激光器電源的高精度溫度控制器系統(tǒng)與算法的研究

激光器電源的高精度溫度控制器系統(tǒng)與算法的研究但是在實際生產(chǎn)生活中，在穩(wěn)定性、耐用性度控制系統(tǒng)方面。溫度的極小偏差會導致激響正常使用。一般來說，溫度改變1攝氏度，波長改變0.2-0.3nm,因此需要實現(xiàn)對激本文主要設計了一種高精度溫度控制系統(tǒng)。在算法方面，本設計采用了模糊PID控制算法，該算法兼具了模糊控制的強抗干擾能力以及PID控制算法消除穩(wěn)態(tài)誤差兩者的Laserisoneofthemostimportantinventionsofthe20thcentury,andithasvastlythetemperatureofthelaser,0.2-0.3nmofthewavelengthwitocontrolthetemperatureoflaserdiodewithhigh-precision.Thispaperpresentsahigh-precisiontemperaturecontrolsystemofthelaser.Inalgorithmitastepfurther,thealgorithmhasbesystemwithSTM32asthedirectionoftheTECwasachievedhigh-precisiontemperaturecontrol.目錄 11.1本設計的目的、意義及應達到的技術要求 11.2本設計在國內外的發(fā)展概況及存在的問題 11.3本設計應解決的主要問題 22激光器電源溫度控制系統(tǒng)算法的研究 22.1PID控制原理理論 22.2智能控制 42.3系統(tǒng)算法設計 93溫度控制系統(tǒng)的設計 3.1溫控系統(tǒng)總體框架 3.2溫度系統(tǒng)硬件總體介紹 3.3單片機軟件處理模塊設計 4系統(tǒng)仿真 4.2系統(tǒng)仿真過程 總結和展望 參考文獻 120世紀90年代末，伴隨著工業(yè)革命以及Internet的逐步普及，各大工業(yè)領域繁榮發(fā)展，其中，光纖通信行業(yè)在整個領域中呈現(xiàn)發(fā)展迅猛的狀態(tài)，光電子行業(yè)的繁榮對經(jīng)濟、科研、軍事、醫(yī)療等各個領域起著不可替代的作用，工業(yè)的發(fā)展越來越離不開激光器。其中由砷化鎵、砷化鎘、硫化鋅等半導體材料作為工作物質的半導體激光器受到人們的大力歡迎，其效率可以達到20-40%,同時它具有轉換效率高、集成度高、體積小、價格低等優(yōu)點，成為了信息技術領域中必不可少的核心器件，并且它被廣泛應用于光纖半導體激光器是將電子轉化為光子的器件，在工作過程中常常會伴有各種非輻射以及各種載流子的損耗。這種損耗會導致激光器電源溫度上升，系統(tǒng)溫度的上升進而導致激光器的輸出波長以及光損耗等各個方面受到嚴重影響。在目前量產(chǎn)的半導體激光器中，在電流恒定且環(huán)境濕度恒定的情況下，激光器電源系統(tǒng)溫度每升高一度，激光器輸出的波長會大約增加0.2-0.3nml2l。同時，由于激光器工作過程中熱損耗很大，這種損耗大約占總功耗的50%-70%,若沒有及時地溫度下降措施，會導致芯片溫度快速升高，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定以及壽命降低，所以給激光器電源一個穩(wěn)定并且快速的溫度控制系統(tǒng)非常重要。在目前激光器的發(fā)展中，由于溫度控制精度的限定，激光器的應用在未來還有廣泛的空間。因此，需要不斷設計并實驗，不斷提高激光器溫度的控制精確度。1.1本設計的目的、意義及應達到的技術要求在實際生產(chǎn)生活中，大部分工業(yè)控制系統(tǒng)采用PID控制系統(tǒng)或者模糊控制系統(tǒng)。但是由于實際生產(chǎn)往往具有很多不確定的因素，上述兩種控制模式均存在一定的局限性，例如PID控制器較難建立精確的數(shù)學模型，模糊控制難以消除穩(wěn)態(tài)誤差。在這種情況下，設計一種新型的控制系統(tǒng)，對控制理論實際應用發(fā)展有著非常重要的意義。1.2本設計在國內外的發(fā)展概況及存在的問題國內外很多公司、學校以及研究所都致力于提升激光器輸出波長的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的耐用性，并不斷改善半導體激光器的溫度控制系統(tǒng)的核心控制算法。目前，國外如WAVELENGTH、THORLABS等公司生產(chǎn)的激光器溫度控制系統(tǒng)分辨率可以達到0.001攝氏度，長期穩(wěn)定性控制在0.005攝氏度以內，并且具有性能高、價格低等特點[3]。