朱双双,邹 鹏,路美娜,张爱文,刘振海,裘桢炜,洪 津
基于Bang-Bang和PID复合控制的红外探测器温控系统设计
朱双双1,2,3,邹 鹏2,3,路美娜2,3,张爱文2,3,刘振海1,2,3,裘桢炜2,3,洪 津2,3
(1. 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026;2. 中国科学院 安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031;3. 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室,安徽 合肥 230031)
红外探测器作为星载偏振探测载荷的核心部件,用于实现短波红外波段辐射偏振信息的光电转换。为保证应用性能,需要对探测器进行精密温控,保证其工作在较低且稳定的温度以降低探测器热噪声和暗电流。本文介绍了一种红外探测器温控系统,采用FPGA控制完成温度信号的采集并输出控制信号,数模转换器控制三极管驱动电流完成半导体制冷器的驱动,采用Bang-Bang和PID复合控制算法完成探测器的精密温控,测试结果表明,温控精度优于±0.1℃,温度稳定时间小于6min,可将探测器在较短的时间内控制在目标温度范围内,为实现短波红外波段的高精度偏振信息测量提供保障。
Bang-Bang控制;PID控制;温度控制;红外探测器;半导体制冷器(TEC)
大气散射辐射不仅具有偏振性,而且具有波长选择性。大气散射辐射所表现的光学和微物理性质与其光谱特性密切相关,多光谱偏振信息的高精度获取可以解析大气性质,实现气溶胶和水汽的高精度探测及反演,为空气质量监测与大尺度长期气候变化研究提供数据支撑。
短波红外波段的偏振探测具有受烟雾影响小,辨识物体真伪能力强等特点,广泛应用于云气溶胶粒子状态探测、地表偏振反射率探测、海洋开发应用、环境监测等领域[1-5]。红外探测器作为短波红外偏振信息获取的核心部件,负责完成红外波段光谱和偏振信息的测量[6]。探测器热噪声、暗电流及其温漂直接影响红外探测器的应用性能,尤其是在探测信号极其微弱的应用场合,暗电流及其温漂是影响红外探测器测量精度的重要因素之一,暗电流的波动将作为测量误差引入红外探测波段数据产品中,影响辐射和偏振测量精度,造成大气参数探测精度和图像校正精度损失[7-8]。温控精度和温度稳定时间是影响暗电流波动的主要因素,温控精度高,温度稳定时间短,则探测器的暗电流波动小,探测系统测量精度高,反之亦然。通过对红外探测器进行精密温度控制,在降低其工作温度的同时,保证探测器具有较高的温度稳定性,可以有效提高系统测量精度。
本文设计了基于Bang-Bang和PID(PID控制,比例-积分-微分控制,Proportional-Integral-Derivative control)复合控制的精密温度控制系统,FPGA作为主控实时采集热敏电阻阻值,获取被制冷目标温度信息,结合控制算法,控制调整三极管输出驱动电流,对红外探测器热沉进行控温,保证红外探测器工作于低且稳定的温度环境,测试结果显示红外探测器热沉控温精度为±0.1℃,控温稳定时间小于6min,可以在较短时间内将热沉控制在目标工作温度范围内。在满足控温精度需求的同时,有效节约系统资源,尤其是对资源消耗比较敏感的星载仪器应用场合,具有明显的优势。因此,Bang-Bang和PID复合控制用于红外探测器温控具有现实应用意义。
本文所讨论的某偏振探测仪共选用6只短波红外探测器,目标工作温度为-60℃。如图1所示,采用两级制冷相结合的控温方式,红外探测器均安装于铜块即热沉上,通过外置帕尔贴将红外热沉制冷至-15℃,同时通过探测器内置帕尔贴将光敏面进一步制冷至-60℃。
本文重点讨论红外探测器热沉温控方案,控温目标温度为-15℃,控温稳定性优于±0.1℃。该温控方案特点为被制冷目标热容大,温度控制响应时间长。结合其空间应用特点,需要在功耗、质量等资源消耗尽量小的情况下,快速达到目标温度,且能够保证温控稳定性。除了上述约束条件外,本文所讨论的温控系统还需要满足以下设计要求:
图1 红外探测器热沉结构安装示意图
1)完成6路红外探测器的温控,半导体制冷器在热端为25℃的条件下,制冷目标为-15℃,制冷温差大于40℃,考虑留有一定裕量,设计制冷目标温差为50℃,控温稳定性优于±0.1℃;
2)采用闭环控制方式,确保测量间隔内探测器温度波动最小;
3)由于红外探测器、热敏电阻、半导体制冷器(TEC)以及温控系统集成在一个密闭金属壳体内,需要尽量降低温控电路噪声对红外探测器输出微弱光电流信号的影响;
4)控制驱动电路需要具备过流保护功能,防止因某一路电路出现器件损坏引起整个驱动电路的失效;
5)探测器温控速率可调,升温速率和降温速率均在探测器控温速率范围内,防止快速升降温对红外探测器的寿命产生影响;
6)温控系统具备驱动电压和驱动电流实时监测的能力。
红外探测器高精度温控系统由温度信号产生模块、信号处理模块、主控模块及半导体制冷器驱动模块以及半导体制冷器构成,电路原理框图如图2所示。
图2 探测器温控系统原理框图
采用FPGA完成光电信号采集控制和探测器温度采集控制。温度信号产生模块和信号调理模块完成温度信号的产生和调理功能,以匹配温度采集模块的ADC输入信号范围。主控FPGA根据采集的温度信息来调节热电制冷器的驱动功率。
2.1.1 温度信号产生模块
温度信号产生模块用于将温度值(热敏电阻阻值)转换为电压值。对温度要求主要是稳定度较高,温度点的绝对值要求较低,所以分析时主要关心温漂对温度信号产生电路的影响。温度信号产生电路如图3所示,由基准电压源、精密电阻以及热敏电阻3部分构成,温度采集采用热敏电阻和精密电阻分压的方式,通过测量热敏电阻分压值即可获得当前热敏电阻阻值。电压基准选用AD公司的AD580SH,输出基准电压为2.5V。
