基于模糊PID控制理论的半导体激光器温控系统的研究

来源：爱go旅游网

摘要

基于模糊PID控制理论的半导体激光器

温控系统的研究

学科：测试计量技术及仪器

研究生：邢俊红签名：指导教师：焦明星教授签名：答辩日期：2006年3月

摘要

半导体激光器(LD) 广泛用于干涉测量、全固态激光器（DPSSL）等领域。众所周知，温度对LD的输出波长有很大影响，研究结果表明：温度每变化1℃，LD的中心波长漂移约0.3nm。因此，严格控制LD的工作温度很有必要。本文以中小功率LD的温度为研究对象，以MCS-51系列单片机作为控制器，采用半导体制冷器（TEC）作为温度控制的执行元件，研制了一种高稳定度LD温度控制系统。

论文主要包括以下五方面内容：第一，分析了温度对LD输出特性的影响，介绍了LD温度控制技术的研究现状。第二，提出了基于自动控制理论的LD温度控制系统研究方案，并对该方案进行了可行性分析。第三，以模糊PID控制理论为基础，设计了模糊PID控制器作为LD温度控制系统的核心，其设计方法是：首先，以临界比例度法确定PID参数的初始值；其次，以LD设定温度与测量温度之间的偏差和偏差变化作为控制器的输入，根据PID各个参数与偏差和偏差变化率之间的模糊关系，利用模糊控制原理实时调整PID控制中的比例系数、积分时间和微分时间；最后，输出数字控制量并经D/A转换、功率放大后驱动TEC工作，从而达到控制激光器工作温度的目的。第四，设计了硬件系统和软件系统，并进行了系统的抗干扰设计。第五，建立了LD温度控制实验系统，用该系统对输出功率为1W的LD进行了温度控制实验研究。研究结果表明：LD的温度在10℃～40℃温控范围内可以任意设定，控温稳定度优于0.2℃，调节时间大约是3分钟。

关键词：半导体激光器，半导体致冷器，温度控制，模糊PID控制

Abstract

STUDY OF LD TEMPERATURE CONTROL SYSTEM BASED ON

FUZZY-PID CONTROL THEORY

Subject: Measurement Technologies and Instrumentations

Candidate: Xing Junhong Signature Supervisor: Prof. Jiao Mingxing Signature Date: March 2006

Abstract

Semiconductor laser diode (LD) has wide applications in many fields such as interferometry and LD-pumped solid-state laser (DPSSL), etc. As is known that LD wavelength is temperature-tunable, research results indicate that LD wavelength drifts by ~0.3 nanometer when the LD temperature changes by 1℃. So it is essential to control LD temperature strictly. The temperature control of small or middle power LD is investigated in this thesis, and a kind of high stability LD temperature control system has been developed, which takes MCS-51 as the controller and thermoelectric cooler (TEC) as the temperature control conduct device.

The thesis mainly includes five parts as follows: First, the influence of temperature on LD output characteristics is analyzed and the research status of LD temperature control techniques is investigated. Second, on the basis of the theory of automation control, the design scheme is presented and its feasibility is analyzed. Third, as the key unit of the control system, the fuzzy PID controller is designed based on the fuzzy PID control theory. The design process is as follows: Above all, the method of critical proportional band is used to get the initial value of parameters of digital PID. Then the temperature deviation and its change rate of LD are input to the controller, the three parameters of digital PID, which are proportional coefficient, integral and differential time, are modified real-time according to the fuzzy relationship. Finally, the digital controlled quantum can be produced, D/A converted, power-amplified to drive the TEC element, thus the purpose of controlling LD temperature is achieved. Forth, the hardware and software are designed. Fifth, the LD temperature control system has been established, and it has been used to control the temperature of a LD with an output optical power of one watt. The experimentally obtained results indicate that the LD temperature can be set within the range of 10℃～40℃, and the

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stability of temperature control system is better than 0.2℃, and the adjustive time is about 3 minutes.

Keywords: Laser diode (LD), thermoelectric cooler (TEC), temperature control,

fuzzy-PID control.

III

1 绪论....................................................................1

1.1 半导体激光器简介..............................................................1 1.2 温度对LD特性的影响...........................................................2 1.3 LD温度控制器的研究现状.......................................................3 1.4 课题的主要研究内容............................................................4

2 模糊PID控制理论........................................................5

2.1 PID控制原理..................................................................5 2.2 数字PID控制器................................................................6

2.2.1 位置式PID控制算法.....................................................6 2.2.2 增量式PID控制算法......................................................7 2.3 模糊控制原理..................................................................7

2.3.1 模糊控制概述............................................................7 2.3.2 模糊控制系统............................................................8 2.3.3 模糊控制器结构..........................................................9 2.4 模糊PID控制.................................................................10

2.4.1 常用的模糊PID控制器...................................................11

3 方案设计及可行性研究...................................................13

3.1 闭环控制系统.................................................................13 3.2 LD温度控制系统方案设计......................................................14 3.3 方案可行性研究...............................................................14

4 模糊PID控制器的设计...................................................16

4.1 模糊控制器的结构选择.........................................................16 4.2 模糊规则的选取...............................................................17

4.2.1 确定语言变量...........................................................17 4.2.2 确定语言值的隶属度函数.................................................18 4.2.3 建立模糊控制规则.......................................................20 4.3 模糊推理和模糊判决...........................................................21

5 硬件设计...............................................................24

5.1 温度检测电路设计.............................................................24

5.1.1 温度传感器的选择.......................................................24 5.1.2温度检测电路设计.......................................................25 5.2 温度信号的采集、控制与显示电路...............................................26

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5.2.1 A/D转换电路...........................................................26 5.2.2 D/A转换电路...........................................................27 5.2.3 显示电路..............................................................28 5.3 TEC驱动电路.................................................................29

5.3.1 TEC 的工作原理........................................................29 5.3.2 TEC驱动电路设计.......................................................30 5.3.3 TEC使用注意事项.......................................................31 5.4 硬件抗干扰设计..............................................................31

6 软件设计................................................................33

6.1 软件概述....................................................................33 6.2 程序模块及流程图............................................................33

6.2.1 主程序模块............................................................33 6.2.2 采集与数字滤波模块....................................................34 6.2.3 显示程序模块..........................................................35 6.2.4 模糊PID控制算法程序..................................................35 6.3 软件抗干扰技术..............................................................36

7 实验与总结..............................................................38

7.1 系统调试....................................................................38 7.2 实验过程与实验现象..........................................................38 7.3 实验结论....................................................................41

致谢......................................................................44 参考文献..................................................................45 在校学习期间所发表的论文..................................................47

绪论

1 绪论

1962年，世界上第一个GaAs半导体激光器问世。经过四十余年的发展，半导体激光器已由早期的同质结、单异质结、双异质结发展到量子阱、应变量子阱及分布式结构和垂直腔结构等，今天的自组装量子点和单级型量子级联结构也正在蓬勃发展。半导体激光器的出现，不但为光通讯发展奠定了基础，而且为整个激光技术的发展注入了活力，并在我们日常生产、生活中变成最广泛、最重要的激光器件。

1.1 半导体激光器简介

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馈制作的一类半导体器件。常用的半导体材料有砷化钾（GaAs）、硫化镉（CdS）、磷化铟（InP）、硫化锌（ZnS）等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式，前一种激励方式的器件也称注入型半导体激光器或激光二极管，是半导体激光器的主流；后两种激励方式的器件难于实用化。

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、易于调制等有利因素【1】。具体而言，与其它类型的激光器相比，LD有以下无可比拟的优点：

（1）LD是直接的电子-光子转换器，它的转换效率很高，其电光转换效率高达 50%以上；

（2）LD的使用寿命最长。目前用于光纤通讯的LD，其工作寿命可达数十万乃至百万小时，用于固体激光器泵浦源（DPSSLS）及材料加工的千瓦级大功率半导体激光器，其工作寿命可达一万小时以上；

（3）多种泵浦方式。泵浦方式主要有电注入，光泵浦，高能电子束泵浦将电能转化为光能，通过改变泵浦电流实现对激光调制。调制方式简单，只要对注入电流进行调制，便可获得调制了的输出激光，并且具有高的直接调制能力（20 GHz）；

（4）体积小、重量轻、性能价格比高；

（5）多数LD在低温下 CW 运转，也已实现室温 CW 运转，还可以做成调 Q 和锁模激光器。

这些优异的特性使得LD在光通信、光信息存取、激光印刷与复印、泵浦大功率固体激光器、激光材料加工、激光武器、测距、激光雷达、生物和医学等领域获得了非常广泛的应用

【2】

。例如，信息技术正在深刻地影响着国民经济和国防建设的各个领域，LD成为

信息技术的关键器件，发展十分迅猛；LD已经用于光盘存储器，其最大优点是存储信息量很大；远红外可调谐LD用于环境气体分析，检测大气污染、汽车尾气等；表面发射LD是光并行处理系统的理想光源，可用于光计算和光神经网络；LD可以作为某些固体

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激光器的泵浦源，这种以LD为泵浦源的固体激光器（DPL）以其紧凑、长寿命、高稳定、高效率和全固态的优点而倍受关注，被广泛用于光谱、相干通信、激光雷达、引力波探测、二次谐波产生、参量振荡及压缩态光场产生等领域。

1.2 温度对LD特性的影响

尽管LD是理想的电子——光子直接转换器件，有很高的量子效率，但是由于存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效率只能达到20%～30%，这意味着相当部分注入的电功率将转化为热量，引起激光器温度升高温度密切相关。

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Ith随有源区温度的变化ΔT的关系一般为：

Ith(T+ΔT)=Ithexp(ΔTT0) （1.1）

（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，激光器的平均和最大输出功率都会减少，功率波动变大。理想情况下，LD的 P－I 关系是线性曲线，温度的变化将引起LD的 P－I 特性曲线非线性畸变，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区材料有关，约为 0.2～0.3nm/℃；在电流恒定的情况下，温度每升高 1℃，激光波长将增加大约 0.2～0.3nm。

（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，壳温每升高 25℃，其器件寿命减少一半。

综上所述，温度对LD的参数如波长、寿命、输出功率等都有很大的影响。因此，对于要求LD输出波长准确、稳定的应用领域，必须严格控制LD的温度。例如，在LD泵浦固体激光器中，为了使整个 DPL激光器输出功率稳定、效率高， LD光谱必须和固体激光器工作物质的吸收谱相匹配，因此,为了稳定LD的中心波长，必需对LD的温度进行严格控制；在密集波分复用（DWDM）系统中，激光束的波长会随着温度变化而变化，只有保持一个精确稳定的激光器温度才能无串扰地分辨出每一个波长的激光信号。所以，为了LD的进一步应用，我们需要对其温度的稳定采取相应的控制措施。那么，目前LD