相比之下，國內生產(chǎn)的激光器溫度控制系統(tǒng)測溫精度只能達到0.02攝氏度左右，分辨率較低，需要大力改進，同時半導體激光器系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性、可靠性、算法等方面都需要改善，才能讓激光器得到更加廣泛的應用。半導體激光器發(fā)光原理是根據(jù)固體的能帶理論，通過一定的激勵使得能帶與雜質能2級之間產(chǎn)生受激反射作用，采用載流子復合發(fā)光的方式4]。這種發(fā)光方式導致了半導體激光器在工作時會產(chǎn)生較多熱量，而這部分熱量如統(tǒng)主控板的溫度，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而導致LD的輸出功率和波長受到影響，除此之要精確控制激光器LD二極管的溫度，在溫度出現(xiàn)波動能夠及時調整，嚴格減少LD輸制。除此之外，提高半導體激光器溫度控制1.3本設計應解決的主要問題本文主要對激光器溫度控制算法的研究，預期控制精度達到0.1攝氏度。本設計首先基于自動控制理論，設計溫度控制模型，在此基礎上研究目前工業(yè)上使用較多的PID各個算法的優(yōu)缺點，以及結合工程上會出現(xiàn)的情況，設計了一種模糊PID控制算法。同時分析激光器在工程實際生產(chǎn)中可能會出現(xiàn)的一些干擾情況，最后在2激光器電源溫度控制系統(tǒng)算法的研究(1)本文在充分了解恒溫控制系統(tǒng)的控制需求后，通過查閱相關資料，并根據(jù)自動控制原理，設計半導體激光器溫度控制系統(tǒng)，運用MATLAB軟件功能下SIMULINK間較短，超調量小，無穩(wěn)態(tài)誤差的高精度溫度控制系統(tǒng)，以保證激光器輸出可靠、穩(wěn)定(2)本設計采用STM32f103作為主控芯片，使用半導體TEC的制冷節(jié)系統(tǒng)溫度，根據(jù)設定溫度以及實際溫度，單片機輸出控制2.1PID控制原理理論在平時生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)效率以及減少人制、順序控制等方式，其中PID控制系統(tǒng)是前饋控制系統(tǒng)是實際生產(chǎn)中非常常用的一種3控制系統(tǒng)，其控制全稱為比例積微分控制5I。根據(jù)PID系統(tǒng)的屬性，它的算法較為簡單且魯棒性好，同時又因為它具有可靠性高的優(yōu)點，故PID算法深受研發(fā)人員的青睞，被廣泛運用于精度要求不高的工業(yè)控制中。在實際的應用領域中，PID控制系統(tǒng)的設計一般都是在微控制器或者計算機的條件下進行，根據(jù)控制要求，調節(jié)PID控制器的三個參數(shù)，調整并優(yōu)化控制系統(tǒng)。PID控制系統(tǒng)是閉環(huán)控制中的一種，系統(tǒng)運行時根據(jù)被控對象反饋控制信號進行調節(jié)，其結構主要由PID控制器、執(zhí)行器、受控對象等部分組成，其具體流程圖如圖2-1所示。其中PID控制器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)三個環(huán)節(jié)線性疊加組成。在設計過程中，通過不斷驗證并優(yōu)化這三個環(huán)節(jié)的參數(shù)，達到穩(wěn)定性、快速性、準確性三個比例比例十反饋信號被控對象執(zhí)行機構十十圖2-1PID控制流程圖PID屬于線性控制器的一種，一般以偏差值作為輸入信號，其中偏差值e(t)由期望值r(t)和實際輸出y(t)相減得到微控制器將獲得的偏差值進行比例、積分、微分運算，計算完成后將獲得的三個值進行線性組合構成控制量，輸出到被控對象，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，其控制算法可以表示為傳遞函數(shù)的形式為：比例調節(jié)作用：比例調節(jié)起到了信號放大的作用，在控制過程中，比例控制部分加4快系統(tǒng)響應速度。在系統(tǒng)偏差產(chǎn)生的時候，比例環(huán)節(jié)的運用使被控量朝著偏差減小的方向調整，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地輸出所需信號。比例系數(shù)太小會導致系統(tǒng)調整力度較小，在出現(xiàn)較大干擾的情況下，無法及時恢復設定值，調節(jié)時間較長；而增大比例系數(shù)可以增強系統(tǒng)的靈敏度，但是過大的比例系數(shù)會增加系統(tǒng)震蕩次數(shù)，導致系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅降低。同時，僅靠比例環(huán)節(jié)幾乎很難達到系統(tǒng)理想的控制狀態(tài)，在系統(tǒng)只存在比例環(huán)節(jié)控制的時候，系統(tǒng)會存在穩(wěn)態(tài)誤差，動態(tài)性能較低。