以通过采样电阻检测电流，若电流超过限值则关断PWM波.该电路具有高集成度、高效率、高精度、死区小的特点.

图4 TEC线性驱动电路

图5 TEC开关驱动电路

3 控制方法研究

3.1 参数自适应模糊PID

PID控制是自动控制领域产生最早、应用最广的一种控制方法，具有结构简单、运行稳定等特点，表达式如式(1)

(1)

式(1)中：Kc、Ti、Td分别为PID控制器的比例增益、积分时间和微分时间，u0为稳态工作点.可知传统PID控制是一种固定参数的控制，针对大时滞、时变的控制对象，整定好的控制参数会偏离最优点，控制效果会变差甚至失控[11].

模糊控制是一种基于规则的控制，具有较强的鲁棒性，适用于大滞后、时变性、非线性等复杂系统，对于难以建立精确数学模型的被控对象，通过人类经验实现控制[12,13].但是一般的模糊控制器相当于PD控制器，不具有积分环节，因而不能消除稳态误差.

在氧气激光器温度控制系统中，被控对象具有较大的热惯性，存在大时滞、时变性的特点.故针对传统PID控制的缺陷，本文在激光器温度控制中引入参数自适应模糊PID算法.参数自适应模糊PID 控制是一种结合 PID 控制与模糊控制的控制方法，能够汲取两种控制的长处，并且弥补各自的不足，其结构如图6所示，控制器包含一个模糊参数调节器和一个参数可调的PID控制器.它不是将PID控制与模糊控制简单的合并，而是根据输入偏差e、偏差变化率ec，由模糊参数调节器输出PID三个参数增量ΔKp、ΔKi、ΔKd，实现对 PID 参数在线调整，使PID参数始终处于最佳状态，从而满足控制的要求.

图6 参数自适应模糊PID控制结构图

3.2 模糊参数调节器设计

3.2.1 模糊语言变量与隶属函数

模糊参数调节器的输入为激光器温度偏差e和偏差变化率ec，PID控制参数修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd为输出语言变量.根据经验总结，选取相应量化因子，确定基本论域：e，ec，ΔKp，ΔKi，ΔKd=[-4, 4].考虑控制规则的灵活与细致性，兼顾操作的可行性，采用模糊子集{NB,NS,ZE,PS,PB}，分别代表负大，负小，零，正小，正大.

模糊状态的隶属函数一般选择对称三角形、对称梯形、正态型隶属函数.因为三角形隶属函数运算较简单，所占内存空间也较小，故选用三角形函数为输入输出语言变量的隶属函数.

3.2.2 模糊规则

根据经验，按照偏差变化的偏差e和偏差变化率ec，Kp，Ki，Kd的一般整定原则如下：

(1)当偏差e较大时，误差较大，为使系统有较快的响应速度，应取较大的Kp；为了防止偏差变化率ec瞬时过大，应取较小的Kd；为了避免较大的超调，应对积分作用加以限制，通常取Ki=0.

(2)当偏差e处于中等大小时，为使系统相应具有较小的超调，Kp应取得小些，Ki取值要适当，这时Kd取值对系统影响较大，取值应大小适中，以保证系统的响应速度.

(3)当偏差e较小时，为使系统具有较好的稳定性，Kp与Ki均应取大些，同时为避免系统在设定值附近振荡，并考虑系统的抗干扰性能，Kd值的选择应根据偏差变化率ec来确定，当ec较大时，Kd取较小值，当ec值较小时，Kd取较大值，一般情况下，Kd为中等大小[14,15]

根据以上整定原则，总结出一套Kp、Ki和Kd的模糊逻辑整定模型，如表1所示，三个模糊控制规则从左到右依次为ΔKp，ΔKi，ΔKd.

表1 Kp,Ki,Kd模糊推理规则表

3.2.3 解模糊策略和PID参数调整

模糊推理的结果，即模糊控制器的输出变量，一般情况下是一个模糊集，不能直接用于控制被控对象，需要先转化成执行器可以执行的精确量.此过程一般称为解模糊，本文采用重心法(加权平均法).在控制的初始阶段，采用Ziegler-Nichols等工程整定方法对PID控制器进行参数预整定，然后投入模糊自适应 PID 控制.经过模糊推理得到PID参数的修正量ΔKp、ΔKi和ΔKd后，对PID参数进行调整，以满足控制要求.

3.3 Simulink仿真分析

使用MATLAB的模糊控制工具箱，根据上述模糊推理器设计原则，建立模糊控制器，在Simulink下调用该控制器，建立基于控制系统参数自适应模糊PID控制器的仿真模型，并与常规PID控制做对比，仿真模型如图7所示[16,17].得到阶跃响应曲线如图8所示，可知参数自适应模糊PID控制相对常规PID算法具有响应快，超调小的特点.

