CN113760007A - Pid温控方法、pid温控系统及波长选择开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PID温控方法，用于控制波长选择开关的腔体中心的温度，包括：温度传感器对加热片进行温度测量并将测得的加热片温度传输至控制器；所述控制器接收所述加热片温度并通过所述加热片温度计算所述波长选择开关的腔体中心的实时温度，所述控制器对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节和积分调节后汇总输出控制信号至执行器，其中，所述控制器对所述波长选择开关腔体中心的实时温度进行积分调节之前对所述波长选择开关腔体中心的温度进行积分分离；所述执行器根据所述控制信号控制所述波长选择开关的腔体中心的温度达到目标温度。解决传统PID算法超调时间过大的问题；增加了温度控制的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及温度自动控制技术领域，特别涉及一种PID温控方法、PID温控系统及波长选择开关。
背景技术
波长选择开关(Wavelength Selective Switch，WSS)是光纤通信中的核心部件之一。根据实现技术的不同，可以分为MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电）、PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）、DLP（Digital LightProcessing，数字光处理）、LCOS（Liquid Crystal on Silicon，硅基液晶）四种。
目前市场上80%以上的波长选择开关采用LCOS技术，而LCOS是基于液晶分子角度的变化来工作，这种波长选择开关对于环境温度的影响也是最为敏感，要求也最高。光通讯领域要求波长选择开关在启动之后迅速达到指定温度，并且保持恒温，在外界出现干扰源的时候也能够快速恢复。而且，波长选择开关的发展方向越来越趋于小型化、集成化，留给温控系统的空间越来越小，因而温控系统处理器和执行器可利用的空间也越来越小。波长选择开关温控系统的快速性、准确性要求越来越高，而能够使用的空间资源、算力资源越来越少。波长选择开关的温控系统采用PID温控算法，现有的PID温控算法的积分项会累计控制差值。在波长选择开关中，起始温度与目标温度一般有较大差距，加热时间较长，导致PID积分项的值很大，在控制温度达到预定值之后，会有较大的超调，超调部分需要依靠积分项的负值来对冲，又导致超调时间很长。现有的PID温控算法耗时较长，很难满足日益发展的波长选择开关的温控要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PID温控方法、PID温控系统及波长选择开关，以解决在波长选择开关的狭小空间和有限算力条件下，难以快速、准确控制环境温度的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种PID温控方法，用于控制波长选择开关的腔体中心的温度，包括：
温度传感器对加热片进行温度测量并将测得的加热片温度传输至控制器；
所述控制器接收所述加热片温度并通过所述加热片温度计算所述波长选择开关的腔体中心的实时温度，所述控制器对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节和积分调节后汇总输出控制信号至执行器，其中，所述控制器对所述波长选择开关腔体中心的实时温度进行积分调节之前对所述波长选择开关腔体中心的温度进行积分分离；
所述执行器根据所述控制信号控制所述波长选择开关的腔体中心的温度达到目标温度。
可选的，所述积分调节的积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差。
可选的，所述积分调节的积分项包括非关键的积分项和关键的积分项，所述非关键的积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差大于或者等于预设阈值的积分项，所述关键的积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差小于预设阈值的积分项，对积分项进行积分分离，以过滤非关键的积分项，保留关键的积分项。
可选的，所述预设阈值为1摄氏度-1.5摄氏度。
可选的，所述控制器通过加热片温度计算出波长选择开关的腔体中心的实时温度的公式为
其中，Q为空气的导热效率，
为空气的导热系数，A为波长选择开关的腔体的导热面积，t为第一加热片温度与波长选择开关的腔体中心的温度的温度差，n为波长选择开关的腔体中心点到第一加热片的距离。