積分調節(jié)作用：積分環(huán)節(jié)在控制過程中主要起到一個消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用。積分環(huán)節(jié)的運用能夠提高系統(tǒng)的無差度，但是積分調節(jié)與比例環(huán)節(jié)存在一個90度的相位滯后，會使得系統(tǒng)穩(wěn)定性相對降低。在設備工作過程中，系統(tǒng)不斷比較設定溫度值于系統(tǒng)溫度值，只要二者存在偏差，積分器便會一直作用。在積分調節(jié)的運用中，需注意積分環(huán)節(jié)會使調節(jié)器和調整反應速度降低。微分調節(jié)作用：微分環(huán)節(jié)具有超前調節(jié)的能力，它的相位比比例控制超前90度，能夠預知系統(tǒng)偏差的變化趨勢，能夠較好地縮小系統(tǒng)地調節(jié)時間，當系統(tǒng)偏差速度變化的時候，微分環(huán)節(jié)朝偏差速度減小的方向起作用。2.1.2PID控制算法的改進由于計算機只能處理量，故計算時需要對PID算法進行數(shù)字化處理，系統(tǒng)運行中需要不斷對e(t)進行累積，會造成系統(tǒng)計算量過大，因此需要將位置式PID算法優(yōu)化為增增量式PID算法不僅能夠減少處理器的計算量，同時由于該算法的控制量只是由最近幾次采樣值確定，因此增量式PID控制算法能夠較為準確地判斷系統(tǒng)當前地狀態(tài)，進一步的能夠獲得較好的輸出狀態(tài)。并且當系統(tǒng)不穩(wěn)定，處理器計算存在誤差或計算精度較低時，由于輸入?yún)?shù)只是最近幾次采樣值的偏差，故對控制對象的影響較小，動態(tài)性能提升，使得系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高。參數(shù)整定是PID控制中最核心的部分，也是PID算法中最復雜的部分，不同的參數(shù)整定方法直接反應系統(tǒng)的調節(jié)精度及品質。其中整定方法中較為常用的主要有動態(tài)特性參數(shù)法、臨界比例度法、經(jīng)驗試湊法等，在實際應用中，需要被控量的輸出波形，多次調試直到獲得較滿意的控制參數(shù)。智能控制代表著工業(yè)的發(fā)展水平，從二十世紀中葉以來，自動控制理論經(jīng)歷了“經(jīng)典控制理論”、“現(xiàn)代控制理論”、“大系統(tǒng)理論”和“智能控制理論”四大階段，并且在工程中得到廣泛運用[7]。隨著工業(yè)4.0的普及和機器人更多地取代人類的工作，智能控制的蓬勃發(fā)展是當今社會發(fā)展的必然趨勢。智能控制是一門新興的多學科控制技術，5控制包含了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家控制、根據(jù)控制需求選擇合適的智能控制算法，并且根2.2.1模糊控制在實際的生產(chǎn)過程中，工程設備常常會出現(xiàn)未此常規(guī)的控制模型是難以適應這種模式的。確定的關系。模糊控制是在建立模糊模型的基礎上，根據(jù)fuzzy理論，將確定性領域擴述并總結成if……then語句，它們反映了一個系統(tǒng)的動態(tài)特性并且影響著系統(tǒng)的性能指四部分組成，其基本結構圖如圖2-2所示。￥X被控對象輸出量執(zhí)行器模糊控制算法中最核心的組成成分，它的主要部分是微型計算機或微型控制器，在系統(tǒng)運行中起著數(shù)據(jù)處理的作用。在實際的工程運用輸入輸出接口裝置：獲取傳感器傳回的數(shù)字信號進行模糊化處理得到模糊輸入信號，并傳送到模糊控制6號，最終通過執(zhí)行器控制被控對象。廣義對象：廣義對象由被控對象和執(zhí)行機構兩大部分構成。其中被控對象通常帶有各種不確定干擾，這些干擾會導致輸出的不穩(wěn)定。執(zhí)行機構的作用為根據(jù)傳感器獲取的被控對象的變化，迅速、準確將被控對象調整為正常狀態(tài)。傳感器：傳感器是獲取被控對象參數(shù)的一種裝置，將獲取到的測量信息進行處理、傳輸和存儲等，通常將非電量轉化為電信號。在各種類型的控制過程中，傳感器起著至關重要的作用，它讀取系統(tǒng)當前狀態(tài)的準確性將直接影響系統(tǒng)的控制精度。模糊控制系統(tǒng)需要實際的工程經(jīng)驗建立模糊規(guī)則，并根據(jù)工廠中工程師的控制決策建立模糊決策，這個模型的建立需要長期的積累，因此，模糊控制系統(tǒng)的控制質量很大一部分取決于模糊規(guī)則的制定以及最終的模糊決策。2.2.2模糊控制器在模糊控制系統(tǒng)的設計過程中，核心部分是模糊控制器的設計，該控制器模仿人工控制的工作方式大大提高了控制質量。