CN117075658A - 一种基于积分分离pid算法的温度控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于积分分离PID算法的温度控制装置及方法，应用于温度控制技术领域。包括温度传感器、温度采集电路、半导体制冷器、TEC驱动电路、主控电路MCU、RS232通信电路和PC机；其中，温度传感器与采集电路连接，温度采集电路还与主控电路MCU连接，主控电路MCU还与RS232通信电路、TEC驱动电路连接，RS232通信电路还与PC连接，TEC驱动电路还与半导体制冷器连接。本发明的温度控制算法在提高***稳定性、减小***超调、减少温度控制时间等方面更具优势。
Description
技术领域
本发明涉及温度控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于积分分离PID算法的温度控制装置及方法。
背景技术
半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的半导体激光器。半导体激光器因具备波长范围宽、制作简单、成本低、易于大量生产、体积小、重量轻、寿命长的优点，被广泛应用在通信、军事、医疗等领域，尤其在光纤通信、光信息处理、泵浦固体激光器、激光打印等方面有着极为广泛的应用。半导体激光器的导体激光器的发光功率和发光波长与其核心发光器件(LD激光二极管)的运行状态密切相关。LD在将电能转换为光能的过程中，有一部分能量以热量的形式损耗掉，这会使LD的工作温度迅速上升，超出其正常工作范围，从而影响半导体激光器的发光功率、输出波长、使用寿命等，因此，有必要实时监测半导体激光器的工作温度，并实施高精度温度控制。TEC(Thermo-Electric Cooler，半导体热电制冷器)以其体积小、重量轻，可通过改变电流方向控制加热和制冷，TEC因其温度响应好、温度控制精密等优点成为半导体激光器温度控制的理想器件。TEC由PN结对组成，通过电极连接，夹在两个陶瓷绝缘电极间。通过控制TEC两端电流的大小和方向实现目标器件的升温和降温，这种控制方式要求有专用的驱动电路。
在传统温度控制***设计中，常采用PID控制算法，但是传统PID控制算法受温控***的非线性、时变性、及迟滞性等因素的影响，无法满足半导体激光器温度控制***的高精度和高稳定性的设计要求。因此，如何提供一种基于积分分离PID算法的温度控制装置及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于积分分离PID算法的温度控制装置及方法，解决现有技术中温度控制***温度控制精度低、稳定性差、温控超调量大、电路设计复杂导致集成度低，PCB电路板面积过大等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，包括温度传感器、温度采集电路、半导体制冷器、TEC驱动电路、主控电路MCU、RS232通信电路和PC机；
温度传感器与采集电路连接，用于实时采集激光二极管的工作温度；
温度采集电路还与主控电路MCU连接，用于将温度传感器采集的工作温度转换为代表温度的电压信号；
主控电路MCU还与RS232通信电路、TEC驱动电路连接，对采集的工作温度和设置的目标温度的误差值进行积分分离PID处理，得到控制信号；
RS232通信电路还与PC连接，用于实现主控电路MCU与PC机的通信；
TEC驱动电路还与半导体制冷器连接，基于控制信号控制半导体制冷器的温度。
可选的，温度传感器为NTC热敏电阻。
可选的，温度采集电路包括依次连接的放大器OPA189和ADC电路，放大器OPA189与温度传感器连接。
可选的，温度采集电路还包括电压基准芯片ADR4525，为温度采集电路提供2.5V基准电压。
可选的，TEC驱动电路的核心为TEC驱动器LT8722，TEC驱动电路通过控制半导体制冷器两端的电流大小和方向，实现双向温度控制。
可选的，积分分离PID处理具体为：计算控制量与设定值间的偏差，当偏差值大于阈值时候取消积分的作用采用PD控制，当偏差值小于或等于阈值时采用PID控制。
一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制方法，应用上述任一项所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，包括以下步骤：
S1、PC设置目标温度，通过RS232通信电路发送至主控电路MCU；
S2、温度传感器实时采集激光二极管的工作温度并通过温度采集电路发送至主控电路MCU；
S3、主控电路MCU计算采集的工作温度和设置的目标温度之间的误差值；
S4、主控电路MCU对误差值做积分分离PID处理，得到控制信号并发送至TEC驱动电路；
S5、TEC驱动电路基于主控电路MCU发送的控制信号调节输出；
S6、半导体制冷器对被控物进行温度控制。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于积分分离PID算法的温度控制装置及方法，具有以下有益效果：本发明基于积分分离PID的控制算法的控制温度，在提高***稳定性、减小***超调、减少温度控制时间等方面更具优势，温度控制***温控稳定时间小于120s，温控超调小于2％，温控稳定性优于±0.01℃，证明了温度控制算法和温度控制***的可行性与有效性；同时，本发明在软件平台做到了统一化，采用一个软件替代多个软件，可以更直观、更便捷的控制设备，有效的解决了多个软件同时显示和控制的问题，不需要多台PC机来运行多个控制软件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的双向稳态温度控制装置示意图；
图2为本发明的温度采集电路原理图；
图3为本发明的TEC驱动电路原理图；
图4为本发明的主控电路MCU原理图；
图5为本发明的RS232通信电路原理图；
