CN106227265A - 一种基于积分分离的可调太赫兹探测器温控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于积分分离方法的可调太赫兹探测器温控系统。包括温度采集模块、PID模块、制冷模块和编程控制模块。所述温度采集模块包含两组NTC热敏电阻，所述制冷模块包含一对TEC制冷器，所述NTC热敏电阻安装在太赫兹探测器以感应探测器的温度变化。PID模块可以对制冷模块的NTC热敏电阻的温度变化进行相应处理，利用积分分离方法来对目标温控值与实际温控值的偏差值进行处理，积分分离可以使PID调节较快地退出超调，从而增强了超调的响应速度且减少了超调，利用改进的PID算法输出相应的控制变量对TEC进行加热或制冷。编程控制模块对上位机软件界面输入的太赫兹探测器制冷系统所需的温控指标进行解析和判别，利用数字电位器调整目标温控值。

Description

一种基于积分分离的可调太赫兹探测器温控系统

技术领域

本发明涉及探测器温度控制领域，具体为一种对太赫兹探测器大范围的高精度控制的温控系统。

背景技术

随着太赫兹探测器的广泛应用，人们发现探测器的工作温度对探测器的响应波段、暗电流、量子效率、非均匀性、响应时间常数等性能都有很大影响。为了保证高探测性能，往往要求探测器的工作温度具有很好的稳定性。

太赫兹探测器是一种用于测量目标太赫兹辐射强度的高灵敏度辐射接收单元，当太赫兹探测器工作温度发生改变时，接收单元的稳定度也随之变化，为保证辐射接收单元测量精度，须对太赫兹探测器采用恒温措施保证工作温度处于近似恒定。

在温度控制系统中，控制器最常用的是PID控制器。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成偏差值，将偏差值的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

现有的PID控制方法存在以下不足之处：对于积分来说，在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高精度；但在过程的启动、结束、或大幅增减设定值时，短时间内造成很大的偏差，造成PID运算的积分积累，导致积分饱和，引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于积分分离的可调太赫兹探测器温控系统。

一种基于积分分离方法的可调太赫兹探测器温控系统。包括温度采集模块、PID模块、制冷模块和编程控制模块。所述温度采集模块包含两组NTC热敏电阻，所述制冷模块包含一对TEC制冷器，所述NTC热敏电阻安装在太赫兹探测器以感应探测器的温度变化。PID模块可以对制冷模块的NTC热敏电阻的温度变化进行相应处理，利用积分分离方法来对目标温控值与实际温控值的偏差值进行处理，积分分离可以使PID调节较快地退出超调，从而增强了超调的响应速度且减少了超调，利用改进的PID算法输出相应的控制变量对TEC进行加热或制冷。编程控制模块对上位机软件界面输入的太赫兹探测器制冷系统所需的温控指标进行解析和判别，利用数字电位器调整目标温控值。

在进行积分分离运算时，偏差值与变速积分的设定值进行比较，主要通过改变积分系数K_i，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越快。变速积分的作用主要在保持积分作用的同时，减小了超调量，避免输出值长时间停留在饱和区。

输出限幅运算时，PID的输出值U(t)与输出限幅运算的设定值进行比较，若输出值U(t)超过输出限幅运算的设定值，那么输出值U(t)即为输出限幅运算的设定值，若没超出输出限幅运算的设定值，那么输出值U(t)不需改变。限幅输出是控制PID的输出值，其作用主要是为了避免控制动作过大。

附图说明

图1是本发明一种基于积分分离的可调太赫兹探测器温控系统的原理示意图。

图2是本发明一种基于积分分离的可调太赫兹探测器温控系统的PID模块的算法原理图。

图3是本发明一种基于积分分离的可调太赫兹探测器温控系统的基于积分分离的PID算法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的实施例的可调节照明装置的结构及其控制方法的具体步骤。