在工作過程中，它起到將輸入信號進行模糊化處理，以及進行模糊推理合成和解模糊的作用，其基本結構圖如圖2-3所示。功能具體實現(xiàn)過程，首先是將傳感器得到的以及計算機獲得的精確量數(shù)字信號轉化為模糊量信息；然后跟據(jù)在工程實際生產(chǎn)中研發(fā)人員的控制經(jīng)驗或者策略對模糊量信息進行模糊推理及模糊處理，再由系統(tǒng)輸出接口輸出控制的精確量信息；最終輸出的精確量控制信息傳送給執(zhí)行器作用于被控對象，使控制系統(tǒng)正常工作。輸出量輸出量合成處理輸入量圖2-3模糊控制器基本結構圖模糊控制器的輸入變量的維數(shù)影響著系統(tǒng)的控制精度，在實際工程中，模糊控制器輸入維度越高能夠直接使得系統(tǒng)控制精度越高，在此情況下，模糊規(guī)則的設計及模糊決策的設計會更復雜，比較難實現(xiàn)。因此在一般情況下，研發(fā)人員選用二維模糊控制器進行2.2.2模糊PID控制技術傳統(tǒng)的PID能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，并且具有簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但是它不能在線整定參數(shù)，故它無法很好地適應非線性、時變系統(tǒng)。而模糊控制能夠對計算機獲得的數(shù)據(jù)進行模糊化處理，但是它很難消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，模糊控制的設計缺乏系統(tǒng)性，動7態(tài)品質較差，難以達到高精度的控制要求。在高精度的工業(yè)控制中，如果將PID與模糊控制算法相結合，二者所形成地模糊參數(shù)自整定PID控制器便很好地解決了上述問題。此過程需要根據(jù)控制經(jīng)驗，建立模糊控制的隸屬度函數(shù)對增量式PID的三個參數(shù)進行整溫度進行處理，得到溫度差e(t)以及溫度差變化率d△(e),然后通過模糊pid算法，選(1)創(chuàng)建模糊PID控制器在模糊PID控制中，輸入信號e(t)為：誤差變化率d△(e):本設計首先假設誤差e(t)論域為(-3,3),即誤差e(t)的具體值只可取在-3到3之間，第二步對溫度差變化率d△(e)作同樣的操作，將d△(e)論域設為(-1,1),模糊等級{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。論域模糊等級論域模糊等級表2-2輸出量與模糊等級表(2)建立隸屬度函數(shù)[10。本設計根據(jù)專家經(jīng)驗法采用三角形隸屬度函數(shù)，函數(shù)關系如圖2-4所示：8圖2-4三角形隸屬度函數(shù)規(guī)則圖(3)創(chuàng)建模糊規(guī)則表根據(jù)上述步驟所建立的三角型隸屬度函數(shù)，創(chuàng)建誤差與誤差變化率的模糊規(guī)則表，具體如表2-3所示。表2-3模糊控制規(guī)則表92.3系統(tǒng)算法設計系統(tǒng)首先通過溫度傳感器讀回的模擬信號，進行AD轉換，獲取系統(tǒng)當前溫度值與系統(tǒng)溫度的設定值進行比較，通過微控制器計算得出溫度偏差以及偏差變化率的精確量。將上述步驟獲得的結果作為模糊控制器的輸入，通過對此精確量進行模糊化，并經(jīng)過微控制器預先儲存好的模糊規(guī)則以及模糊運算等各個步驟，最終獲得PID的三個控制參數(shù)；通過PID計算后，輸出對TEC的控制量。算法系統(tǒng)框圖如2-5所示。對象參數(shù)可控式PID對象模糊控制器圖2-5模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)框圖模糊PID控制系統(tǒng)中，模糊控制器的作用為輸出PID控制的三個參數(shù)，其工作過程使用的是模糊量數(shù)值?？刂破魍ㄟ^對模糊量的運算合成等方式，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，而計算機讀取的數(shù)據(jù)為精確值，故需要對計算機的精確量進行模糊化處理。模糊化的具體過程首先是將系統(tǒng)中溫度傳感器采樣到的值變成模糊語言變量的語言值。算法的隸屬函數(shù)在大部分情況下，選用三角形、梯型、高斯型的分布，控制器輸入數(shù)值的隸屬度由隸屬函數(shù)圖確定。當我們通過給定元素的隸屬度函數(shù)后，就完成了對輸入信號的模糊化處理。對于已經(jīng)完成模糊化的數(shù)字信號，進行下一步的模糊運算。2.3.2模糊控制規(guī)則模糊規(guī)則需要根據(jù)實際得控制經(jīng)驗得到，在實際中由工廠工程師以及操作人員操作經(jīng)驗總結得到，通過使用模糊語言的描述得到模糊條件語句的集合，因此模糊規(guī)則直接決定控制系統(tǒng)的品質，需要長期不斷地積累。