图3 温度信号产生电路图
2.1.2 温度信号处理模块
探测器温控单元共测量6路温度信号,热敏电阻转换为电压信号后依次经过模拟开关、缓冲放大器进入模数转换器完成数字量化。
模拟开关选用美信公司生产的MAX354,具有8个输入通道,具有掉电高阻特性。
缓冲放大器选用OP27AZ,具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗,实现温度输出电路与ADC输入的阻抗匹配。同时将温度电压信号放大至适合ADC输入电压动态范围,减小量化误差影响。
ADC选用ADI公司的AD976ASD,量化位数为16位,转换速率可达200kps,满足系统更新速率要求。
2.1.3 主控模块
主控模块是探测器温度控制的核心部分,主要用来完成光电信号采集控制和探测器温度采集控制,并根据采集的温度信息来调节热电制冷器的驱动功率,主控芯片选用Xilinx公司提供的100万门FPGA XQR2V1000-4BG575R。使用EEPROM XCF16PVO 48C用于程序存储。
2.1.4 制冷器驱动模块
制冷器驱动电路采用三极管作为电流控制器件,数模转换器输出的控制信号经过缓冲放大后,控制三极管基极电流从而控制制冷器驱动电流,电阻作为电流采样电阻对各路驱动电流进行采样监控。制冷器驱动电路如图4所示。数模转换器AD664TD- BIP/883B,为12bit DAC,具备四路输出功能。
图4 制冷器驱动电路图
2.1.5 半导体制冷器
半导体制冷器(TEC)是一种依据帕尔帖效应工作的固体热泵。所谓帕尔帖效应,是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时,其一端吸热,一端放热的现象,值得注意的是,只要改变电流方向,就可以改变热流的方向,将热量输送到另一端[9]。在本系统中热沉控温器件选用的是美国马洛公司生产的NL2070型二级半导体制冷器,具有体积小,重量轻,制冷效率高,无噪音的特点。
2.2.1 温度控制策略
PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高,参数易于整定等优点而被广泛应用[10-11]。通过PID控制,大多数控制系统都能获得较好的控制效果,尤其对于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在本系统设计中,由于很难得到温度特性的精确数学模型,理论设计的控制器参数必须依靠现场调试。PID控制正好具备这种灵活性和适应性,并且能取得很好的控制效果。为缩短温度稳定时间,当温度偏差的绝对值|()|大于设定阈值时引入Bang-Bang控制,反之进入PID控制环节,构成了如图5所示Bang-Bang—PID复合控制系统,有效地缩短了过渡时间,使控制性能有了很大提高[12-13]。
图5 控制系统结构图
2.2.2 Bang-Bang控制[12-13]
Bang-Bang控制是一种时间最优控制,实际上是一种开关控制,具有加快系统响应速度,操作便捷,结构简单,经济性好等优点。Bang-Bang控制的目标函数总是取在容许控制的边界上,要么取最小值,要么取最大值,只在这两个数值上切换,所以系统也在两种状态下切换,提高了系统的快速性,从而实现最小时间最优控制。Bang-Bang控制的表达式见式(1):
式中:()为当前控制器输出量;max为其最大值;()为偏差;为设定阈值。
当|()|>时,控制器输出量()取最大值,当偏差较大时,可加速控制器输出量的跟踪收敛速度,加速的程度与阈值的选取有关。如果阈值取太大,Bang-Bang控制很容易造成超调,降低系统精度;如果阈值取太小,Bang-Bang控制不能充分发挥其优越性。合理选取阈值既可以减少超调量,又可以改善稳态误差。本文通过试验优化,设置阈值为2℃时较合理。
2.2.3 PID控制[13-14]
所谓PID控制器,就是同时具有比例、积分、微分控制作用的控制器,其控制方程可由式(2)表示:
式中:()为控制器输出;()为偏差值;p为比例系数;I为积分系数;D为微分系数。
把式(2)表示的PID控制规律的连续形式变为离散形式,即得式(3):
式中:0为采样时间;为采样序列号,=0, 1, 2, …,,()为采样时刻时的输出。
根据递推规律,可得(-1)的表达式,即式(4):
用式(3)减去式(4)可得其增量形式:
式(5)即为本系统PID控制算法实现的基础。
PID参数的整定方法各种各样,本文采用的是Roberts,P.D在1974年提出的简化扩充临界比例度整定法,又称为归一参数整定法[14]。将式(5)化为:
根据Ziegler-Nichols条件[15-16],令0=0.1K;I=0.5K;D=0.125K,式中K为纯比例环节的临界震荡周期,则:
这样就把问题简化为只要整定一个参数p。调试时,不断地改变p进行比较,直到取得最佳的控制效果。
2.2.4 温控系统软件设计
本系统软件设计核心部分为温度控制算法,其控制流程如图6所示。FPGA控制软件读取系统温度,将该温度与设定温度进行比较,计算出温度偏差,根据温度偏差决定是否采用Bang-Bang控制或PID控制。若偏差大于设定阈值,则采用Bang-Bang控制;若偏差小于等于设定阈值,则采用PID控制。
图6 控制算法流程图
系统搭建完成后,需要不断调整p的取值,通过对比温控稳定度、温度稳定时间等参数,以确定适合于系统应用的最优p值。由于当前可购买到的制冷器功率偏低,制冷能力有限,为进行原理性验证,设定目标温度为+15℃,对系统温控性能进行验证。图7为3个典型p值下的控温曲线。