可选的，在对积分项进行积分调节之前还包括对积分项进行离散化，离散化公式如下：
其中，y 表示输出控制量，Kp、Ki、Kd表示PID系数，e(k)表示波长选择开关的腔体中心的实时温度计算值-目标温度值，
表示从第一次计算到当前次的差值之和，
表示当前次差值和上一次差值的差。
基于同一发明构思，本发明还提供一种PID温控系统，包括控制器和执行器，所述控制器用于接收加热片温度并计算波长选择开关的腔体中心的实时温度，以及对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节以及积分分离和积分调节后汇总输出控制信号，所述执行器用于根据所述控制信号控制所述波长选择开关腔体中心的温度到达目标温度。
可选的，所述执行器包括第一加热片和第二加热片，所述第一加热片和第二加热片平行并列设置，所述第一加热片和第二加热片用于对波长选择开关的腔体进行加热。
基于同一发明构思，本发明还提供一种波长选择开关，包括上述任一项所述的PID温控系统、光学器件以及波长选择开关的腔体，所述光学器件位于所述波长选择开关的腔体内，所述PID温控系统用于调节所述波长选择开关的腔体中心的温度。
可选的，所述波长选择开关的腔体包括相对布置的上壁和下壁，所述波长选择开关的的腔体的上壁和下壁上设置有散热棉。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
在本发明提供的PID温控方法、PID温控系统及波长选择开关，所述控制器通过加热片温度计算出波长选择开关的腔体中心的实时温度，所述控制器对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节和积分调节后汇总输出控制信号至执行器，以控制所述波长选择开关的腔体中心的温度，通过在积分调节前对所述波长选择开关的腔体中心的温度进行积分分离，以过滤非关键的积分项，仅计算关键的积分项，可以解决传统PID算法超调时间过大的问题；通过测量加热片的温度利用热力学公式计算波长选择开关的腔体中心的实时温度，增加了温度控制的稳定性；进一步的，所述PID温控系统的执行器包括第一加热片和第二加热片，所述第一加热片和第二加热片同时加热，增加的温控效率。
附图说明
图1是本发明实施例的PID温控系统示意图；
图2是本发明实施例的PID温控方法流程图；
图3是本发明实施例的PID温控原理图；
图1-3中，
10-控制器；10a-控制器输入端；10b-控制器输出端；10c-印刷电路板；11执行器；11a-第一加热片；11b-第二加热片；12-温度传感器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的PID温控方法、PID温控系统及波长选择开关作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例提供一种波长选择开关，包括PID温控系统和光学器件（图中未示出），以及光学器件所在的波长选择开关的腔体（图中未示出），所述光学器件与所述执行器11相邻，所述光学器件所在的波长选择开关的腔体包括上壁和下壁，所述波长选择开关的的腔体的上壁和下壁上分别设置有导热棉，用于散热。传统的PID温控系统中的散热部件由风扇和金属散热片构成，体积比较大，本实施例中的散热使用导热棉和腔体外壳散热，减少了散热部件的体积。
图1是本发明实施例的PID温控系统示意图；如图1所示，本实施例提供一种PID温控系统，包括控制器10和执行器11，所述控制器10用于接收加热片温度并计算波长选择开关的腔体中心的实时温度，对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节以及积分分离和积分调节，所述执行器11用于接收经过所述控制器10调节的控制信号，所述执行器11包括第一加热片11a和第二加热片11b，所述第一加热片11a和第二加热片11b平行并列设置，所述第一加热片11a和第二加热片11b用于对波长选择开关腔体进行加热，也就是说，所述执行器11为双面执行器。所述第一加热片11a和第二加热片11b的厚度例如是0.3毫米，传统PID温控系统的执行器的厚度例如是3毫米，本实施例中的PID温控系统的执行器的厚度比传统PID温控系统的执行器的厚度减少了85%以上。传统的PID温控系统只有一个执行器，温控效率比较低；本实施例中使用双面执行器，当PID控制器输出温度调节信号时，第一加热片11a和第二加热片11b同时执行温度调节信号，增加了温控效率。
图2是本发明实施例的PID温控方法流程图，图3是本发明实施例的PID温控原理图。如图2-图3所示，本实施例提供一种PID温控方法，用于控制波长选择开关的腔体中心的温度，包括：