在工廠中，將工程師以及操作員地控制經(jīng)驗進行策略化，然后將各種可能需要用到的模糊策略用模糊蘊涵關系“if……then”集合起來，構成模糊規(guī)則控制表[11]。根據(jù)長期積累的模糊蘊涵關系，對△(e)進行分析。當系統(tǒng)的△(e)比較大時，為了減小系統(tǒng)的調節(jié)時間，應該選擇較大的Kp和較小的K?。同時為了減小系統(tǒng)的超調量，應該將微分調節(jié)減小為0。當△(e)處于中等大小時，應該減小比例環(huán)節(jié)的作用，以減少系統(tǒng)的超調量。當△(e)較小時，應當增大積分和微分調節(jié)的系數(shù)，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.3.3模糊運算在模糊控制器的設計工作中，最重要的步驟為確定語言控制規(guī)則，類似于if…then…語句?？刂凭戎饕煽刂埔?guī)則確定，故根據(jù)控制精度需要選擇合適的控制規(guī)則，由于在控制規(guī)則較多的情況下，控制系統(tǒng)的反應時間會有所增加，而推理的質量會有所下降。因此，在模糊控制器中模糊控制規(guī)則設計時，需根據(jù)控制要求選取恰當數(shù)量的控制規(guī)則，并且需要使用正確的控制形式。本設計根據(jù)控制需求采用的模糊推理計算為兩輸入、三輸出模糊控制器，輸入為溫度傳感器傳回的溫度值與設定值溫度的偏差△(e)和偏差變化率d△(e),經(jīng)過控制器的模糊運算，輸出PID算法部分的Kp、Kp、K,三個控制參數(shù)。在設計完成后，需要通過計算機仿真技術進行實驗，檢查控制精度是否達到控制需靜態(tài)特性進行對算法的簡化。3溫度控制系統(tǒng)的設計3.1溫控系統(tǒng)總體框架3溫度控制系統(tǒng)的設計本設計以嵌入式單片機STM32F103作為閉環(huán)負反饋溫度控制系統(tǒng)的控制核心，運用KEIL5軟件進行編程，使用ADC數(shù)模轉化器進行A/D轉換獲得溫度傳感器鉑電阻PT100的采樣溫度，經(jīng)過控制器的運算，最終輸出控制TEC,實現(xiàn)激光器穩(wěn)定的波長輸出，硬件電路整體框圖如圖3-1所示。根據(jù)工程控制經(jīng)驗，首先在微控制器中設計好模糊PID控制器，根據(jù)系統(tǒng)當前的狀態(tài)對系統(tǒng)參數(shù)進行整定，并通過調節(jié)PWM占空比以及場效應管MOSFET的通斷，最終達到改變溫度調節(jié)器TEC的電流以及方向的目的，使系統(tǒng)處于設定的溫度值范圍內，從而使半導體激光器處于正常工作狀態(tài)，輸出穩(wěn)定的與與設置溫度比較模糊控制按鍵溫度傳感器3.2溫度系統(tǒng)硬件總體介紹體、AD轉換器、液晶顯示五大部分組成，實物主控板如圖3-2所示。圖3-2實物主控板圖(1)嵌入式單片機stm32控制核心：采用了stm32f103RCT6作為主控芯片。STM32F103RCT6是以cortex-M3為內核，內部嵌入了FLASH及RAM的高集成IC。STM32F103屬于32位ARM中低端型微控制器，加入外部晶振后，最高晶振頻率可以達到72MHz,時鐘周期大約為0.014μs,相比于51單片機機器周期更快，系統(tǒng)更穩(wěn)定，(2)溫度傳感器：溫度采樣選取鉑電阻PT100溫度傳感器，它是目前工程應用中高精度溫度控制系統(tǒng)常用的溫度傳感器。在溫度為零時PT100的電阻為100歐姆，隨著溫度上升阻值勻速增漲，PT100測溫范圍在零下200-正850攝氏度之間，測溫精度可以本設計采用使用HX711作為AD數(shù)模轉化器，它是一款專為電子秤設計的模數(shù)轉化器，該芯片集成了片內振蕩器以及穩(wěn)壓電源等模塊，具有強抗干擾能力，并且它可選擇(4)TEC半導體制冷器：TEC是精密溫控中非常常用的材料，特別是在PCR溫控以及激光器上。TEC屬于電流換能型器件，內部含有多對P型和N型組，構成多對電偶極子，根據(jù)珀爾貼效應，直流電通入TEC電流的方向不同使得在電偶節(jié)點處產(chǎn)生不同的能量轉化，造成吸熱或放熱的現(xiàn)象，從而實現(xiàn)溫控，如圖3-3所示。它可以實現(xiàn)將控制系統(tǒng)調節(jié)在零下130度到正90度的溫度范圍內。(5)液晶顯示：本設計采用TFTLCD液晶顯示屏作為人機交互界面，液晶屏幕顯示設定的溫度以及實際溫度以及調節(jié)溫度控制，除此之外，可以直接通過觸控屏調節(jié)設定溫度，方便快捷。設計中為了獲取更準確的溫度，使用了三個溫度傳感器。STM32讀回的三個傳感器的值進行運算，獲取它們的平均值，作為系統(tǒng)的實時溫度，液晶控制界面如圖3-3所示。