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1、电子科技高精度半导体激光器自稳温控系统中国工程物理研究院流体物理研究所(绵阳621900 江孝国 祁双喜 王 伟摘 要 文章介绍了一套精密的温度控制系统，该控制系统采用PID控制 器的原理，对发热功率为1030W的半导体激光器的控制效果良好，控温的稳定度 可小于40. 1 C o 关键词 PID控制器 热电偶冷却器参数整定半导体激光器在民用及国防上的重要作用已得到广泛的应用，但半导体激光器在工作时产 生的大量热量，不仅会使器件温度升高，造成器件的性能下降，严重者甚至烧毁半导 体激光器，因此，激光器的散热是重要的，为了保证器件性能的稳定及寿命，将器件工 作温度在一定的范围内以较高的稳定度稳定在比
2、较低的水平上也同样重要1。本文针对这种高精度的要求，研制了一套精密的半导体激光器的温度控制系 统。该温度控制系统采用了传统的 PID调节原理，针对系统的热传导特性，在参数 整定方面作了相应的改进，达到了很好的控制效果，不仅超调量小，并且进入稳定区 的时间短，抗干扰能力也比较强。该温度控制系统应用于1030W的发热负载的温度控制时，可以在1825图1 PID控制原理V (t ,实现对受控系统进行自动控制的目的，它是一种线性调节器。这种控制原理的优点是不要求知道受控系统的精确数学模型，因此，在自动控制领域受控量设定值_s+,中得到了广泛的应用。由上可知,要构成一个PID控制器,需要确定K p、T
3、i、T d三个参数；确定这三个参数的过程称为PID参数整定；并且,三个参数直接影响系统的控制性能。C的温度范围内达到小于 X. 1 C的稳定度,起到了良好的控制作用。本文主 要介绍半导体温度控制器的PID参数整定及改进等方面的工作。2 PID参数的整定毫无疑问，PID控制器的参数的整定应该根据实际系统的特性来进行，一般有凑试法2及Ziegler 2Nichols经验公式法3等。凑试法主要是根据实际系统在现场以闭环的方式进行运行的情况，由研究人员根据其丰富的经验来确定各参数的值,并进 行不断的调整，最后达到良好的综合控制效果，这种方法需要研究人员具有相关的丰 富经验并通过现场实验来达到，并不总是
4、能够满足灵活的控制要求的。Ziegler 2Nichols经验公式法则要先进一步,它主要是1 PID原理简介2PID控制原理主要是按照误差信号的比例、积分和微分值计算相应控制量，并将其作为输入量传递到控制系统而实现自动控 制的，其控制模型为：V (t =K p e (t +tT id r +T d e ( rdt(1其中:K p为比例系数；T i为积分系数；T d为微分系数；e (t为误差信号量，e (t =S -y (t , S为受控量的设定值;y (t为受控量的输出值;V (t为控制信号量。控制结构如图1所示。PID控制器把设定值S与受控系统的受控量的实际值 y (t相减，得到了一个误差量
5、e (t，误差量e (t经比例、积分、微分运算针对带有纯时间延迟的一阶近似模型提出的，该延迟环节的模型为：G (s =1+s T-sL(2在实际的整定中，它首先要求测量出系统的阶跃响应，如图2所示，其次根据响 应曲线求出图示的K、L、T等系统的特性参数，并假设a=KL /T，再根后通过线性的组合而得到受控系统的控制输入量56(312 中国自动化 http :/www. automation. com. cn电子技术2002年第5期据表1的计算式计算出相应的PID参数。这种方法有较大的优点，对于半导体 激光器温控系统而言，它是一个具有较大延迟的温度控制系统，具有适用于Ziegler 2Nicho
6、ls公式法的特性，并且该系统的实际阶跃响应曲线容易测量，如图2所示；其 次,不须经过大量的现场实验调试，符合温控系统中半导体激光器件对调试工作条件 的要求。系统实际参数的整定结果见表1的本系统的PID参数一栏所示。表 1 Ziegler 2Nichols 设定算法3控制器类型K Pv (t =K B Sy (t +-T ddtT id t e ( t 0(334T 3。由此可其主要目的是减小超调量，并将系统的超调量控制在10%或20%内，因此引入 系数B根据不同的超调量及系统的特性，系数B的计算方法不一样，本例中，是按照 小于10%的要求计算的,具体的计算式为B =(533- 86T /(57
7、7L见，改进的Ziegler 2Nichols方法不仅在参数上,还在算法上与原PID算法有较大的变化，须重新编程完成PID参数T iT dBP PI PID1/ a 0. 9 a 1.2/ a 0. 63350. 653L 2L 2. 82. 8L/2本系统的PID参数改进后的PID参数0. 70. 70.进入测试系统阶跃响应曲线按表1用改进的Ziegler-Nichols 方法计算PID的参数0293图2温度控制系统的阶跃响应曲线3 PID参数及算法的改进由上述方法整定的参数一般能够达到控制的目的，但有时在控制过程中存在一 些不如意的地方，如超调量过大、进入稳定区的时间过长，甚至抗干扰能力不