【3】

。然而，

LD是对温度很敏感的器件，许多参数，包括波长、阈值电流、输出功率和寿命等，都与

绪论

温度控制系统的发展状况如何呢？下面就来介绍一下。

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。

WAVELENGTH 公司的恒温控制器产品主要型号有 MPT 系列、PID 系列、HTC 系列和 FPT 系列；

IXLight 公司的恒温控制器产品主要型号有 LD5525 系列、LD3700 系列；THORLABS 公司的恒温控制器产品主要型号有 TEC2000 系列； McShane 公司的恒温控制器产品主要型号有 5C7 系列；

Liner 以及 Analog Devices 等公司都推出了专用的热电制冷控制器芯片，如 Liner 公司的 LTC1923，Analog Devices 公司的 ADN8830，TI 公司的 DRV593 等。

在这些温度控制器中，以 WAVELENGTH 公司的 FPT 系列的恒温控制器精度最高、稳定性最好。例如，FPT-4000（台式机）在-99～+150 ℃温度范围内长期稳定度< 0.005 ℃，半导体致冷器最大输出电流为-4～+4 A，最大输出功率达20 W。其主要特点：由模拟器件构成，没有与微机通讯的接口电路；可任意选择热敏电阻、RTD、集成温度传感器 AD590 或 LM335 作为温度传感器件；半导体致冷器具有独立的限流电路，输出电流被限制到一定范围内；采用过热保护电路，确保温度控制器失灵情况下LD的安全。

尽管国外产品的控温精度高、稳定性好，但价格昂贵，上面提到的FPT-4000的价格大约是2000 美元。

国内研究、生产专门用于激光器的温度控制器相对较少，产品基本上为时间比例调节、固定参数PID调节等。广州奥科自动控制设备有限公司是比较出色的一家，它们生产的 XMCT 系列温度控制器(模块式)具有较高的性能指标，实用性强、可靠性较高，具有上下限报警功能，在-19.9～+99.9℃控制温度范围内，分辨率为 0.1℃。中国科学院安徽光学精密机械研究所利用数字式温度传感器DS18B20构造大功率LD恒温致冷系统，控温精度达到±0.1℃【4】；中国工程物理研究院流体物理研究所江孝国等人采用PID控制技术，研制的LD用温度控制系统，在18℃～25℃温度范围内，控温的稳定度优于±0.1℃【5】；天津大学精密仪器与光电子工程学院周瑜等人采用热敏电阻作为测温元件，以半导体致冷器作为控温执行元件，利用高共模抑制比、高输入阻抗的运算放大器和模拟PID，研制了一种LD用高精度温度控制仪，控制精度可达±0.05℃

【6】

,…… 尽管这些温度控制系统

控温精度较高，但控温范围较窄，使其应用范围受到一定的限制，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。

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1.4 课题的主要研究内容

本课题得到西安理工大学青年教师攻读硕士学位科研基金（项目批准号：102-210411）的资助，主要研究内容包括以下几个方面：

（1）分析温度对LD输出特性的影响及LD温度控制的研究现状；介绍模糊PID控制理论；提出LD温度控制系统的设计方案，并分析了方案的可行性。

（2）基于模糊PID控制理论，详细介绍模糊PID控制器的设计方法和步骤。（3）设计了硬件系统和软件系统，并进行了系统的抗干扰设计。硬件设计主要包括温度检测电路、温度信号采集与控制电路和半导体制冷器驱动电路的设计；软件设计主要包括温度数据采集、滤波、显示和控制算法等模块的软件实现。

（4）建立LD温度控制实验系统，进行系统调试和实验研究，给出了实验结果和分析结论，提出改进方案。

第二章模糊PID控制理论

2 模糊PID控制理论

2.1 PID控制原理

PID控制是传统的工业控制方式，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。由于其原理简单、物理意义明确、直观、易于实现、鲁棒性能好等一系列优点，大多数反馈控制均使用该方法或其较小的变形来控制。

PID控制器产生并发展于1915～1940年期间。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断涌出，但PID控制器以其结构简单及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。至今在全世界过程控制中用的 84%仍是纯 PID 调节器，若改进型包含在内则超过90%。

PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制器【7】，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:

给定量+ - 反馈信号比例误差积分微分+传感器+被控对象被控制量图2-1 PID控制器结构图

Fig.2-1 Structure diagram of PID controller

u(t)=KP[e(t)+

1de(t)e(t)⋅dt+T]dTi∫dt

（2.1）

其中: u(t)：控制器的输出；

e(t)：控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；

KP：控制器的比例系数；

Ti：控制器的积分时间； Td：控制器的微分时间。

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，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。

具体来讲，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

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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Ti对积分部分的作用影响极大。当Ti较大时，则积分作用较弱，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Ti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Td决定。Td越大，则它抑制e(t)变化的作用越强，Td越小，它反抗e(t)变化的作用越弱。它对系统的稳定性有很大的影响。

2.2 数字PID控制器

由于近年来微机技术的迅猛发展，实际应用中大多数采用数字PID控制器。PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样数据控制系统。进入计算机的连续时间信号，必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近，其中经常采用的有位置式和增量式PID控制算法。

2.2.1 位置式PID控制算法

在数字计算机中，PID 控制规律的实现，也必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，式（2.1）中，用求和代替积分，用差商代替微商，就得到数字 PID位置型控制算式，如下式（2.2）所示： u(k)=Kp[e(k)+其中，k：采样序号，k=0,1,2…；

∑e(i)+T

i=0

e(k)−e(k−1)

] （2.2）

u(k)：第k次采样时刻的计算机输出值； e(k)：第k次采样时刻输入的偏差值； e(k−1)：第k−1次采样时刻输入的偏差值；

T:采样周期。

由于计算机输出的u(k)直接去控制执行机构(如阀门)，u(k)的值和执行机构的位置(如阀门开度)是一一对应的，所以，式（2.2）被称为位置式PID控制算式。

这种算法的缺点是，由于全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实

第二章模糊PID控制理论

际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制算法。

2.2.2 增量式PID控制算法

所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δu(k)。当执行机构需要的是控制量的增量时，根据递推原理，由式（2.2）可得：

e(k−1)−e(k−2)Tk−1

] （2.3） u(k−1)=KP[e(k−1)+∑e(i)]+TD

TTii=0

（2.2）与（2.3）两式相减，导出提供增量的PID控制算式：

Δu(k)=KP{e(k)−e(k−1)+e(k)+[e(k)−2e(k−1)+e(k−2)]} （2.4）

可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了KP,Ti ,

Td只要使用前三次测量值的偏差，即可由式（2.4）求出控制增量。

采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Δu(k)对应的是本次执行机构位置(例如阀门开度)的增量。

PID控制中的一个关键问题是PID参数整定，PID 的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。传统的整定方法是在获得控制对象数学模型的基础上按照某种整定原则进行PID参数整定，而实际的生产过程往往具有非线性、时变不确定性，难以建立精确的数学模型等情况。因此，常规PID控制器参数常常整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。经过50多年的研究，人们在实践中不断总结经验，不断改进，在参数整定方面取得了很多成果。出现了诸如自校正PID，预估PID、模糊PID、神经网络PID和非线性PID等改进型的控制器。下面来较为详细的介绍模糊

PID控制，首先介绍模糊控制原理。

2.3 模糊控制原理

传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂，建立精确的数学模型特别困难，甚至不可能的。这种情况下，人们期望有一种不依赖于数学模型的控制方法，模糊控制方法就应运而生了。

2.3.1 模糊控制概述

模糊控制是以模糊集合、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种控制方式。它模仿人的思维通过把精确量模糊化，通过模糊推理，然后经过清晰化处理得到控制量。

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模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 L.A.Zaden 在1965年首先提出的

【8】

，经过40多年的发展，模糊控制取得了瞩目的成就。模糊控制是一种基于规则的控

制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透、理论性很强的科学技术，实现这种模糊控制技术的理论，称为模糊控制理论【9】。模糊控制理论诞生后，由于它具有明显的优点，主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统，它模仿和升华了人的控制经验与策略，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，因此，与经典的控制方法相比，更有工程意义。

模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用，即鲁棒性较好。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性来看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它现在已成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式。

2.3.2 模糊控制系统

模糊控制系统是以模糊数学、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，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器。模糊控制系统组成框图如图2-2所示【10】。由图可知，模糊控制系统和常见的负反馈控制系统很相似，唯一不同之处是模糊控制装置是由模糊控制器来实现。模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出(I/O)接口、执行机构、被控对象和测量装置等五部分组成。

模糊控制系统的被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量的、有滞后或无滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强耦合和干扰等多种情况。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。

执行机构除了电气的，如各类交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机等以外，

图2-2 模糊控制系统组成框图 Fig.2-2 Schematic diagram of fuzzy control system

第二章模糊PID控制理论

还有气动的和液压的，如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。

在实际系统中，由于多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量。因此，模糊控制系统与通常的全数字控制系统或混合控制系统一样，必须具有模/数(A/D)、数/模(D/A)转换单元。

测量装置是将被控对象的各种非电量，如流量、温度、压力、速度、浓度等转换为电信号的一类装置。通常由各类数字的或模拟的测量仪器、检测元件或传感器等组成。它在模糊控制系统中占有十分重要的地位，其精度往往直接影响整个系统的性能指标，因此要求其精度高、可靠且稳定性好。

2.3.3 模糊控制器结构

模糊控制器是控制系统中的核心部分，其功能的实现是要先把计算机观测控制过程得到的精确量转化为模糊输入信息，按照总结人的控制经验及策略取得的语言控制规则进行模糊推理和模糊决策，求得输出控制量的模糊集，再经模糊判决得出输出控制的精确量，作用于被控对象。使被控过程达到预期的效果。因此，模糊控制器的结构通常是由它的输入和输出变量的模糊化、模糊推理算法、模糊合成和模糊判决等部分组成。一般常用的是二维模糊控制器，即以偏差和偏差变化率作为输入，如图 2-3所示。

图2-3 模糊控制器的基本结构框图 Fig.2-3 Schematic diagram of fuzzy controller

X 模糊控制器

ee deΔe dt模E模糊糊化EC推理U模糊判决u控制对象 Y 图中，X为设定值，Y为输出量，e和Δe分别为控制偏差和偏差变化率，E和EC分别e和Δe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Δe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