圖3-3實物液晶界面圖3.3單片機軟件處理模塊設計本設計軟件部分采用模塊化編程的方法，運用C語言在kei15軟件上進行編程，程序主要包括：主控程序模塊、系統(tǒng)參數(shù)初始化程序、溫度傳感器值讀取程序、液晶顯示程序及模糊PID控制算法程序等。核心的算法程序部分實現(xiàn)方式為：在程序中編寫模糊關系對應控制表，并存儲到單片機中，系統(tǒng)每次讀回的溫度值首先與設定值作比較，然后通過模糊PID算法進行模糊化處理，接著查詢控制表輸出對應值，最終送至執(zhí)行對象半導體TEC中去。在stm32的控制下，系統(tǒng)獲取三個溫度傳感器的溫度值，并且將計算后的結果顯示在液晶屏中，同時將此平均值與設定值進行(e),將所求e(t)及d△(e)作為模糊PID控制器的輸入，經(jīng)過stm32微控制器的模糊運算得到PID的K,、T;、T,三個控制參數(shù)，通過PID計算后輸出需要的控制值，并運用pwm控制方式控制TEC電路的電流方向以及電流大小，最終實現(xiàn)對激光器電源的高精度溫度控制，此過程的控制算法流程圖如圖3-4所示。獲取傳感器溫度值獲取傳感器溫度值載入模糊關系并計算解模糊，輸出調整PID的三個參數(shù)輸出控制量圖3-4算法流程圖3.4硬件PCB設計本設計由于控制需求精度較高，故為了更好地提升系統(tǒng)的抗干擾能力，在充分考慮了電磁兼容的各個因素后，運用PCB繪制軟件AltiumDesigner,根據(jù)原理圖畫出溫度控制系統(tǒng)PCB版圖，如圖3-5所示。PCB板的應用大大提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，并且提高了電路的穩(wěn)定性以及設計的效率。圖3-5溫度控制系統(tǒng)硬件PCB圖4系統(tǒng)仿真MATLAB是一款強大的數(shù)學計算軟件，該軟件同時具備了數(shù)學分析和仿真軟件等強大的功能。Matlab的全稱是matrix&laboratory,即矩陣實驗室，應用了數(shù)學中矩陣的知識，處理各種數(shù)據(jù)、統(tǒng)計規(guī)律、模擬各種模型，為數(shù)值分析、科學數(shù)據(jù)可視化等眾多SIMULINK是MATLAB軟件下一個非常常用的集成仿真環(huán)境，它被大量運用于非線性因素和隨機因素的處理上，SIMULINK的動態(tài)建模、仿真、分析等功能，大大提升了科研開發(fā)的進度，受到了科研界、學校、工廠等各個領域的大力歡迎。4.2系統(tǒng)仿真過程(1)新建一個模糊控制器a.啟動Matlab,在命令行窗口輸入fuzzy以啟動FuzzyLogicDesigner。然后創(chuàng)建兩個輸入量，三個輸出量。分別為偏差、偏差變化率、比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。最后編輯輸入/輸出量，如圖4-1所示。1圖4-1MATLAB界面設置輸入輸出圖(2)劃分模糊等級使用AddMFs,添加七個模糊等級，并編輯每個模糊等級對應的隸屬度函數(shù)，如圖4-2所示。一□Xto23231Etrimf圖4-2MATLAB設計模糊劃分界面圖(3)創(chuàng)建模糊規(guī)則表在模糊PID控制算法中，最重要的部分就是模糊規(guī)則，此部分的仿真操作需要回到FuzzyLogicDesigner的主界面，使用Edit-Rules將模糊規(guī)則表輸入至軟件中，如圖4-3所示。>口×E總結和展望在傳統(tǒng)的工業(yè)控制中，較多采用純模擬電路對系統(tǒng)溫度進行控制，控制方式主要以PID控制為主。由于傳統(tǒng)PID控制需要給出確定參數(shù)，故傳統(tǒng)的控制方法存在電路設計較為復雜，同時由于系統(tǒng)存在很多不確定的干擾，導致系統(tǒng)控制精度較低，動態(tài)性能較在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中一般以數(shù)字控制系統(tǒng)為主。數(shù)字控制系統(tǒng)是利用采樣值以及離散微分方程進行求解的一種控制系統(tǒng)，與模擬控制系統(tǒng)相比較，控制精度更高、控制范圍更廣，同時基于數(shù)字信號本身的特性，數(shù)字控制系統(tǒng)具有較強的動態(tài)性能，能適應復雜且多變的擾動。然而，數(shù)字控制系統(tǒng)比模擬控制系統(tǒng)復雜?；谏鲜鲆蛩?，本設計采用現(xiàn)代控制理論與PID控制結合的方法，運用模糊控制理論對PID系統(tǒng)參數(shù)進行整定，從而對半導體激光器系統(tǒng)溫度進行調節(jié)。模糊PID算法主要過程首先計算輸入值與實際值的偏差，然后根據(jù)模糊控制PID算法計算給出相應的控制量，最后通過控制stm32控制輸出pwm波控制TEC實現(xiàn)加熱或制冷。