8、足等；我们早先研制的系统存在一定的超调4,并且不太适用于宽范围的 控制要求，如热负载发生一定的变化时，就达不到所要求的控制效果，因此,有必要改 进控制的能力。3.1 PID参数的改进图3 PID参数整定及积分分离控制原理框图3. 2. 2积分饱和抑制方法2在PID控制器中,其中一项T i根据资料3的显示，改进的Ziegler 2Nichols方法整定的参数控制效果比直接由 Ziegler 2Nichols方法整定的参数要好，并且，它不要求进行更多的系统特性参数测试 因此,我们选用该方法并且稍作一些修改，最后的结果见表1的改进后的PID参数一栏，其中的系数B是超调量小 于10%的情况下的数值。3
9、. 2 PID算法的改进3. 2. 1 PID控制器结构的改变d各误差e (的积分有关，称为积分项。在实际的控制过程中，如果由于负载 变化引起误差发生突变，导致正常控制量V (t超过实际控制量的最大值 V max ,由 于实际控制量受到系统输出能力的限制，具变化跟不上受控量的变化，必然使误差比 正常情况下更长时间地维持在正数，这样，使积分项得到很大的积累，即使受控量大 于设定值出现负误差，但由于积分项的积累，还必须经过较长一段时间才能使控制量 小于最大值，进入正常的控制范围，在受控量的变化上表现为超调。对于半导体激光 器温度控制系统而言，存(31357改进的Ziegler 2Nichols方法
10、要求如下的PID控制器结构：电子技术2002年第5期中国传感器 http :www. sensor. com. cn在这种由于参数选择及算法选择不当而引起的超调现象，并且半导体激光器的工作温度不允许超过一定值,过大的超调是需要克服的一种现象。我们选择积分分 离法来抑制积分饱和现象的发生。其核心思想是：在开始时，不进行积分，当误差达到一定值后，按正常算法计算控制量，可防止系统上电时积累过多的积分，造成过大 的控制量；同时，也能够在系统进入饱和区后由于较少的积分积累而很快地退出饱 和区，减少超调量。结合改进的Ziegler 2Nichols方法及积分饱和的抑制方法，本温度控制器算法原 理框图如图3
11、所示。器达到了很好的控制性能，图4中的各图显示了在室温的环境及在 1825C 的控温要求下对1030W的热负载的实际控制效果；可以看出，在热负载基本稳定 的情况下，本温控系统的超调较小，能够平稳地进入平衡控制区，且温控稳定度较高 而图4(e显示了热负载从10W突变到30W的控制情况，温度变化范围只有约1C 的大小，可见达到了很好的抑制干扰的控制效果。图中横座标为时间 ，单位为秒。5结束语本文研究的PID控制器结合了改进的Zielger 2Nichols PID参数的整定方法及 采用了积分分离法来抑制超调现象的发生，该控制器完全达到了设计4实验结果经过多次的调试后，该半导体激光器温度控制(a环境
12、温度25. 5 C ,设定温度17. 87(b环境温度25. 7 C ,设定温度19. 83(c环境温度26. 3 C ,设定温度19. 84储。 10W的热负载I(d环境温度26. 5 C ,设定温度24. 7918。10W的热负载C(e环境温度26. 1 C ,设定温度24. 84 C ;负载功率从10W突变到30W图4温控系统的实际控制效果58(314 中国自动化 http :/www. automation. com. cn电子技术2002年第5期电子科技新型单键密码楼梯灯五邑大学(广东江门529020 陈业仙摘 要 文章主要论述利用常用的CD4017为核心组成的一个简单实用的单键密码
13、楼梯灯。关键词 单键 密码 楼梯灯 目前，仍有很大一部分商品房，尤其是早 期的商品房没有设置公用梯灯，有些家庭不得不自己安装楼梯灯，市面上较流行使用 的是一种用钥匙开启的带锁延时楼梯灯，这种方法可以有效避免别人滥用自家的电 灯，但是仍存在不少缺点,例如：由于钥匙必须带在身上,容易丢失；这种锁头一般质 量较差，暴露在室外容易氧化生锈而失效，且外观笨重，影响美观；这种开关一般没 有指示灯，在晚上没有灯光时找钥匙以及开关的位置都颇为不便；另外这种开关一 旦启动后必须达到延时时间才能自动关闭。本文设计的密码延时开关，无需任何钥匙，只要掌握密码，便可对梯灯进行任意的开关动作，且设有指示灯，方便操作，并且
14、 可以随时变更密码。本设计电路简单，成本低廉，适于大批量生产，并且可推广应用 到其他类似的保密要求不是很高的电子密码锁等方面，达到用一个公用的控制器控制各自电器的目的。图1控制器的框图利用这一个高电平来启动与之相联的亮灯延时电路,这样，通过选择不同的输出端，则可达到密码控制的作用。这里，我们还考虑 了几种情况：第一，如果输入错误或忘记了自己已按了多少次按键时，电路应有自动 复位的措施，也就是对按键有监视电路；第二，当输入密码正确时，电路应稍作延时 才启动，这样可以增加猜码的难度；第三，电路启动后，计数器应及时复位，但不会影 响亮灯延时电路的继续工作，但这时再按一次按键即可立即中断亮灯延时电路的工 作,使梯灯组熄灭,故CD4017的第一次按键输出（Y1保留作此用途，即只有第2至 第9按键共八个状态可供设为密码，第10次按键回复至复位状态；第四，户内须设置 一个直接启动亮灯延时电路的按钮，无须输入密码。1.2电路原理图及工作原理本电路由电源电路、密码电路、输入电路和亮灯延时控制电路组成，如图2所示:电源电路由降压电容C 1、整流二极管D 1和D 2、滤波电容C 2和C 3、限业出版社.1995. 5:1021072陈汝全、林水生、夏利.实用微机与单片机控制技术.成1电路组成及原理1.1系统框图与原理楼梯灯控制器组成框图如图1所示，主要由CD4017接收按键进行十进制计数,在