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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。模糊推理是控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。

(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）。模糊推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量输出。

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。模糊控制器实际上就是一个微机系统，它的绝大部分功能都是由计算机程序来完成的，随着专用模糊芯片的研究和开发，也可以由硬件逐步取代各组单元的软件。

尽管模糊集理论的提出至今只有40年，却得到了极大的发展，关于模糊理论和算法、模糊推理、工业控制应用、模糊硬件与集成、以及稳定性研究等方面的许多重要论文都极大地促进了模糊控制理论的应用与发展。最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数(或规则)自调整模糊系统方面的研究，尤其受到重视。目前模糊控制技术日趋成熟和完善。模糊控制在化工、机械、冶金、工业窑炉、水处理、食品生产、家电产品等诸多领域中得到应用。

虽然模糊控制器存在诸多优点，但其本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而 PID 控制正好可以弥补其不足，近年来已有不少将模糊技术与PID技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例【11-13】。

2.4 模糊PID控制

尽管常规PID控制器是过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器，然而常规PID控制器不能在线整定参数，并且常规PID控制器对于非线性、时变得复杂系统和模型不清楚的系统就不能很好的控制，其PID参数不是整定非常困难就是根本无法整定，因而不能得到预期的效果。常规的二维模糊控制器是以偏差和偏差变化作为输入变量，因此，一般认为这种控制器具有模糊比例和微分控制作用，而缺少模糊积分控制作用，因而在模糊的控制系统中又很难完全消除稳态误差，而且在变量分级不够多的情况下，常常在平衡点附近有小的振荡现象，难以达到较高的控制精度，而 PID控制正好可以

第二章模糊PID控制理论

弥补其不足。但模糊控制器对复杂的和模型不清楚的系统却能进行简单而有效的控制。如果把这两种方法结合起来，就可以构成兼有这两者优点的模糊PID控制器。

模糊PID控制是在一般PID控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。它以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的e和ec对参数自整定的要求。它将模糊控制和

PID控制器两者结合起来，扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。

2.4.1 常用的模糊PID控制器

常用的模糊PID控制器有两种, 复合式模糊PID控制器和PID参数自整定的模糊控制器【14】。

a.复合式模糊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【15】。 b. PID参数自整定的模糊控制器

图2-4 复合式模糊PID控制器 Fig.2-4 Compoundfuzzy PID controller

输入 e模糊控制器对象PID控制器输出 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、Ti和TD，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e和偏差变化率ec，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e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，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e和ec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：

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模糊化 EEC模糊推理器 ΔKΔTΔT

pidR e de/dtPID调解器对象ec图2-5 PID参数自整定的模糊控制器

Fig.2-5 Fuzzy controller of adaptive adjustment of PID parameters

第三章方案设计及可行性研究

3 方案设计及可行性研究

课题的目标是实现关于LD温度的时时、准确并且稳定的自动控制。所谓自动控制【16】，就是在没有人直接参与的情况下，利用控制装置，对生产过程、工艺参数、目标要求等进行自动的调节与控制，使之按照预定的方案达到要求的指标。自动控制系统则是为实现某一个控制目标所需要的所有物理部件的有机组合体。控制系统按其结构可分为开环控制系、闭环控制系统( Closed-Loop Control System)和复合控制系统（Open-loop Control System）

统。由于开环控制系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，控制精度较低，因此工程实际中一般采用闭环控制系统。

3.1 闭环控制系统

如果系统输出量，通过反馈环节返回来，作用于控制部分，形成闭合回路，这样的系统称为闭环控制系统。由于闭环系统是根据负反馈原理按偏差进行控制的，因此又称为反馈控制系统(Feedback Control System) 或偏差控制系统。闭环控制结构如图3-1所示。

反馈量检测装置给定量偏差控制器扰动量输出量控制对象图3-1 闭环控制系统结构图

Fig.3-1 Schematic diagram of closed loop control system

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3-2所示。图 3-2是按照偏差原

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3-2 控制系统结构框图

Fig.3-2 Schematic diagram of control system

则构成的控制系统的典型结构图，不管外部扰动或内部扰动何时发生，只要出现偏差量，系统就利用这一偏差去纠正输出量的偏差。本系统据此设计了一种LD温度的控制系统。

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3.2 LD温度控制系统方案设计

LD温度控制系统结构框图如图3-3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。

可见控制器是温控系统的核心，控制算法将直接影响温度控制系统的控制性能，系统采用了控制灵活、适应性强、控制精度高的模糊PID控制器；另外，执行机构的选择也对系统起着举足轻重的作用，LD温度系统采用了体积小，重量轻，结构简单，无噪声，寿命长，可靠性高，启动快的半导体致冷器作为执行机构【17】。

温度传感器图3-3 LD温度控制系统结构框图

Fig.3-3 Schematic diagram of LD temperature control system

设定温度 A/D 控制器D/A执行机构LD 3.3 方案可行性研究

自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业得到广泛应用。至于LD温度控制系统的研究，国内外也作了很多工作，在测温元件的选取，控制方法和加热致冷装置等方面做出了不同的尝试，给这方面研究工作提供了许多宝贵经验【18-19】。

其中控制方法是温控系统的核心。最常用的控制方法是PID控制。PID控制是传统的工业控制方式，它具有直观、易于实现、鲁棒性能好等一系列优点，在大多数情况下可以满足性能要求，在现有的控制方案中，PID控制占了80%以上。PID控制中的一个关键问题是PID参数整定，经过50多年的研究，人们在实践中不断总结经验，不断改进，在参数整定方面取得了很多成果。模糊PID控制器将模糊控制和PID控制器两者结合起来，既具控制灵活而适应性强的优点，又具有控制精度高的特点，对复杂控制系统和高精度伺服系统具有良好的控制效果。目前世界上已研制出各种专用硬件模糊控制器（模糊芯片），进入90年代以来，美、日、德等国家和我国也已研制开发了各种模糊控制的软件

第三章方案设计及可行性研究

开发工具。另外，由于单片机用作模糊控制器，结构简单、操作方便，应用广泛，系统采用了单片机作为模糊控制器。

系统采用半导体致冷器作为执行元件。半导体制冷又称热电制冷，根据热电效应技术的特点，当致冷器有电流流过时，在它的两个面上将分别产生吸热和放热现象。并且电流流向相反时，吸热面和放热面也相反。因此只要控制流过致冷器电流的大小和方向，就能。半导体致冷器特别适用于有对激光器进行致冷或加热，从而控制激光器的工作温度【20-22】限空间的致冷或加热。

综上所述，模糊PID控制器根据LD温度与设定温度之间的偏差计算出数字控制量，经D/A转换后驱动致冷器对被控对象LD进行加热或制冷，达到温度控制的目的，此方案是切实可行的。

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4 模糊PID控制器的设计

模糊控制系统的核心部分为模糊PID控制器，有了前面的理论基础，我们就可以根据需要设计出使用的模糊PID控制器，模糊PID控制器设计主要分为以下步骤【23】：

（1）选择模糊控制器的结构，确定控制器的输入和输出变量；

（2）选择模糊规则，即选择适当的模糊语言变量，确定各语言变量的隶属度函数，最后建立模糊控制规则；

（3）模糊推理和模糊判决，得到模糊控制查询表；

（4）根据实验结果，分析模糊PID的控制性能，再对量化因子和比例因子进行调整以达到理想的控制效果。

4.1 模糊控制器的结构选择

所谓模糊控制器的结构选择，就是确定模糊控制器的输入输出变量【24】。模糊控制器的结构对整个系统的性能有较大的影响，必须根据被控对象的具体情况，合理选择。

一维模糊控制器的输入变量选择为受控变量和输入给定的偏差量。由于仅仅采用偏差值，很难反映受控过程的动态特性品质，因此所能获得的系统动态性能往往不能令人满意。这种一维模糊控制器常被用于一般被控对象。二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的偏差和偏差变化，由于它们能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，因此在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，是目前采用较广泛的一类模糊控制器。三维模糊控制器的三个输入变量分别为系统偏差量、偏差变化量和偏差变化的变化率。由于这类模糊控制器结构较复杂、推理运算时间长，因此除非对动态特性要求比较高的场合，一般较少选用这类模糊控制器。

从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精密。但是，维数越高，模糊控制规则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这或许是目前人们广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在。

由于系统受控对象LD温度具有非线性与时滞性，为了得到良好的控制性能，不仅要观测系统的温度偏差E，同时应该观测其偏差变化EC的趋势，因此，系统采用的是二维模糊控制器，输入变量取为温度偏差E和偏差变化EC，输出变量为PID参数的修正量ΔKP、

ΔTi、ΔTd，这样就构成了一个双输入三输出的模糊控制器。如图4-1所示。

EE ddt二维EC模糊控制器ΔKPΔTiΔTd图4-1 二维模糊控制器结构图

Fig.4-1 Schematic diagram of two-dimensional fuzzy controller

第四章模糊控制器的设计

4.2 模糊规则的选取

模糊规则是由若干语言变量构成的模糊条件语句，它们反映了人类的某种思维方式。但客观世界中并没有现成的控制规则，它需要设计者根据模糊控制器的结构，从大量的观察和实验数据中提取，经过去伪存真、去粗存精的过程，形成一系列用模糊条件语句描述的语言控制规则。模糊规则的选择过程可简单分成三个部分，即选择适当的模糊语言变量，确定各语言变量的隶属度函数，最后建立模糊控制规则。

4.2.1 确定语言变量

需要确定的语言变量有5个，即误差、误差变化和输出变量为PID参数的修正量。人对数值的模糊量一般用大、中、小，再加上正负来表示。误差、误差变化和输出等语言变量的语言值，一般取为{负大，负大、，零，正小，正大}，或{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，或{负大，负中，负小，负零，正零，正小，正中，正大}这三种。

假设设定温度为T0，LD当前实际温度为Ti，则误差e=Ti-T0，取其语言变量为E，论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，论域上模糊子集是Ai（i=1，2，3，…，7），相应语言值为{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），负小（NS），负中（NM），负大（NB）}，分别表示LD当前实际温度相对于设定温度为“极高”、“很高”、“偏高”、“正好”、“偏低” 、“很低”和“极低”。

温度误差变化为两次采样值之差，ec=Ti−Ti−1，取其语言变量为EC，论域为{1，2，3，4}，论域上模糊子集是Bj（j=1，2，3，4），相应语言值为{很大（VB），大（B），中（M），小（S）}，分别表示LD当前实际温度的变化为“极快”、“很快”、“快”和“较慢”。