本发明是一种基于积分分离的可调太赫兹探测器温控系统，其原理示意图包括温度采集模块1、PID模块4、制冷模块5和编程控制模块6。

温度采集模块1。温度采集模块1主要使用太赫兹探测器内部封装的温敏电阻，在温敏电阻上外加恒压，特定温度下的温敏电阻对应特定的输出电压，输出电压经ADC采样后输入至FPGA输入端口进行数据处理。PID模块4主要使用基于积分分离方法的PID算法，算法根据当前温度与目标温度偏差值，计算最优调控量。制冷模块5利用驱动芯片电流的流向控制太赫兹探测器7内部TEC的制冷或加热。编程控制模块6主要利用FPGA与上位机2进行串口通讯，利用串口解析模块3对通讯信号进行处理，同时连续实时采集太赫兹探测器7内部温度，将连续采集到的多组温度进行处理后，根据PID算法输出特定占空比的PWM方波至驱动芯片，驱动芯片输出大电流调控探测器内部TEC进行探测器的加热或制冷。调控结束后，将太赫兹探测器内部温度串口传给上位机显示。上位机2主要进行温控指标和PID算法参数的设定，以及太赫兹探测器内部温度的实时显示。

PID算法为比例、积分和微分控制器，是工业控制应用中普遍使用的反馈回路部件。其中，积分控制器部分我们使用的是具有积分分离的PID控制器。PID控制器的温度设定值为d(t)，实际值c(t)，那么偏差值e(t)即为d(t)-c(t)，下面对偏差值进行比例、积分和微分运算。

计算机能使用的PID算法是离散化的PID算法，离散化PID算法为：

$U\left(t\right)=K_p\{e\left(t\right)+\frac{T}{T_i}\underset{j=0}{\overset{t}{\Σ}}e\left(j\right)+\frac{T_D}{T}\[e\left(t\right)-e(t-1)\]\}$

其中，对偏差值e(t)进行比例运算得到比例部分输出值U_p，计算公式为：U_p＝K_p×e(t)，式中K_p表示比例系数。

偏差值e(t)进行积分分离运算，设将偏差值e(t)与变速积分设定值进行比较，该偏差值与变速积分的设定值的偏差越大，积分系数K_i越大，积分越慢；偏差越小，积分系数K_i越小，积分越快；e₁、e₂为积分窗，当偏差绝对值小于e₁时，积分系数K_i为1，当偏差绝对值大于e₁小于e₂时，积分系数K_i为1到0，当偏差绝对值大于e₂时，积分系数K_i为0，积分不起作用。同时设置了积分输出的理论输出值的上限值U_Imax和下限值U_Imin，防止出现过大或者过小的控制量，即使出现积分饱和的现象，由于积分累积较小，也能较快地退出超调，从而增强了超调的响应速度且减少了超调。

对偏差值e(t)进行微分运算，在一般的微分运算中加了一个低通滤波器，得微分部分输出值出U_D，从而得到PID的输出值U(t)＝U_p+U_I+U_D。

比较PID输出值U(t)与输出限幅运算的设定值，若U(t)超过设定值U_max，那么PID输出值U(t)即为输出限幅运算的设定值；若没超出设定值，那么PID输出值U(t)不需改变。

最后通过输出速率限定运算，比较本次的计算输出和上一次的实际输出的变化幅度，如果大于变化幅度值，则本次的输出值为上一次的实际输出加上变化幅度值。限定在单位时间内的PID输出值的变化幅度，避免变化过快引起的振荡。

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。

Claims (5)

1.一种基于积分分离方法的可调太赫兹探测器温控系统，包括温度采集模块、PID模块、制冷模块和编程控制模块；所述温度采集模块包含两组NTC热敏电阻，所述制冷模块包含一对TEC制冷器，所述NTC热敏电阻安装在太赫兹探测器以感应探测器的温度，获得实际温度值；所述PID模块使用积分分离方法来对目标温控值与所述实际温度值的偏差值进行处理以获得控制变量，并输出所述控制变量控制所述TEC制冷器进行加热或制冷。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括通信模块，所述通信模块包括一个232转换芯片，所述通信模块将 UART信号转换为232通讯电平信号，所述通信模块与编程控制模块连接。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述编程控制模块为FPGA器件，所述PID模块为运行在FPGA器件上的计算机子程序。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述PID模块计算所述控制变量，将所述控制变量转换为PWM信号的占空比，然后将该占空比的PWM信号发送到PWM驱动芯片,PWM驱动芯片根据不同占空比的PWM信号驱动的电流强度不同，调整驱动电流的流向与大小以控制所述TEC制冷器的制冷或加热。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述PID模块使用积分分离方法进行变速积分运算时，将所述偏差值与变速积分的设定值进行比较，并根据比较结果改变积分系数，所述偏差值与变速积分的设定值的偏差越大，积分系数越大，积分越慢；所述偏差值与变速积分的设定值的偏差越小，积分系数越小，积分越快。