图7 Simulink仿真模型

图8 阶跃响应曲线

3.4 程序流程

基于主控制器STM32F407实现激光器温控系统的程序整体流程图如图9所示，首先进行相关的初始化工作，包括时钟配置、定时器配置、LCD初始化等，通过HMI得到温度设定值数据，通过AD转换得到实时温度数据，调用参数自适应模糊PID算法得到控制量输出，定时器时间到重复执行采样、运算、输出.其中参数自适应模糊PID子程序流程如图10所示，首先计算温度偏差e和偏差变化率ec，通过条件选择执行查表操作，确定PID参数增量，计算得到模糊调整后的PID参数，运行PID算法得到控制量输出.

图9 整体流程图

图10 算法程序流程

4 数据分析

对该氧气分析仪激光器温度控制系统进行实验测试，首先观察氧气分析仪工作后，在不施加控制时，记录激光器温度数据，如图11所示，受仪器自身发热和环境温度影响，激光器温度上升，5 min后温度在23.5 ℃左右变化，趋势逐渐放缓.

图11 开机后不加控制温度变化图

通过HMI设置温度20 ℃，启动温度控制系统，施加闭环控制，得到温度曲线如图12所示，分析可知，系统经过约27 s后温度稳定在设定温度附近，期间超调量控制在8.5%，余差为0.05 ℃.

图12 启动温控系统后温度变化

5 结论

本文研究了一种氧气分析仪激光器的温度控制方法.给出了一种基于参数自适应模糊PID的激光器温度控制算法，搭建了系统硬件平台，设计了基于硬件平台的温控系统程序.仿真分析和实验数据表明，该系统具有响应快、超调小、精度高的特点，能够有效控制激光器温度，保证氧气分析仪稳定性和使用寿命.该系统经过改进，可以应用于其他激光吸收光谱技术的系统中，具有较大研究价值和现实意义.

[1] 洪 晔，黄岩平，张玉广.氧探测器及氧气测量方法的发展与应用[J].舰船防化，2010(4):35-38.

[2] 张志荣，吴 边，夏 滑，等.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体浓度测量温度影响修正方法研究[J].物理学报，2013，62(23):183-189.

[3] 赵裕繁.激光气体分析仪整机测试系统设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.

[4] 严 索，李顶根，于召亮.基于ADRC的半导体激光器温度控制的仿真研究[J].工业仪表与自动化装置，2013(1):3-5，45.

[5] 傅泽宏.激光气体分析仪在RFCC再生烟气测量中的应用[J].化工自动化及仪表，2012，39(11):1 418-1 422，1 485.

[6] 刘贯营，赵玉荣.Cortex-M4内核微处理器DMA方式的高速A/D采样[J].单片机与嵌入式系统应用，2012(7):71-72.

[7] 张根宝，李 露.基于STM32的PS/2数字键盘通信协议模拟与实现[J].电子器件，2014，37(3):579-582.

[8] 张根宝，谢晓静，程振晨.一种氨气变送器温度补偿方法的研究与实现[J].陕西科技大学学报(自然科学版)，2015，33(5):167-170，177.

[9] 陈 威，杨 铸，张 为.一种高精度激光器温控电路的设计[J].激光技术，2014，38(5):669-674.

[10] 杨家桂.基于MAX1968的LD自动温度控制系统设计[J]. 电子工程师，2007，33(6):64-67.

[11] 王丰华，李建清，吴剑锋.多源表面温度信号发生装置的硬件设计[J].仪表技术与传感器，2014(1):83-84，106.

[12] 曾光奇，胡均安，王 东，等.模糊控制理论与工程应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[13] 王述彦，师 宇，冯忠绪.基于模糊PID控制器的控制方法研究[J].机械科学与技术，2011，30(1):166-172.

[14] 王 安，杨青青，闫文宇.模糊自整定PID控制器的设计与仿真[J].计算机仿真，2012，29(12):224-228.

[15] 李 茜，李 彬，朱雪丹.模糊自整定PID控制器的设计与仿真[J].化工自动化及仪表，2010，37(3):25-28.

[16] 李 健，王冬青，王丽美.模糊PID控制器设计及MATLAB仿真[J].工业控制计算机，2011，24(5):56-57，95.

[17] 杨益兴，崔大连，周爱军.模糊自适应PID控制器及Simulink仿真实现[J].舰船电子工程，2010，30(4):127-130.

【责任编辑：陈 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

西安市科技计划项目(CXY1436(1))

张根宝(1958-)，男，陕西白水人，教授，硕士生导师，研究方向：过程控制系统应用、智能仪器仪表开发

1000-5811(2016)05-0157-05

TP273.5

A