PID参数的修正量Δkp、Δti和Δtd的语言变量分别为ΔKP、ΔTi和ΔTd，ΔKP与ΔTd

的论域均为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，论域上模糊子集是Ck和Dk（k=1，2，3，…，7），相应语言值为{正大（PB），正中（PM），正小（PS），零（ZO），负小（NS），负中（NM），负大（NB）}，分别表示当前值相对于初始值为“极大”、“很大”、“偏大”、“正好”、“偏小”、“很小”和“极小”；ΔTi的论域为{-2，-1，0，1，2}，论域上模糊子集是Gl（l=1，2，…，5），相应语言值为{正大（PB），正小（PS），零（ZO），负小（NS），负大（NB）}，分别表示当前值相对于初始值为 “很大”、“偏大”、“正好”、“偏小”和“很小”。

众所周知，任何物理信号都是有界的，在模糊控制系统中，这个界限一般称为改变量的基本论域。在确定了基本论域和模糊集论域后，量化因子也就确定了。表4-1给出了个变量的基本论域、模糊论域和量化因子。

西安理工大学硕士学位论文表4-1 语言变量参数表

Tab.4-1 Parameters of language variables

语言变量基本论域模糊论域量化因子

E [-2,2] [-2,2] 1

EC [-0.2,0.2] [-0.2,0.2]

ΔKP

[-10,10] [-10,10]

ΔTi

[-0.01,0.01] [-0.01,0.01]

ΔTd

[-2,2] [-2,2] 1

4.2.2 确定语言值的隶属度函数

模糊语言值实际上是一个模糊子集，而语言值最终是通过隶属度函数来描述的。语言值的隶属度函数又称为语言值的语义规则，它有时以连续函数的形式出现，有时以离散的量化等级形式出现。连续的隶属度函数和离散的量化等级各有自己的特色，例如连续的隶属度函数描述比较准确，而离散的量化等级简洁直观。需要指出的是，隶属度函数在大多数情况下，是根据经验给出的，因此具有较大的随意性。这即使设计者由可能获得较为满意的控制效果，也是设计过程充满主观色彩。

控制系统中常见的几种隶属度函数类型有三角形型和高斯型，采用量化的隶属度函数也是常用的方法之一。系统根据经验采用了量化的隶属度函数来确定各语言值的隶属度。E、EC、ΔKP、ΔTi和ΔTd的隶属度分别如表4-2，4-3，4-4，4-5，4-6所示。

表4-2 隶属度μE(e)

Tab.4-2 Membership function of μE(e)

μE(e) E 等级 -3 -2 -1 0 1 2 3

PB 0 0 0 0 0.4 0.8 1 PM 0 0 0 0.2 0.8 1 0.4 PS 0 0 0 0.7 1 0.8 0.4 Z0 0 0.4 0.8 1 0.7 0.2 0 NS 0.2 0.8 1 0.4 0 0 0 NM 0.8 1 0.4 0 0 0 0 NB 1 0.8 0.2 0 0 0 0 第四章模糊控制器的设计

表4-3 隶属度μEC(ec)

Tab.4-3 Membership function of μEC(ec)

μEC(ec)EC 等级 VB B M S 1 0 0 0.21 2 0 0.21 0.43 0.71 0.40 4 1 0.70.20 表4-4 隶属度μ(ΔKP) Tab.4-4 Membership function of μ(ΔKP) μ(ΔKP) ΔKP 等级 PB PM PS Z0 NS NM NB -3 0 0 0 0 0 0.4 1 -2 0 0 0 0 0.41 0.4 -1 0 0 0 0.41 0.4 0 0 0 0 0.41 0.40 0 1 0 0.41 0.40 0 0 2 0.41 0.40 0 0 0 3 1 0.40 0 0 0 0 表4-5 隶属度μ(ΔTi) Tab.4-5 Membership function of μ(ΔTi) μ(ΔTi) ΔTiPB PS Z0 NS NB 等级 -2 0 0 0 0.41 -1 0 0 0.41 0.4 0 0 0.41 0.40 1 0.41 0.40 0 2 1 0.40 0 0

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表4-6 隶属度μ(ΔTd)

Tab.4-6 Membership function of μ(ΔTd)

μ(ΔTd) ΔTd 等级 -3 -2 -1 0 1 2 3 PB 0 0 0 0 0 0.51 PM 0 0 0 0 0.51 0.5PS 0 0 0 0.41 0.50 Z0 0 0 0.41 0.40 0 NS 0 0.51 0.40 0 0 NM 0.51 0.50 0 0 0 NB 1 0.5 0 0 0 0 0 4.2.3 建立模糊控制规则

模糊控制规则的选择是设计模糊控制器的核心。它实质上是将操作人员的控制经验加以总结得出一条条模糊条件语句的集合。确定模糊控制规则要遵循的原则是：当误差较大时，控制器的输出应尽力使误差减小。当误差较小时，处了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的超调，甚至振荡。也就是说要保证控制器的输出能够使系统输出相应的动态性能达到最佳。

常用的建立模糊控制规则有经验归纳法和合成推理法。一般采用经验归纳法。所谓经验归纳法，就是根据人的控制经验和直觉推理，经整理、加工和提炼后构成模糊规则系统的方法。

根据控制系统中对过渡过程要求和专家经验，对参数ΔKP、ΔTi和ΔTd的自整定要求如下【25】：

在控制起始阶段，即当误差e较大时，适当把ΔKP放在较小档次，以减小各种物理量初始变化的冲击；同时为了避免系统饱和非线性等影响所产生的积分饱和，ΔTi应小一些；加大微分作用可以减小系统超调。

当e和ec处于中等大小时，适当加大ΔKP以提高快速性和动态精度；ΔTi应该适中，不宜过大，以避免对动态稳定性造成影响；ΔTd应该小一些，且在这期间保持不变。

当较小e即接近于设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应减小ΔKP；同时减小ΔTi，以减小系统静态，提高控制精度；应进一步减小ΔTd，增加系统对扰动的抑制能力。

模糊控制规则通常由一系列的关系词连接而成，如if，and，else。关系词必须经过翻译才能将模糊规则数值化。为了简单明了，通常可以列成模糊控制规则表。PID三个参数一般是独立调整，所以有三个模糊控制表。ΔKP、ΔTi和ΔTd的模糊控制规则表分别见表4-7，4-8和4-9。

第四章模糊控制器的设计

ΔKP E EC VB B M S PB NB NB NM NS 表4-7 ΔKP的控制规则表

Tab.4-7 Control rule table of ΔKP

PM NB NB NM NS PS NB NB NM NS Z0 NB Z0 PS Z0 NS NB PS PS Z0 NM NB PM PB Z0 NB NB NM Z0 Z0

表4-8 ΔTi的控制规则表 Tab.4-8 Control rule table of ΔTi ΔTi E EC VB B M S PB PB PS NS NB PM PB PS NS NB PS PB PS Z0 NS Z0 PB PS Z0 NS NS PB PS Z0 NS NM PB PS Z0 NS NB PB PB Z0 NS

表4-9 ΔTd的控制规则表 Tab.4-9 Control rule table of ΔTd ΔTd E EC VB B M S PB PS NB NB NB PM PS NB NB NB PS Z0 NM NM NM Z0 Z0 NS NS NS NS Z0 PS Z0 Z0 NM PB PB PM PM NB PB PB PM PM 4.3 模糊推理和模糊判决

根据输入变量(模糊量)和模糊控制规则，按模糊推理规则计算输出量(模糊量)，即根据模糊控制规则进行模糊推理。下面以ΔKP的求解为例进行说明。

首先确定模糊控制器的模糊关系，然后由合成推理的方法求出输出控制量的模糊值矢量。模糊关系定义为：

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RKP=A×C；RE=B×C

则对于第z条规则的输出控制量为：

UPz=EoRKP∧ECoRE

控制器总的输出控制量为：

UP=UUPz （4.1）

z=1

这样就得到了ΔKP模糊控制查询表，见表4-9。同理，ΔTi和ΔTd模糊关系定义为：

RTi=A×D RE=B×D； RTd=A×G RE=B×G。

则对于第z条规则的输出控制量为：

UTiz=EoRTi∧ECoRE； UTdz=EoRd∧ECoRE。

控制器总的输出控制量为：

=U28

UTiUTiz zU28

Td=这样，就得到ΔTUUTdz z=1

i、ΔTd的模糊控制查询表，分别见表9-10，表9-11。

表4-10 ΔKP的查询表 Tab.4-10 Query table of ΔKP

ΔKP E PB PM PS Z0 NS NM NB EC VB 0 0 0 0 0 -1 -1 B 0 3 1 1 0 -2 -2 M -2 3 1 0 0 -3 -3 S -3 -3 -3 -3 -3 -3 -3

表4-10 ΔT i的查询表 Tab.4-11 Query table of ΔTi ΔTi E EC PB PM PS Z0 NS NM NB VB -1 -1 -1 -1 -1 -2 -2 B 0 0 0 0 0 -1 -1 M 2 1 1 1 1 1 1 S 2 2 2 2 2 2 2 22

（4.2）

（4.3）

第四章模糊控制器的设计

表4-10 ΔTd 的查询表 Tab.4-11 Query table of ΔTd

ΔTd E EC VB B M S PB 2 2 3 3 PM 1 1 2 3 PS 0 0 1 1 Z0 -1 -1 0 -1 NS -2 -2 -1 -1 NM -2 -2 -2 -3 NB -2 -3 -2 -3

根据模糊控制查询表就可以计算出在不同的偏差和偏差变化时，PID参数的调整量的输出值，但这些值还不能用于修正PID参数，它还是个模糊量，所以还要乘以一个比例因子。

这样，就得到了PID参数的整定算式为：

KP=KP0+ΔKP Ti=Ti0+ΔTi Td=Td0+ΔTd

式中KP0、Ti0和Td0是KP、Ti和Td的初始值，由临界比例度法得到。ΔKP、ΔTi和ΔTd

是模糊控制器的输出，即PID参数的校正量。

将上式中的KP、Ti和Td带入式（2.2）得到数字PID位置控制输出量，经D/A转换后驱动半导体制冷器工作，对LD进行加热或制冷，实现LD温度控制。

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5 硬件设计

主要包括温度检测电路、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5-1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。