环境温度为21℃,给系统设定温度为15℃,设定阈值为2℃。由图7可以看出,系统温度在17℃之前,3个不同p值的温度曲线重合,均处于Bang-Bang控制阶段,之后进入PID控制阶段,由于p值的不同,3条温度曲线呈现不同的控制效果。p=0A时,系统在20min内达到稳定温度,温度精度为±0.1℃,系统温度到达稳定的时间较长;p=0E时,系统在12min内达到稳定温度,温度精度为±0.1℃,但其后系统温度波动较大;p=0D时,系统6min内达到稳定温度,温度精度为±0.1℃,其后系统温度波动较小。可以看出当p为0D时,在满足控温精度的同时,具有最小的调整时间,因此0D为适合本系统的最优控制参数。
图7 Kp取值不同时温度控制效果比较
上述实验结果表明,使用本文所设计的硬件系统,结合Bang-Bang和PID复合控制算法,可以快速、准确地将探测器热沉控制在所需的目标工作温度,为实现探测器光敏面的精密控温提供保证。
在高精度辐射、偏振光信息测量的应用场合,红外探测器工作温度点以及温度稳定性是保证系统应用性能的关键。本文设计的红外探测器精密温控系统,采取了Bang-Bang和PID相结合的混合控制算法,通过Bang-Bang控制快速接近目标温度,通过PID实现高精度的稳定控制,采用两种方案相结合的方式,通过控制参数的优化调整,可以保证被控部件快速达到目标温度并进入稳定状态,能够满足对控温精度和稳定性要求较高的应用场合,有效剔除温度波动引入的测量误差,提高系统红外波段测量精度。
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Temperature Control System Design of Infrared Detector Based on Bang-Bang and PID Control
ZHU Shuangshuang1,2,3,ZOU Peng2,3,LU Meina2,3,ZHANG Aiwen2,3,LIU Zhenhai1,2,3,QIU Zhenwei2,3,HONG Jin2,3
(1.,230026,;2.,,230031,;3.,230031,)
An infrared detector is the core component of a spaceborne polarimetric detection load, which is used to implement short-wave infrared radiation and obtain the polarization information of photoelectric conversion. A short-wave infrared detector is required to operate at low temperatures to reduce the thermal noise and dark current to achieve better performance. In order to achieve the required working temperature conditions, the detector requires precise temperature control. This study introduces an infrared detector temperature control system regulated by an FPGA to achieve temperature signal acquisition and an output control signal, adopts the method of DAC control of the transistor drive current to drive the semiconductor refrigeration device and adopts the Bang-bang and PID control to achieve precise temperature control. The experimental results show that the temperature control precision is better than ±0.1℃, and the temperature is stable for less than 6 min. This temperature control system has a high-precision temperature control, temperature control speed, and other characteristics, which result in short-wave infrared polarization information measurement with high precision.
bang-bang control;PID control;temperature control;infrared detector;thermo electric cooler(TEC)
A
1001-8891(2017)11-0990-06
2017-05-19;
2017-08-23.
朱双双(1993-),男,安徽人,硕士研究生,主要研究方向为光电检测技术。E-mail:zhuss@mail.ustc.edu.cn。
邹鹏(1983-),男,副研究员,博士,主要研究方向为光电探测与信号处理。E-mail:pzou@aiofm.ac.cn。
国家自然科学基金(41405037)。