步骤S10，温度传感器对加热片进行温度测量并将测得的加热片温度传输至控制器；
步骤S20，所述控制器接收加热片温度并通过所述加热片温度计算出波长选择开关的腔体中心的实时温度；
步骤S30，所述波长选择开关的腔体中心的实时温度在所述控制器中分别经过比例调节和积分调节后汇总输出控制信号至执行器，其中，在对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行积分调节之前对所述波长选择开关腔体中心的温度进行积分分离。
步骤S40，所述执行器根据所述控制信号控制所述波长选择开关的腔体中心的温度达到目标温度。
具体的，在步骤S10中，所述加热片温度为温度传感器12测量的第一加热片11a或者第二加热片11b的温度值，在本实施例中，所述加热片温度为温度传感器12测量的第一加热片的温度值。所述温度传感器12对所述第一加热片11a进行温度测试，并将测量得到的温度值输入至控制器的输入端10a。
在步骤S20中，所述控制器10通过测量第一加热片11a的温度计算出波长选择开关的腔体中心的实时温度的公式（1）如下：
其中，Q为空气的导热效率，
为空气的导热系数，A为波长选择开关的腔体的导热面积，t为第一加热片与波长选择开关的腔体中心的温度差，n为波长选择开关的腔体中心点到第一加热片的距离。
在本实施例中，波长控制开关的温控对象是波长选择开关的腔体中心的温度，传统PID温控的反馈值来自控制对象的直接测量值，波长选择开关的腔体中心是一个空间，因而波长选择开关的腔体中心温度直接测量的波动较大，不稳定。本实施例中不直接测量波长选择开关的腔体中心温度，通过测量第一加热片11a的温度利用热力学公式推导出腔体中心温度，增加了温度控制的稳定性。
在步骤S30中，所述控制器10对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节和积分调节，所述比例调节成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，立即产生控制作用以减小偏差。比例控制器的输出与输入偏差成正比，能迅速反映偏差，从而减小偏差，但不能消除静差。静差是指系统控制过程趋于稳定时，给定值与输出量的实测值之差。偏差存在，才能使控制器维持一定的控制量输出，因此比例控制器必然存在着静差。所述积分调节主要用于消除静差提高系统的无差度。积分作用的强弱，取决于积分时间常数，积分时间常数越大积分作用越弱，反之则越强。积分控制作用的存在与偏差的存在时间有关，只要系统存在着偏差，积分环节就会不断起作用，对输入偏差进行积分，使控制器的输出及执行器的开度不断变化，产生控制作用以减小偏差。在积分时间足够的情况下，可以完全消除静差，这时积分控制作用将维持不变。
进一步的，在所述波长选择开关的腔体中心的温度在积分调节之前对积分项进行积分分离，以过滤出符合条件的积分项。在本实施例中，所述积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差。所述积分项包括非关键的积分项和关键的积分项，所述非关键的积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差大于或者等于预设阈值的积分项，所述关键的积分项为波长选择开关腔体中心的温度与目标温度的温度差小于预设阈值的积分项，在本实施例中，所述预设阈值例如是1摄氏度-1.5摄氏度。在波长选择开关中，加热片的起始温度与目标温度一般有较大差距，加热时间较长，导致PID积分项的温差值很大，在控制温度达到之后，会有较大的超调，超调部分需要依靠积分项的负值来对冲，又导致超调时间很长。本实施例中，积分分离算法可以解决超调时间长的问题，执行器可以更快到达稳态，本实施例中积分分离技术的算法实现方法及其参数配置，使波长选择开关的温控的超调时间比传统PID控制减少63%以上。
传统的PID温控方法中的微分调节针对变化快的参数调节作用明显，由于本实施例中的温度变化较慢，无需使用微分调节，因此，本实施例中的PID温控方法删除微分项，减小了稳态波动。
进一步的，在进行积分调节之前，还需要对积分项进行离散化，PID算法的离散化是PID温控计算方法的关键一步，离散化的采样时间太快对算力要求较高，采样时间太慢就会延迟太高。本实施例中PID离散化算法公式（2）如下：
其中，y 表示输出控制量，Kp、Ki、Kd表示PID系数，e(k)表示波长选择开关的腔体中心的实时温度计算值-目标值，
表示从第一次计算到当前次的差值之和，