温度设定电路 LD TEC 温度检测电路多路模拟开关A/D转换电路选通信号单片机显示电路 D/A转换电路TEC驱动电路图5-1 硬件电路结构框图

Fig.5-1 Schematic diagram of hardware circuit

5.1 温度检测电路设计

温度的测量是电路设计中很重要的一个环节。温度是非电量信号，要想测量温度信号必须将其转化为可以方便处理的电信号。温度传感器依据自身材料的特点可以将温度信号转变为电信号。

5.1.1 温度传感器的选择

传感器是整个控制系统的感官，是各种控制策略对现场实施动作的依据，检测设备检测的信息准确与否直接影响控制功能的完成。

目前，在温度测量领域，常用的传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感器等。在选择温度传感器时应考虑的几个因素有温度测量范围、精度、响应时间、稳定性、线性度和灵敏度等。针对系统控温精度要求高(0.2℃)，控温范围小(10℃～40℃)的情况，选择了热电阻（RTD）。

RTD的电阻随温度增加而增加。最常见的RTD的构成材料是铂、镍和铜。铂的使用温度范围宽（-200℃~850℃），易于提纯信号强、精度高、稳定性和重复性极好，可耐受各种化学物质，抗腐蚀性好，是一种多用途金属【26】。因此，系统选择铂电阻作为温度传感器。另外，铂电阻不仅可以作为工业上的测温元件，而且是复现热力学温标的基准(-200～500℃ )。国标实用温标IPLS-68规定，在-259.34℃～630.74 ℃温域内，以铂电阻温度计作为标准仪器。

铂电阻一般为正电阻系数，典型灵敏度数值为0.1%/℃～0.66%/℃。RTD的基本结构

第五章硬件设计

十分简单，其敏感部分由玻璃、云母、陶瓷等绝缘材料支撑并与导线相连，外部包覆保护性外套。本实验采用pt100陶瓷高性能铂电阻，它由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成。

在0～800℃范围内，铂电阻的电阻值Rt与温度t的关系为:

Rt=R0(1+At+Bt2) （ 5.1）

式中Rt—t℃时铂电阻的电阻值；

R0—0℃时铂电阻的电阻值；本实验采用的R0=100Ω； A、B为常数，其数值分别为：

A=3.90802×10−3℃−1 B=-5.80195×10−7℃−2

可以看出，B值较小，在较宽范围内具有良好的线性。因此，在控温范围10℃～40℃内，B值可以忽略，式（5.1）可以简化为：

Rt=R0(1+At) （5.2）由上式可知：温度t在0～40℃之间，铂电阻的阻值Rt与温度t是线性关系。因此，采用给铂电阻供以恒定电流并采集其两端电压的方法获取温度信号。

5.1.2温度检测电路设计

RTD的引线结构有2线、3线和4线三种。当RTD直接与接收信号的仪器端连接时，一般采用2线RTD；若传感器与接收仪器之间距离较长，互连的导线长度必须予以考虑时，则应采用3线RTD；若需要更高的精度，则可以采用4线RTD。本系统采用2线制接线。为避免铂电阻自身发热，影响测温精度，仅对其通以很小电流(1mA)。

由式（5.2）可知：在0℃时，铂热电阻的两端电压为V0=100.000mV，在40℃时，

铂热电阻的两端电压为V40= 115.63208 mV，ΔV=V40-V0=15.63208mV。系统采用如图5-2所示的温度信号检测电路【27】，将铂电阻所测得的10℃～40℃的温度信号转化为1V～4V的电压输出。

图5-2 温度信号检测电路

Fig.5-2 Detection circuit of temperature signal

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由图5-2得到：

Vo1=

V×(R1+R2)−R2×V0

（5.3）

（5.4） Vo2=−Vo1

给铂热电阻供100mV电压(0℃时铂热电阻的两端电压)，调节可调基准源V0使得Vo2输出为0V；给铂热电阻供115.63208 mV电压(40℃时铂热电阻的两端电压)，调节电阻R6，使Vo2=4.000V，这样，LD温度在0～40℃变化时，经过铂热电阻及其调理电路后输出的温度电信号在0～4V变化。

5.2 温度信号的采集、控制与显示电路

如上所述，经过温度传感器及信号调理电路后，10℃～40℃的温度信号转化为1V～4V的温度模拟电压信号，这是温控系统的原始信号。通过对该信号进行A/D转换、由控制器产生与设定温度偏差相对应的控制量，再经过D/A转换，驱动半导体制冷元件工作。

5.2.1 A/D转换电路

A/D转换芯片的位数按照控制稳定度来确定。设温度的范围为W,控制精度为X℃，则A/D芯片的位数n可按下式计算:

≤X （5.5） n2

本系统温度的范围是40℃,控制稳定度要求为0.2℃,40/0.2=200,则12位A/D芯片可以满足要求。本系统选用MAXIM公司生产的双积分式A/D转换器ICL7109对1V～4V的温度模拟电压信号进行A/D转换。

该芯片是双积分型的，具有精度高，低噪声，低漂移，防尖峰干扰能力，价格低廉，采用40引脚DIP封装。特别适合于要求速度不太高的场合，如用于称重、测压力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统。其分辨率为1/4096或244ppm，内部有锁存器和寄存器，可以和各种微处理器直接连接，转换速度最高达每秒30次。在连续转换方式工作电路中，要正确选取下列外围元件:积分电阻RINT，积分电容CINT,自动调零电容CA2，参考电容CR,振荡电阻、电容RCo。选取的原则是，保证积分器输出振幅在满刻度输入时尽量大，这对于提高信噪比、减小误差和保证线性度具有重要意义。

ICL7109有14位输出，低12位为A/D转换值输出，OR为溢出标志输出，当转换值溢出时该位输出高电平；POL为极性输出，输入电压信号大于零时该位输出高电平。14根数据线与单片机数据总线的接法为：B1~B8分别接P0.0~P0.7，B9~B12，OR和POL分别接P0.1~P0.5，如图5-3所示。CPU对A/D转换数据的读取通过依次选通LBEN和

HBEN端口两步完成。1V～4V系统温度电信号输入到ICL7109的模拟量输入端，在单

第五章硬件设计

片机的控制下，模拟的温度电压信号转换成本温控系统的数字信号，进而通过单片机的软硬件，对温度信号进行分析处理与控制。

P0P2.0P2.1P1.4P3.7AT89C51

ICL7109B1~B8

6B9~B12，OR，POL

LBENHBEN

STATUSCE/LOAD

图5-3 ICL7109与单片机接线图 Fig5-3 wiring diagram of ICL7109 and SCM

5.2.2 D/A转换电路

控制器输出的数字量必须转化为模拟量才能驱动制冷硅工作，因此需要进行D/A转换。

D/A芯片精度的选择应满足，在达到稳态时，D/A电路输出的一个增加量或一个减小量而引起温度的升高或降低应小于控制精度要求值X℃，这样才能将稳态保持下去。系统采用了8位D/A转换器DAC0832，接成单缓冲双极性输出的工作方式，为LD的加热与制冷提供电压量。

0832芯片采用CMOS工艺，是电流输出型D/A，8位，转换时间约1μs。数字输入可以采用双缓冲，单缓冲或直通方式；精度：±1LSB；单一电源，5V～15V，功耗20mW；参考电压：+10V～-10V。使用时，外接运算放大器，以便将转换后的电流变换成电压输出。若外接一个运算放大器为单极性输出；若使用了两个运算放大器为双极性输出，根据应用场合的需要,将D/A转换接口芯片接成单极性输出或双极性输出【28】。

系统将DAC0832接成单缓冲双极性输出的工作方式，接口电路如图5-4所示。其中D7～D0：8位数据量输入；ILE：数据输入锁存允许，高电平有效；CS：片选；WR1：输入寄存器写信号，当ILE、CS、WR1同时有效，数据装入输入寄存器，实现输入数据的第一级缓冲；XFER：数据传送控制信号，控制从输入寄存器到DAC寄存器的内部数据传送；WR2：DAC寄存器写信号，当XFER和WR2均有效时，将输入寄存器中的数据装入D/A寄存器并开始D/A转换，实现输入数据的第二级缓冲；VREF：参考电压源，电压范围为-10V～+10V。Rfb：内部反馈电阻接线端；IOUT1：DAC电流输出1，其值随输入数字量线性变化；IOUT2：DAC电流输出2；Vcc：工作电源，其值范围为+5V～15V，典型值为+15V。

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由电路可知：VOUT1＝-IOUT1×Rfb＝-VREF×N/(256×Rfb)×Rfb ＝-N/256×VREF, VOUT2＝(N-128)/128×VREF.

则：当FFH≥N＞80H时, VOUT2模拟输出电压的极性和VREF相同，为正；当80H＞N≥0时,VOUT2模拟输出电压的极性和VREF相反，为负；当N＝80H时,VOUT2＝0V。

图5-4 DAC0832双极性输出图

Fig.5-4 Double polarity output diagram of DAC0832

5.2.3 显示电路

常用的专用数码管显示电路有8279和MAX7219，前者因近年来停产而很少人使用；后者因使用方便灵活，连线简单，不占用数据存储器空间，使用的人则越来越多。

MAX7219是八位串行共阴LED数码管动态扫描驱动电路，其峰值段电流可达40mA，最高串行扫描速率为10MHz，典型扫描速率为1300Hz，仅使用单片机3个I/O口，即可完成对八位LED数码管的显示控制和驱动，线路非常简单，控制方便，外围电路仅需一个电阻设定峰值段电流，同时可以通过软件设定其显示亮度；还可以通过级联，完成对多。MAX7219是共阴于八位的数码管的控制显示。图5-5是MAX7219的典型连接方法【29】

极显示驱动器，其中，SEGA-G和SEGH为LED七段显示器段和小数点驱动端，DIG 0-7为8位数字驱动线，输出位选信号，DIN为串行数据输入端，CLK为串行时钟输入端，

DOUT为串行数据输出端，在级联时传到下一片MAX7219的DIN端，LOAD为装入数据控制端，iset端通过一个电阻与电源相连，以提供给LED段的峰值电流。

MAX7219片内寄存器分为8个数位寄存器和6个控制寄存器。数位寄存器决定该位LED显示内容，6个控制寄存器包括译码方式寄存器，扫描位数寄存器、亮度控制寄存器、显示测试寄存器、关断寄存器、无操作寄存器等，编程时需对它们进行初始化。对于本系统，MAX7219驱动8位LED数码管来显示温度数据，其中4位静态显示系统设