通過仿真表明，模糊PID控制技術可以大大減少系統(tǒng)的調節(jié)時間以及穩(wěn)定誤差，大大了提高系統(tǒng)的動態(tài)特性以及激光器的性能。本設計的仿真結果展示了模糊PID控制算法的可行性，也論證了此算法應用于激光器電源的可行性，但是由于在實際控制系統(tǒng)中存在很多的復雜的非線性、不可預測的干擾量，而本文展示的算法只是對激光器電源簡化模型的控制，故此算法的實際應用需要在實際應用中不斷優(yōu)化，在工廠的使用中不斷優(yōu)化模糊控制模型，提高實際應用中的控制精度。參考文獻35-40.[10]孫遜，胡光銳，李劍萍.一種基于模糊聚類的隸屬函數(shù)定義方法[J].計算機應用與軟大學四年生活如白駒過隙，是結束也是一段新人生的開始?；叵脒^去三年多的生活，汗與淚、苦與樂、勤與專，交織成一張嚴謹求是、刻苦專研的繭，讓我努力探求，不斷思索。感謝學校提供了這么優(yōu)異的學習環(huán)境以及教學平臺，感謝一直指引我前行的導師來的就業(yè)做了更充分的準備。在論文撰寫的器的選擇以及算法的選擇等等。在方宇杰老師耐感謝我的指導老師方宇杰博士以及我的團隊伙伴!附錄1程序源代碼floatsum[3]={0};//存放三組溫度數(shù)據(jù)的數(shù)組externunsignedcharDS18B20_ID[8][8];//檢測到的傳感器ID存數(shù)組externunsignedcharDS18B20_SensorNum;//////////////////////////////////////////////////////////////電阻觸摸屏測試函數(shù)//u8key//if(tp_dev.sta&TP_PRES_DOWN)//觸摸屏被按下//if(tp_dev.x[0]<1cddev.widthk&tp_dev.y[0]<1cddev.height)if(tp_dev.x[0]>(1cddev.width-24)&&tp_dev.y[0]<16)Load_Drow_Dialog();//清除圖//if(key==KEYO_PRES)//KEYO按下，則執(zhí)行校準程序//TP_Adjust();//屏幕校準inttem,insum=0;//溫度、總數(shù)的整數(shù)位系統(tǒng)時鐘設置//串口初始化為9600//延時初始化//初始化與LED連接的硬件接口TIM1_Int_Init(499,7199);//time=(500*720TIM1_3PWMInit(99,719);//PWM頻率=72000/[(39+1)(71+1)]=25KhzLCD_ShowString(10,10,220,16,16,"Temperaturecontroldesign");while(DS18B20_Init())//DS18B20初始化{LCD_ShowString(91,30,200,16LCD_ShowString(91,50,200,16LCD_ShowString(91,70,200,16//LCDFill(60,130,239,130+16,WHITE);一一printf("DS18B20ReadLCD_ShowString(91,30,200,1LCD_ShowString(91,50,200,1LCD_ShowString(91,70,200,1LCD_ShowString(10,90,200,16LCD_ShowString(10,130,200,16,16,"Temp_2:.LCD_ShowString(10,150,200,16,16,"Temp_3:.LCD_ShowString(10,250,60,60,24,”goup");LCD_ShowString(90,250,60LCD_ShowString(180,LCDDrawLine(LCD_DrawLine(80,200,80,320);{{LCD_ShowChar(10+55,11{LCD_ShowChar(60+55,11//去掉負號LCD_ShowNum(10+55+8,110+i*20,(int)temperature,2,16);//顯示正數(shù)部分LCD_ShowNum(10+55+32,110+i*20,(temperature-tem)LCD_ShowNum(10+80+8,90,(inLCD_ShowNum(10+80+32,90,(SUM-insuif(SUM>max)//溫度對應PWM輸出{{電路原理圖CHI/TIM8PCI0L4_TX/SDIO_D2NRST43普需PAOWKUP/ADCO/TIM2_CHI_ETRPA2U2_TN/ADC2TIM2CHVTIM5PA3U2RX:ADC3/TIM2CH4/CH4PBISSPMOSM監(jiān)PAOWKUPADCOTIM2CHIETR/TIMSCVSS_,XlNRF(S3K385k 亞5PAIZICANTX/USBDPTIMIMISOADC6/TIM3_CHL/TIM8_BKINPAIQUIRX/TIM1C3bEmE____2468LCDDOLCDD4LCDD63VCC3;3Vc(5捷鍵與一些電腦小技巧這是高手最常用的第一快捷組合鍵。