图6为本发明的积分分离PID处理流程图；
图7为本发明的双向稳态温度控制方法流程图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种基于积分分离PID算1ZXCVB][P；[；/-法的双向稳态温度控制装置，如图1所示，包括温度传感器、温度采集电路、半导体制冷器、TEC驱动电路、主控电路MCU、RS232通信电路和PC机7；
温度传感器与采集电路连接，用于实时采集激光二极管的工作温度；
温度采集电路还与主控电路MCU连接，用于将温度传感器采集的工作温度转换为代表温度的电压信号；
主控电路MCU还与RS232通信电路、TEC驱动电路连接，对采集的工作温度和设置的目标温度的误差值进行积分分离PID处理，得到控制信号；
RS232通信电路还与PC连接，用于实现主控电路MCU与PC机的通信；
TEC驱动电路还与半导体制冷器连接，基于控制信号控制半导体制冷器的温度。
在本发明实施例中，温度采集电路、TEC驱动电路连接、主控电路MCU、RS232通信电路分别如图2、图3、图4、图5所示。
进一步的，温度传感器为NTC热敏电阻。
进一步的，温度采集电路包括依次连接的放大器OPA189和ADC电路，放大器OPA189与温度传感器连接。
进一步的，温度采集电路还包括电压基准芯片ADR4525，为温度采集电路提供2.5V基准电压。
进一步的，TEC驱动电路的核心为TEC驱动器LT8722，TEC驱动电路通过控制半导体制冷器两端的电流大小和方向，实现双向温度控制。
进一步的，如图6所示，积分分离PID处理具体为：计算控制量与设定值间的偏差，设定阀值ε>0，当偏差值e(k)大于阈值ε的时候取消积分的作用采用PD控制，可以避免产生过大的超调，又使***有较快的响应；当偏差值e(k)小于或等于阈值ε时采用PID控制，以保证***的控制精度；更进一步的，积分分离PID的表达式为：
式中，U(k)为控制量，e(k)代表当前时刻采集温度和设定温度的误差值，e(k-1)代表上一时刻采集温度和设定温度的误差值，T为采样时间，β为积分系数，Kp、Ki、Kd分别代表PID的比例、积分、微分系数。
与图1所述的装置对应，本发明还公开了一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制方法，应用上述任一项所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，如图7所示，包括以下步骤：
S1、PC设置目标温度，通过RS232通信电路发送至主控电路MCU；
S2、温度传感器实时采集激光二极管的工作温度并通过温度采集电路发送至主控电路MCU；
S3、主控电路MCU计算采集的工作温度和设置的目标温度之间的误差值；
S4、主控电路MCU对误差值做积分分离PID处理，得到控制信号并发送至TEC驱动电路；
S5、TEC驱动电路基于主控电路MCU发送的控制信号调节输出；
S6、半导体制冷器对被控物进行温度控制。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，其特征在于，包括温度传感器、温度采集电路、半导体制冷器、TEC驱动电路、主控电路MCU、RS232通信电路和PC机；
温度传感器与采集电路连接，用于实时采集激光二极管的工作温度；
温度采集电路还与主控电路MCU连接，用于将温度传感器采集的工作温度转换为代表温度的电压信号；
主控电路MCU还与RS232通信电路、TEC驱动电路连接，对采集的工作温度和设置的目标温度的误差值进行积分分离PID处理，得到控制信号；
RS232通信电路还与PC连接，用于实现主控电路MCU与PC机的通信；
TEC驱动电路还与半导体制冷器连接，基于控制信号控制半导体制冷器的温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，其特征在于，温度传感器为NTC热敏电阻。
3.根据权利要求1所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，其特征在于，温度采集电路包括依次连接的放大器OPA189和ADC电路，放大器OPA189与温度传感器连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，其特征在于，温度采集电路还包括电压基准芯片ADR4525，为温度采集电路提供2.5V基准电压。
5.根据权利要求1所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，其特征在于，TEC驱动电路的核心为TEC驱动器LT8722，TEC驱动电路通过控制半导体制冷器两端的电流大小和方向，实现双向温度控制。
6.根据权利要求1所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，其特征在于，积分分离PID处理具体为：计算控制量与设定值间的偏差，设定阈值当偏差值大于阈值时候取消积分的作用采用PD控制，当偏差值小于或等于阈值时采用PID控制。
7.一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制方法，其特征在于，应用权利要求1-6任一项所述的一种基于积分分离PID算法的双向稳态温度控制装置，包括以下步骤：
S1、PC设置目标温度，通过RS232通信电路发送至主控电路MCU；
S2、温度传感器实时采集激光二极管的工作温度并通过温度采集电路发送至主控电路MCU；
S3、主控电路MCU计算采集的工作温度和设置的目标温度之间的误差值；
S4、主控电路MCU对误差值做积分分离PID处理，得到控制信号并发送至TEC驱动电路；
S5、TEC驱动电路基于主控电路MCU发送的控制信号调节输出；
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