第五章硬件设计

定的温度，4位实时显示LD的实际温度。

5.3 TEC驱动电路

5.3.1 TEC 的工作原理

半导体致冷器是根据热电效应，采用特殊半导体材料——热电堆致冷的一种冷却装置。所谓热电致冷就是当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回。半导体致路时具有致冷功能【30】

冷是热电致冷的一种，即直流电通过半导体材料制成的 PN 结回路时，在 PN 结的接触面上有热电能量的转换。又由于半导体

材料是一种较好的热电能量转换材料，在国际上热电致冷器件普遍采用半导体材料制成，因此称为半导体致冷器。目前致冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入杂质经过特殊处理制成N型或P型半导体温差元件。半导体致冷器的基本致冷单元——电偶对是由P 型半导体和 N 型半导体用金属连接片焊接起来组成的。其工作原理如图5-6 所示，

图5-5 MAX7219典型接线图

Fig.5-5 Typical wiring diagram of MAX7219

N型和P型半导体之间以金属导体（结点）相连接而形成一个完整线路。通电时，一个结点变冷，一个结点变热，如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。

典型的致冷器就是由许多N型和P型半导体颗粒互相排列而成，N、P之间以铜、铝或其它金属导体相连接，最后用两片陶瓷片夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，如图5-7所示。这样，在给TEC两端加电流时，TEC的一端发热，另外一端致冷。发热的一端我们称之为“热端”，致冷的一端我们称之为“冷端”。把TEC两端的电压反向就会导致相反的热流向，热端变为冷端，冷端变成热端。通常一般把有两个引脚的那端称为热端，散热部分安放其上，需要稳定温度的物体安放在冷端。

1，2-金属电桥（结点） 3，4-电臂；5-直流电流图5-6 基本热电偶 Fig.5-6 Basic thermocouple

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图5-7 制冷器外形图 Fig.5-7 Outline diagram of TEC

半导体致冷器的优点有：体积小，重量轻，微型的半导体致冷器能够小到只有几克或几十克；结构简单，整个致冷器由热电堆和导线组成，没有机械运转部件，故无噪声，无振动，无磨损，寿命长，可靠性高；致冷温度和冷却速度可以通过工作电流来控制，控制灵活，启动快；操作具有可逆性，把工作电流反向后即可成为加热器。因此，半导体致冷器在国防、家电、工业医疗、农业和生物方面得到广泛的应用。

系统采用哈尔滨北方制冷器厂生产的型号为TEC1-4903单级半导体致冷片, 典型的技术参数见表5-1。

最大温差电流

T=27℃

最大温差

电压

产冷量

尺寸（mm）

表5-1 TEC典型技术参数

Tab.5-1 Typical technical parameters of TEC

Imax(A) 3.0

ΔTmax(℃)

Vmax(V) 5.6

Qcmax(W) 9.5

L 25

B 25

H 4

5.3.2 TEC驱动电路设计

由以上分析可知，TEC是电流驱动型器件，其致冷温度和冷却速度可以通过工作电流来控制，且操作具有可逆性，把工作电流反向后即可成为加热器,据此设计了一种压控电流源驱动TEC工作。

功率放大电路采用桥式推挽功率放大电路（BTL电路），BTL电路是一种应用非常广泛的互补电路，由两组对称的OTL或OCL组成，负载接在两组OTL或OCL输出电路之间【31】。其最大不失真输出功率相当于同等电源和负载条件下OTL(或OCL)功放电路的四倍，电源效率基本不变。

TEC的驱动电路原理图如图5-8 所示。图中R1、R2、R3和op07构成反相器，T1、T2、T3、T4等四只达林顿管组成桥式功率放大电路的四臂，其中T1、T2为NPN型功率管，T3、T4 为PNP型功率管, 它们的参数互补，可以防止电桥失衡和输出电流不确定。

T1、T3的基极与DAC0832双极性输出端相连，T2、T4经反相器后与DAC0832双极性输出

第五章硬件设计

端相连。TEC接在两组桥臂之间。

四只管子的特性对称，静态时均处于截止状态，负载TEC上电压为零。当DAC0832输出电压信号为正时， T1、

T4导通，T2、T3截止，电流从左向右流经TEC，制冷被控对象LD ；当DAC0832输出电压信号为负时， T2、

DAC0832的输出T3导通，T1、T4截止，电流从右向左流经TEC，加热被控对象LD 。加热和致冷电流的大小由DAC0832的输出电压决定，这样，就构成了一种压控电流源驱动TEC。

5.3.3 TEC使用注意事项

关于TEC使用时，需要注意的几个问题有以下两个： a.TEC热端的散热问题

图5-8 TEC的驱动电路原理图 Fig.5-8 Principlediagram of TEC drive circuitTEC的功能只是对热量进行搬运，不但不会使热量消失，反而会因为有内耗而产生一定的热量。因此在对被恒温物体致冷时，致冷片要与散热器联合使用，并且散热器要提供足够的散热能力。否则，一方面，由于冷端和热端的温差过大（不得超过 70 ℃）造成

TEC破裂；另一方面，如果散热功率小于TEC的内耗发热功率，则不但起不到致冷效果，反而使物体温度升高，使TEC不停地处于高功率工作状态。另外，TEC夹在被恒温物体与散热片之间，二者皆要与TEC有良好的热传递，彼此之间要涂导热膏，确保接触良好。且恒温物体与散热片之间不得有任何形式热传递，否则会因热量回流使效率降低。 b.结露问题

当半导体致冷片陶瓷表面的温度降至一定程度时，就很可能产生结露现象，是否会结露与温度和湿度有关（即气象学中所谓“露点”的概念）。LD结露是绝对不允许发生的。比较保险的方法是让半导体致冷器的冷面工作在20℃左右。

5.4 硬件抗干扰设计

随着单片微机在各个领域中的应用越来越广泛，对其可靠性要求也越来越高。单片机系统的可靠性由多种因素决定，其中系统抗干扰性能是可靠性的重要指标。工业环境有强烈的电磁干扰，因此必须采取抗干扰措施，否则难以稳定、可靠运行。在单片机测控系统的设计中，硬件抗干扰设计应该考虑以下几个方面。 a.以单片机为核心的抗干扰设计【32】

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（1）选择抗干扰性能强的CPU。单片机和单片机抗干扰能力是不一样的。在单片机系统中，选用抗干扰性能强、兼容性好的AT89C51；

（2）良好接地。单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减小相互干扰。本系统既有模拟电路又有数字电路，因此数字地与模拟地要分开，最后只在一点相连，如果两者不分，则会互相干扰。大功率器件尽可能放在电路板边缘；

（3）充分考虑电源对单片机的影响。电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。单片机对电源噪声很敏感，给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。

（4）对于单片机闲置的I/O口接地或接电源，不能悬空；

（5）注意晶振布线。时钟脉冲电路尽量靠近CPU，引线尽量短而粗；用地线包围振荡电路，晶体外壳接地；晶振电路选用性能稳定，容量准确的电容，且远离发热元件。 b.元器件的热设计

温度是直接影响元器件性能和可靠性的主要因素。在元器件的热设计中必须保证元器件的最高工作温度低于其允许温度。在热设计过程中，一般是根据具体情况，选择适当的途径将热量传递出去，达到元器件降温的目的，从而提高电源的工作可靠性并延长其使用寿命。

（1）大功率器件装在散热器上。工作于正常大气条件下的型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装对流。散热器上有多个肋片时，选择了肋片间距大的散热器；

（2）器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小。实现这一要求的措施包括：增大接触面积，使接触面保持光洁，在接触面涂上导热硅橡胶，保证紧密接触等；

（3）选用粗糙度适当并使表面呈黑色的散热器，以增强辐射换热；（4）大功率器件尽可能放在电路板边缘。 c.PCB的可靠性设计【33】

印制电路板(PCB)是单片机系统中电子元器件的支撑件，它提供各种电路元器件之间的电气连接。随着电于技术的飞速发展，PCB的密度越来越高，单片机系统的工作频率也越来越高，PCB设计的好坏对单片机系统抗干扰能力的影响愈来愈大，然而，对于PCB 的抗干扰设计却往往容易被忽略。实践证明，如果PCB设计不当，将使载有小功率、高精确度、快速逻辑或连接到高阻抗终端的一些导线受到寄生阻抗或介质吸收的影响，致使系统发生电磁兼容性问题。因此，在进行PCB设计时，必须采用合适有效的抗干扰技术。主要包括：尽量减少过孔和PCB的面积；尽量加粗线条；布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声；布线时,电源线和地线要尽量粗，除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。布线时避免90度折线，减少高频噪声发射；IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座，提高可靠性，减少故障率；配置去耦电容，电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响和消除大部分高频干扰。高频电容的布线应靠近电源端，并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。

第六章软件设计

6 软件设计

在硬件电路确定之后，则系统所有的智能功能要由软件来完成。软件是整个控制系统设计的核心，它具有充分的灵活性，可以根据系统的要求而变化，对于同样的硬件系统，配以不同的软件系统，所实现的功能也就不一样，而且有些硬件电路的功能都可以用软件来实现。所以对于一个系统设计来说，软件系统常常比硬件系统需要更多的工作量。

整个系统的硬件组成相对简单，较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，下面较为详细地分析软件的设计。

6.1 软件概述

本系统的软件采用结构化模块程序设计，所谓“模块”，实质上就是具有一定功能、相对独立的程序段。其基本思路是将整个控制系统的功能分解为几个相对独立的标准模块，使其中的每一个程序模块完成某一特定的控制功能，并且分别只有一个入口和出口，这样就可以对每一个程序分别定义无歧义性的输入变量和输出变量，使它们的运行相对地不受其它程序的影响，从而增强了系统的可靠性【34】。

模块设计的主要特点是：单模块比一个完整的程序容易编写、查错和测试；模块可以实现共享，一个模块可被多个任务在不同的条件下调用；把输入/输出封装起来，可以使程序其余部分免受经常变动；输入/输出放入模块使得程序很容易适应输入/输出设备的变动。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于设计、调试和维护。

软件结构采用模块化设计方法，将控制器所要完成的功能分别编写和调试，所有模块调试成功以后，将各个模块连接构成单片机软件系统。

在单片机控制系统的软件设计中，应用程序主要由主程序、显示程序、温度信号的采集与数字滤波程序、模糊PID控制算法程序、延迟程序等部分组成。

6.2 程序模块及流程图

6.2.1 主程序模块

该模块主要完成参数的初始化及调用显示程序、温度信号的采集与数字滤波程序、模糊PID控制算法程序、延迟程序等各子程序。

系统的初始化主要是对硬件芯片初始状态的设置。首先，设置 D/A转换芯片DAC0832的输出为零，这样半导体制冷片的驱动装置处于关断状态，制冷片不工作。然后设置显示芯片MAX7219的工作寄存器，使其工作在正常的工作状态下。译码方式寄存器决定数位寄存器的译码方式，数位寄存器工作方式可设置为B码方式或不译码方式。