這個快捷鍵組合可以將桌面上的所有窗口瞬間最小化，無論是聊天的窗口還是游戲的窗口……只要再次按下這個組合鍵，剛才的所有窗口都回來了，而且激活的也正是你最小化之前在使用的窗口!有一個更簡單的辦法，就是按winkey+r!如果打開的窗口太多，這個組合鍵就非常有用了，它可以在一個窗口中顯示當前打開的所有窗口的名稱和圖標●,選中自己希望要打開的窗口，松開這個組合鍵就可以了。而alt+tab+shift鍵則可以反向顯示當當你需要打開資源管理器找文件的時候，這個快捷鍵會讓你感覺非?！八?再也不用騰出一只手去摸鼠標了!win95鍵盤，這種鍵盤在原來101鍵盤的左右兩邊、ctrl和alt鍵之間增加了兩個windwos鍵和一個屬性關聯(lián)鍵。107鍵盤又稱為win98鍵盤，比104鍵多了睡眠、喚醒、開機等電源管理鍵，這3個鍵大部分位于鍵F10或ALT激活當前程序的菜單欄打開開始菜單在win9x中打開關閉程序對話框刪除被選擇的選擇項目，如果是文件，將被放入回收站刪除被選擇的選擇項目，如果是文件，將被直接刪除而不是新建一個新的文件剪切被選擇的項目到剪貼板SHIFT+INSERT或CTRL+V粘貼剪貼板中的內容到當前位置ALT+BACKSPACE或CTRL+Z撤銷上一步的操作ALT+SHIFT+BACKSPACE重做上一步被撤銷的操作Windows鍵+D:最小化或恢復windows窗口Windows鍵+U:打開“輔助工具管理器”Windows鍵+EWindows鍵+FWindows鍵+RWindows鍵+BREAKSHIFT+F10或鼠標右擊重新將恢復上一項操作前窗口的大小和位置打開資源管理器打開當前活動項目的快捷菜單在放入CD的時候按下不放，可以跳過自動播放CD。在打開word的時候按下不放，可以跳過自啟動的宏一個窗口)在IE中：關閉當前應用程序打開程序最左上角的菜單切換當前程序切換當前程序將windows下運行的MSDOS窗口在窗口和全屏幕狀態(tài)間切換將當前屏幕以圖象方式拷貝到剪貼板將當前活動程序窗口以圖象方式拷貝到剪貼板關閉當前應用程序中的當前文本(如word中)切換到當前應用程序中的下一個文本(加shift可以跳到前顯示前一頁(前進鍵)顯示后一頁(后退鍵)在頁面上的各框架中切換(加shift反向)2.刪除以下文件夾中的內容；x:\DocumentsandSettings\用戶名\LocalSettings\Temp\下的所有文件(用戶臨時文件)有文件(頁面文件)x:\DocumentsandSettings\用戶名\Recent下的所有文件(最近瀏覽文件的快捷方x:WINDOWS\Temp\下的所有文件(臨時文件)x:WINDOWS\ServicePackFiles(升級spl或sp2后的備份文件)x:WINDOWS\DriverCache\i386下的壓縮文件(驅動程序的備份文件)x:\WINDOWS\SoftwareDistribution\download下的所有文件3.如果對系統(tǒng)進行過windoesupdade升級，則刪除以下文件：x:windows下以Su…開頭的隱藏文件4.然后對磁盤進行碎片整理，整理過程中請退出一切正在運行的程序原點”(最好以當時的口期作為還原點的名字)7、在各種軟硬件安裝妥當之后，其實XP需要更新文件的時候就很少了。刪除系統(tǒng)備份文件吧：開始→運行→sfc.exe/purgecache近3xxM。(該命令的作用是立即清除"Windows文件保護"文件高速緩存，釋放出其所占據(jù)的空間)8、刪掉'windows'system32檔，只要你已拷貝了安裝文件，完全可以這樣做可能性不大，所以也可以考慮將這個備份刪除，文件位于windows\drivercachei386日錄下，名稱為driver.cab,你直接將它刪除就可以了，通常這個文件是74M。不全部都合適白己的使用，比如1MJP81日文輸入法、IMKR61韓文輸入法這些輸入法，如果用不著，我們可以將其刪除。輸入法位于windows\ime\文件夾中，全部占用了88M的空間。11、升級完成發(fā)現(xiàn)windows\多了許多類似$NtUninstallQ311889$這些日錄，都干都干掉!因此有必要對其進行于工設置，以減少硬盤占用量。打開"系統(tǒng)屬性"對話框，選擇"系統(tǒng)還原"選項，選擇"在所有驅動器上關閉系統(tǒng)還原"復選框以關閉系統(tǒng)還原。也可僅對系統(tǒng)所在的磁盤或分區(qū)設置還原。先選擇系統(tǒng)所在的分區(qū)，單擊"配置"按鈕，在彈出的對話框中取消"關閉這個驅動器的系統(tǒng)還原"選項，并可設置用于系統(tǒng)還原的磁盤空間