表示当前次差值和上一次差值的差。通过本实施例的PID离散化公式，PID离散化的采样时间例如是987ms，在上述采样时间下，温度的变化可以被测量出来，而且对计算要求较低。本实施例中，PID温控方法中采用深度的离散化处理，大幅度减少了温控系统对硬件算力的要求。传统PID离散化算法会积分所有历史数据，在长时间运行后会导致内存泄露；或者只积分最近固定数目的数据，这样节省了内存但是会造成系统误差，本实施例中的积分项保留所有历史数据的和，而不保留具体值，这样可以节省硬件内存，同时不会造成系统误差。
经实验发现，在本实施例中，波长选择开关的温度控制稳态精度可达到0.018摄氏度，传统的PID温控系统的温度控制稳态精度仅为0.1摄氏度，对比可知，本实施例中的波长选择开关的温度控制稳态精度提高了80%以上。
综上可见，在本发明实施例提供的一种PID温控方法、PID温控系统及波长选择开关，所述控制器通过所述加热片温度计算出波长选择开关腔体中心的温度，所述控制器对所述波长选择开关腔体中心的温度进行比例调节和积分调节后后汇总输出控制信号到执行器，以控制所述波长选择开关腔体中心的温度，通过在积分调节前对所述波长选择开关腔体中心的温度进行积分分离，以过滤非关键的积分项，仅计算关键的积分项，可以解决传统PID算法超调时间过大的问题；进一步的，所述加热片温度为测量第一加热片的温度，通过测量第一加热片的温度利用热力学公式计算腔体中心的温度，增加了温度控制的稳定性；所述PID温控系统的执行器包括第一加热片和第二加热片，第一加热片和第二加热片同时加热，增加的温控效率。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种PID温控方法，用于控制波长选择开关的腔体中心的温度，其特征在于，包括：
温度传感器对加热片进行温度测量并将测得的加热片温度传输至控制器；
所述控制器接收所述加热片温度并通过所述加热片温度计算所述波长选择开关的腔体中心的实时温度，所述控制器对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节和积分调节后汇总输出控制信号至执行器，其中，所述控制器对所述波长选择开关腔体中心的实时温度进行积分调节之前对所述波长选择开关腔体中心的温度进行积分分离；
所述执行器根据所述控制信号控制所述波长选择开关的腔体中心的温度达到目标温度。
2.如权利要求1所述的PID温控方法，其特征在于，所述积分调节的积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差。
3.如权利要求2所述的PID温控方法，其特征在于，所述积分调节的积分项包括非关键的积分项和关键的积分项，所述非关键的积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差大于或者等于预设阈值的积分项，所述关键的积分项为波长选择开关的腔体中心的实时温度与目标温度的温度差小于预设阈值的积分项，对积分项进行积分分离，以过滤非关键的积分项，保留关键的积分项。
4.如权利要求3所述的PID温控方法，其特征在于，所述预设阈值为1摄氏度-1.5摄氏度。
5.如权利要求1所述的PID温控方法，其特征在于，所述控制器通过所述加热片温度计算出波长选择开关的腔体中心的实时温度的公式如下：
其中，Q为空气的导热效率，
为空气的导热系数，A为波长选择开关的腔体的导热面积，t为第一加热片温度与波长选择开关的腔体中心的温度的温度差，n为波长选择开关的腔体中心点到第一加热片的距离。
6.如权利要求1所述的PID温控方法，其特征在于，在对积分项进行积分调节之前还包括对积分项进行离散化，离散化公式如下：
其中，y 表示输出控制量，Kp、Ki、Kd表示PID系数，e(k)表示波长选择开关的腔体中心的实时温度计算值-目标温度值，
表示从第一次计算到当前次的差值之和，
表示当前次差值和上一次差值的差。
7.一种PID温控系统，其特征在于，包括控制器和执行器，所述控制器用于接收加热片温度并计算波长选择开关的腔体中心的实时温度，以及对所述波长选择开关的腔体中心的实时温度进行比例调节以及积分分离和积分调节后汇总输出控制信号，所述执行器用于根据所述控制信号控制所述波长选择开关腔体中心的温度到达目标温度。
8.如权利要求7所述的PID温控系统，其特征在于，所述执行器包括第一加热片和第二加热片，所述第一加热片和第二加热片平行并列设置，所述第一加热片和第二加热片用于对波长选择开关的腔体进行加热。
9.一种波长选择开关，其特征在于，包括如权利要求7-8任一项所述的PID温控系统、光学器件以及波长选择开关的腔体，所述光学器件位于所述波长选择开关的腔体内，所述PID温控系统用于调节所述波长选择开关的腔体中心的温度。
10.如权利要求9所述的波长选择开关，其特征在于，所述波长选择开关的腔体包括相对布置的上壁和下壁，所述波长选择开关的的腔体的上壁和下壁上设置有散热棉。
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