B码方式适用于驱动LED数码管，不译码方式适用于驱动条图显示器。译码方式寄存器

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的每位对应一个数位，1为B码方式，O为不译码方式。本系统数位寄存器工作方式设置为B码方式。扫描范围寄存器设置显示数据位的个数，设置扫描位数寄存器为8位，即

LED扫描范围为DIGIT0-7共8位；设置亮度控制寄存器，LED段电流的平均值的占空比为9/32；而数位寄存器决定该位LED显示的内容，采用B码方式时，要在指定数位上显示字符，只要按B码字符表将字符代码写入相应的数位寄存器即可。设置8个数位寄存。器为系统程序的编制日期LED“2005--08”这样便完成了系统的初始化，系统进入正常工作状态。

系统主程序流程图如图6-1所示。

开始系统初始化YES 设定温度温度设定吗NO温度数据采集与数字滤波温度数据采集与数字滤波模糊PID控制6.2.2 采集与数字滤波模块

温度数据显示一般单片机应用系统的输入信号中，均含有种种噪音和干扰，它们来自被测信号源本身、传感器、外界干扰等。为了准确地测量和控制，必须消除被测信号中的噪音和干扰。一

方面可以从硬件方面采取抗干扰措施，如使用模拟滤波器等；另一方面可以采用数字滤波方法予以削弱或滤除。

所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序对单片机数据采集部分输入的信号进行加工处理，提取有用信号，消除或减少各种干扰信号，以达到抗干扰的目的【35】。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比，有下面几点优点:

（1）数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，因此不存在阻抗匹配的问题。所以可靠性和稳定性好；

（2）对于多路信号输入通道，可以共用一个软件“滤波器”。从而降低系统的硬件成本。

（3）数字滤波可以对低频(如0. O1Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器(一般针对500Hz工频干扰)的缺点；

（4）数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法和滤波参数，具有灵活、方便和功能强等特点。

数字滤波对于低频脉冲干扰和随机噪声的克服特别有效。数字滤波(或软件滤波)的方法很多，常用的有算术平均值法、加权算术平均法、中值滤波法、中值平均滤波法和程序判断滤波法等。一般来讲，不同的方法有不同的适用对象。

算术平均值法是对输入的N个采样数据进行求和，然后除以采样次数N，所得的值

图6-1 主程序流程图

Fig.6-1 Flow chart of main procedure

第六章软件设计

就为本次采样的有效数据。这种算法比较简单，能有效地克服因偶然因素引起的波动，或采样器不稳定引起的误码等造成的脉冲干扰。对温度、液位等缓慢变化的被测参数采用此法能收到良好的滤波效果。

加权算术平均法适用于那些重视某些采样值，而又要考虑过去采样值的情况. 中值滤波法就是对某一被测参数连续采样N次(一般N取奇数)，然后把N次采样值按大小排队，取中间值为本次采样的有效数据。该方法能较好的滤除脉冲干扰，但这种方法对变化剧烈的信号不适用。

中值平均滤波法是中值滤波与算术平均滤波两种方法的结合。这种方法是将N次采样值按大小顺序排列，然后去掉最大值和最小值，对剩下的取算术平均值。程序判断滤波是对采样进行判断，辨别真伪后，再决定取舍。

针对本系统中的温度信号，由于其变化缓慢、干扰较小，因此根据上述几种方法的特点和适用对象我们选择了算术平均值滤波法，在测量温度时，取得了较为稳定、准确的数据。

数字滤波子程序流程图如图6-2所示。采用数字滤波技术剔除噪声，对于有惯性环节的温度对象的PID控制是有好处的。因为对于惯性环节必须采用微分控制，而采样值的波动将直接造成控制量中微分部分大幅度的波动，而且其波动值往往超出有实际物理意义的范围，从而导致系统的输出不能恒定，控制效果变坏。数字滤波技术的引入不仅避免这种输出的不恒定，而且提高了系统的控制精度。

N=0？YES 求N次采样平均值返回图6-2 数字滤波程序流程图

Fif.6-2 Flow chart of digital filtering

N=N－1 NO N赋初值5 采集LD温度数据开始 6.2.3 显示程序模块

设定温度和LD测量温度经采集和数字滤波后保存在微控制器的内存中，然后微控制器发送指令把温度数据串行的传送给MAX7219芯片进行

显示。这样，就避免了微控制器直接定时对LED显示，微控制器有更多的时间来控制被控对象LD的温度。其中，MAX7219芯片的初始化与主程序中MAX7219芯片的初始设置完全相同，这里不再赘述。

6.2.4 模糊PID控制算法程序

本文采用的是参数模糊自整定PID控制算法，由于模糊控制本身比较复杂，在单片机上要实现真正的模糊算法必须要编写出能用的而且好用的高质量的汇编程序，而这对设计者提出的要求又相对较高，所以目前在单片机上实现的模糊控制，多数采用的是查表法。

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也就是对不同的输入量，模糊控制规则算法离线计算出输出量，做成一张控制表，存储到单片机中。

单片机读取LD温度数值后，一方面通过 LED 数码显示器显示当前温度值；另一方面将该值与设定的温度数值进行比较，求取当前温度偏差和偏差变化率，并进行模糊量化处理。依据经过处理的温度偏差与偏差变化值查询控制表获取控制输出量量化值，控制输出量经反模糊化后进入控制算法中的 PID 调节器部分，最终运算结果送到执行机构中去。

参数模糊自整定 PID 控制算法流程图如图6-3所示。

图6-3模糊PID控制算法流程图

Fig.6-3 Flow chart of fuzzy PID control arithmetic 开始温度数据采集与数字滤波计算ei=Ti−T0 计算eci=ei−ei−1 查表求ΔKP，ΔTi，ΔTd计算当前PID参数计算系统输出控制量 ei−1=ei ei，eci 模糊化结束

6.3 软件抗干扰技术

在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。软件抗干扰是一种价廉、灵活、方便的抗干扰方法，它不需要硬件资源，不改变硬件的环境，不需要对干扰源精确定位，不需要定量分析，因此使用起来灵活、方便，用于工业过程控制可很好地保证控制的可靠性。

系统采用的软件抗干扰方法主要有以下几个方面：

（1）对于失控的CPU，最简单的方法就是使其复位，程序自动从0000H开始执行。为此只要在单片机的RESET端上加土一个高电平信号，并持续10微秒以上即可。系统采用在RESET端接入人工上电复位电路，它由一个小电解电容和一个接地电阻组成，另外采用一个按钮来给RESET端加入高电平信号。

第六章软件设计

（2）数字滤波技术。系统采用算术平均值滤波法消除输入系统被测信号中的噪音和干扰，取得了较为稳定、准确的数据。

（3）指令重复技术，是指令冗余的一种方式。指令重复是指在对于程序流向起决定作用或对系统工作状态有重要作用的指令的后边重复该指令。所谓指令冗余，就是在程序的关键地方人为地加入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写，当程序“跑飞”到某条单字节指令上，就不会发生将操作数当作指令来执行的错误。当然，这些指令在程序中是冗余的，但却能提高软件系统的可靠性。

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7 实验与总结在完成了系统的硬件设计、软件设计后，接下来要做的就是系统的软、硬件调试与实验工作。

7.1 系统调试

系统的调试包括硬件调试和软件调试，但硬件调试和软件调试并不能完全分开，一些

硬件错误是在软件调试过程中被发现和纠正的。调试一般分为单元调试和整体调试两个阶段。

单元调试是对单元模块进行单独的检查调试，通常分静态检查和联机测试两个步骤进行。首先检查系统和各元器件的电源情况，然后对各单元模块进行静态检查，以排除明显的硬件故障(如短路、开路等故障)；联机测试时可以采用编写独立的测试程序来进行，即保留该模块的所有代码，删除其他无关的代码，逐个进行调试，一般可检查出硬件设计上的逻辑错误以及模块软件的编写错误；需要注意的是，联机测试还要负责检查单元模块能否实现其预定的功能指标，因为有时单元模块虽然能实现预定的逻辑功能，但是达不到预定的功能指标(如测量精度不够)。这时，亦需重新设计单元模块。

单元调试完成后，需对硬件和软件分别进行整体调试，然后进行系统联调，最终使系统达到设计要求。

7.2 实验过程与实验现象

系统调试结束后，在室温下，对输出功率为1W的LD进行了温度控制研究。实验过程如下：

首先，将铂电阻贴紧被控对象LD，以确保两者接触良好；然后，将温度控制系统的温度开关拨向“温度设定”档上，接着打开系统电源开关。这样系统就进入了正常的工作状态。

调节设定温度的多圈绕线电阻的阻值来设定LD的被控温度，再把温度开关拨向“温度控制”档上，根据LD测量温度和设定温度的偏差以及偏差变化，模糊控制器输出一定的控制量，经D/A转换后进入半导体制冷器的驱动机构，开始对LD加热和制冷，使LD的温度迅速稳定在设定温度处。

由于LD温度与其注入的电流大小及环境温度有很大关系，因此，LD温度的数学模型是不确定的。图7-1和图7-2分别为LD注入电流为1000mA时开机和关机时的温度变化曲线，从中得出LD温度变化的大概趋势，为系统的控温提供初步的实验数据。

另外，首先要利用临界比例度法确定KP、Ti和Td的初始值KP0、Ti0和Td0。所谓临界比例度法，即在闭环情况下，先将积分及微分作用除去，使温度控制系统工作在纯比例放大环节，按比例放大系数KP由小到大的变化规律，对应于某一KP值作阶跃干扰，

第七章实验与总结

以达到临界情况下的等幅振荡。记下此时临界振荡周期Tk与临界比例放大系数KP，按经验公式，即可得到调节器最佳 PID 参数值。

Temperature (℃) 27

262524232221

I=1000mA

1 2345 6

Time (min.) 图7-1 LD升温图

Fig.7-1 Calefactive chat of LD

26.5 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23

图7-2 LD降温图

Fig.7-2 Lowering temperature chart of LD

加入外界干扰，逐步增加放大系数，温控系统处于临界状态，即等幅振荡状态，如图7-3所示。按经验公式，计算出KP、Ti和Td的初始值KP0、Ti0和Td0。

在实验过程中，根据实验现象在小范围内对KP、Ti和Td的初始值KP0、Ti0和Td0以及ΔKP、ΔTi和ΔTd的比例因子作了大量的调整工作，最后，在10℃～40℃温度控制范围内，任意设定一个温度，控温稳定度均优于0.2℃，满足了设计要求。图7-4，7-5，7-6分别给出了三个特征温度点的温度控制响应图。其中，图7-4，7-5，7-6中的设定温度分别为：10.50℃，21.83℃和39.65℃。

第七章实验与总结

图7-5 21.83℃温度控制响应图

Fig.7-5 Response curve of temperature control of 21.83℃

图7-6 39.6℃温度控制响应图

Fig.7-6 Response curve of temperature control of 39.6℃

另外,设定温度在室温附近时，控制效果较好，温度稳定度优于0.1℃。设定温度远离室温时，温度稳定性变差，但温度稳定度仍优于0.2℃，满足设计要求。

7.3 实验结论

通过以上实验响应图可以看出，自适应模糊PID控制对于滞后的LD温度控制有很优秀的控制性能，它具有比较快的自适应调节速度，并能有效地抑制状态发散的趋势，随着时间的推移，振荡次数会越来越少，振幅也越来越小，并最终趋向稳定，使状态返回到约束集合内。

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经实验验证，本控制系统在10℃～40℃温度范围内，升温过程和降温过程的控温稳定度均优于0.2℃，并且超调小（小于0.4℃）、建立稳定时间短，有良好的动静态特性，能够有效的控制中小型功率LD温度的变化，是一种经济、实用的LD温度控制系统，为中小型功率LD温度控制提供了一种良好的解决方案。

第八章全文总结

全文总结

本文介绍了一种适用于中小功率的LD温度控制系统。在查阅大量相关文献的基础上，分析了温度对LD输出特性的影响，介绍了LD温度控制的研究现状，提出了LD温度控制系统的设计方案，并对其进行了可行性研究；基于模糊PID控制理论，详细论述了温度控制系统的核心——模糊PID控制器的设计方法和具体实现；完成了硬件系统和软件系统的设计与调试，并进行了系统的抗干扰设计；建立了LD温度控制实验系统，在室温下，对中小型功率LD的温度控制进行了实验研究，取得了良好的控制效果。

由于被控对象LD的温度数学模型不确定，温度控制具有非线性和时滞性，并且温，控温稳定度高，因此系统以MCS-51单片机作为控制器，采控范围大（10℃～40℃）

取了智能控制方法——模糊PID控制。模糊PID控制是在一般PID控制系统的基础上，加上一个模糊控制规则环节，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改的一种自适应控制系统。它将模糊控制和PID控制两者结合起来，以LD设定温度与测量温度之间的偏差e和偏差变化ec作为控制器的输入，根据PID各个参数与偏差e和偏差变化率

ec之间的模糊关系，利用模糊控制原理在线调整PID控制中的参数KP、Ti和TD，使系统达到良好的温控效果。

经过实验研究，由大量的实验数据和系统响应图形可知，被控对象LD的温度在10℃～40℃温控范围内，控温稳定度优于0.2℃，达到了设计要求，并且，系统超调量小，调节时间短，系统抗干扰能力强，具有良好的稳定性和瞬态特性。

当然，该温度控制系统尚存在一些不足之处，还有许多工作有待进一步完成。为此，可对本方案在以下两方面进行改进：1、系统硬件方面，半导体制冷器的驱动模式采用。半导体制冷器的驱动模式包括线性模式和开关模式。线性驱动模式与开关模式（PWM）

开关模式相比，纹波小，但效率低、热耗大。开关模式与线性模式相比，优势明显，PWM 功率放大器工作在开关状态，具有可靠性高、功耗小、散热少、电源效率高等优点； 2、系统软件方面，主要包括模糊控制器比例因子的优化，隶属函数的在线变化，控制规则的优化选择和在线更新等等。

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致谢

本论文的研究工作是在导师焦明星教授的精心指导下完成的。从论文选题、课题研究到论文撰写，整个过程都得到了焦教授的悉心指导和帮助，实际上，在我研究生学习阶段的每一步都凝结着导师大量的心血和精力。在攻读硕士学位期间，导师提供了宽松与自由的学术研究环境，他严谨的治学态度、求实的科学态度、宽广深厚的学术功底、敏锐的洞察力、对事业孜孜不倦地追求精神以及宽以待人的宽阔胸怀，体现了当代学者的风范，都使我受益匪浅。在此，谨向焦老师致以最诚挚的谢意和崇高的敬意！

在本论文的研究和撰写过程中，实验室的范吉中、安龙华、刘芸等同学提出了许多宝贵的意见和建议，同时也得到雷新颖、赵媛媛、李清娜、卢伟超等同学的很多帮助，在此向他们表示诚挚的感谢。感谢他们几年来与我的融洽合作与真诚交流，他们的关心、帮助、支持和鼓励，使我克服了许多学习上的难关，也度过了许多美好的时光，留给我难忘而有意义的硕士生活。

感谢各位评审老师评阅我的学位论文。

最后，我要借此机会向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友一并表示谢意。

参考文献

【1】M Notomi，O Mitomi，Y Yoshikuni． Broad-band tunable two-section laser diode with external grating

feedback［J］．IEEE Photonics Technology Letters，1990，2：85～87．

【2】王路威．半导体激光器的发展及其应用［J］．成都大学学报(自然科学版)，2003，22(3)：34～

38．

【3】黄德修，刘雪峰．半导体激光器及其应用［Ｍ］．北京：国防工业出版社，1999：102～104．【4】王君立．全固态激光器温控系统的研究进展［J］．光机电信息，2002，11：1～5．

【5】江孝国，祁双喜，王伟．高精度半导体激光器自稳温控系统［J］．电子技术，2002，5：56～59．【6】周瑜，丁永奎，倪文俊．半导体激光器的高精度温控仪［J］．量子电子学报，2003，20(4)：431～

434．

【7】方康玲．过程控制系统［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社，2002：69～103．【8】Zadeh L A. Fuzzy sets [J]. Information and Control,1965, 8:338～353.

【9】诸静．模糊控制原理与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2005：303～342．

【10】刘曙光，魏俊民，竺志超．模糊控制技术［Ｍ］．北京：中国纺织出版社，2001：59～62．【11】邵文秀．模糊PID控制在工业色谱仪温控系统中的应用［Ｄ］．南京：南京工业大学，2004. 【12】Santos M, Dexter A L. Control of a Cryogenic Process Using a Fuzzy PID Scheduler[J].Control

Engineering Practice,2002, 10:1147～1152

【13】Huang Y, Yasunobu S. A general practical design method for fuzzy PID control from conventional

PID control [J]. Fuzzy Systems, 2000, FUZZY IEEE 2000. The Ninth IEEE International Conference on, 2000, 2:969～972.

【14】史增芳，姜岩蕾．模糊控制技术在温度控制系统中的应用［J］．无锡职业技术学院学报，2003，

2(3)：23～26.

【15】Yu Fusheng, Ai Xing. Design for High-power laser-diode accurate temperature control of

fuzzy+PI system [J]. Measure and Control Technique，2000, 19(9) :31～33.

【16】鄢景华．自动控制原理［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000：1～8．

【17】He Jin lee, Joon Shik Yoon. Numerical Analysis on the cooling of a Laser Diode Package with a

Thermoelectric Cooler[J]. Heat Transfer-Asia Research. 2001,30：357～370.

【18】曾华林，江鹏飞，谢福增．半导体激光器温度控制研究［J］．激光与红外，2004，34(5)：339～

346.

【19】王肖飞，伊红晶，钱龙生．半导体激光器温度控制系统的设计［J］．长春理工大学学报， 2005，

28(1)：20～22.

【20】孙丽飞，田小建，艾宝丽．大功率半导体激光器的精密模糊PID温控系统［J］．量子电子学

报，2005，22(3) ：382～386.

【21】Lee H J,Yoon J S. Numerical analysis on the cooling of a laser diode package with a thermoelectric

cooler [J].Heat Transfer-Asia Reserch,2001,30:357～370.

西安理工大学硕士学位论文

【22】Omer S A,Riffat S B,Ma X. Experimental investigation of a thermoelectric refrigeration system

Employing a phase change material integrated with thermal diode [J].Appl.Thermal Engineering,2001,21:1265～1271.

【23】刘曙光，魏俊民，竺志超．模糊控制技术［Ｍ］．北京：中国纺织出版社，2001：64～102．【24】郑雪梅，成国，周广铭．模糊PID控制器结构［J］．大庆石油学院学报，2000，24(3) ：46～

50.

【25】诸静．模糊控制原理与应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2005：494～499．【26】陈艾．敏感材料与传感器［Ｍ］．北京：化学工业出版社，2004：91～93．【27】范吉中．半导体激光器温度控制技术的研究［Ｄ］．西安：西安理工大学，2005．

【28】余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，2003：

92～97．

【29】王建校，杨建国，宁改娣等．51系列单片机及c51程序设计［Ｍ］．北京：科学出版社，2002：

86～89．

【30】陈振林，孙中泉．半导体制冷器原理与应用［J］．微电子技术，1999，27(5)：63～65. 【31】张清枝．深究互补功率放大电路的工作原理［J］．平原大学学报，2005，2(3)：131～132. 【32】刘光斌，刘冬，姚志成．单片机系统实用抗干扰技术［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，2003：

51～106．

【33】陈瑞，杨建平．印制电路设计的抗干扰措施与电磁兼容［J］．电子工艺技术，2002，23(1)：16～

19.

【34】马忠梅，籍顺心，张凯等．单片机的c语言程序设计［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版

社，1999：123～127．

【35】王建华，黄河清．计算机控制技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，2003： 62～66．

在校学习期间所发表的论文

[1] 焦明星,邢俊红,刘芸,范吉中.LD温度控制系统的设计.激光与红外, 2006,第4期(已录用) .

[2] 邢俊红，焦明星.基于C++ Builder的激光光束质量评价系统的设计.制造技术自动化 2005年11月.

[3] Mingxing Jiao, Ruili Qi, Zaizhou Liu, and Junhong Xing. Design of a Liquid Crystal

Fabry-Perot Etalon and Analysis of Resonant Mode Splitting of a Birefringent Fabry-Perot Etalon，Proceedings of SPIE Photonics Asia 2004, Beijing, Vol.5627.

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