基于Bang-Bang和PID復(fù)合控制的紅外探測器溫控系統(tǒng)設(shè)計

朱雙雙，鄒 鵬，路美娜，張愛文，劉振海，裘楨煒，洪 津

?

基于Bang-Bang和PID復(fù)合控制的紅外探測器溫控系統(tǒng)設(shè)計

朱雙雙1,2,3，鄒 鵬2,3，路美娜2,3，張愛文2,3，劉振海1,2,3，裘楨煒2,3，洪 津2,3

（1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2. 中國科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，安徽 合肥 230031；3. 中國科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點實驗室，安徽 合肥 230031）

紅外探測器作為星載偏振探測載荷的核心部件，用于實現(xiàn)短波紅外波段輻射偏振信息的光電轉(zhuǎn)換。為保證應(yīng)用性能，需要對探測器進(jìn)行精密溫控，保證其工作在較低且穩(wěn)定的溫度以降低探測器熱噪聲和暗電流。本文介紹了一種紅外探測器溫控系統(tǒng)，采用FPGA控制完成溫度信號的采集并輸出控制信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制三極管驅(qū)動電流完成半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動，采用Bang-Bang和PID復(fù)合控制算法完成探測器的精密溫控，測試結(jié)果表明，溫控精度優(yōu)于±0.1℃，溫度穩(wěn)定時間小于6min，可將探測器在較短的時間內(nèi)控制在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)，為實現(xiàn)短波紅外波段的高精度偏振信息測量提供保障。

Bang-Bang控制；PID控制；溫度控制；紅外探測器；半導(dǎo)體制冷器（TEC）

0 引言

大氣散射輻射不僅具有偏振性，而且具有波長選擇性。大氣散射輻射所表現(xiàn)的光學(xué)和微物理性質(zhì)與其光譜特性密切相關(guān)，多光譜偏振信息的高精度獲取可以解析大氣性質(zhì)，實現(xiàn)氣溶膠和水汽的高精度探測及反演，為空氣質(zhì)量監(jiān)測與大尺度長期氣候變化研究提供數(shù)據(jù)支撐。

短波紅外波段的偏振探測具有受煙霧影響小，辨識物體真?zhèn)文芰?qiáng)等特點，廣泛應(yīng)用于云氣溶膠粒子狀態(tài)探測、地表偏振反射率探測、海洋開發(fā)應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[1-5]。紅外探測器作為短波紅外偏振信息獲取的核心部件，負(fù)責(zé)完成紅外波段光譜和偏振信息的測量[6]。探測器熱噪聲、暗電流及其溫漂直接影響紅外探測器的應(yīng)用性能，尤其是在探測信號極其微弱的應(yīng)用場合，暗電流及其溫漂是影響紅外探測器測量精度的重要因素之一，暗電流的波動將作為測量誤差引入紅外探測波段數(shù)據(jù)產(chǎn)品中，影響輻射和偏振測量精度，造成大氣參數(shù)探測精度和圖像校正精度損失[7-8]。溫控精度和溫度穩(wěn)定時間是影響暗電流波動的主要因素，溫控精度高，溫度穩(wěn)定時間短，則探測器的暗電流波動小，探測系統(tǒng)測量精度高，反之亦然。通過對紅外探測器進(jìn)行精密溫度控制，在降低其工作溫度的同時，保證探測器具有較高的溫度穩(wěn)定性，可以有效提高系統(tǒng)測量精度。

本文設(shè)計了基于Bang-Bang和PID（PID控制，比例-積分-微分控制，Proportional-Integral-Derivative control）復(fù)合控制的精密溫度控制系統(tǒng)，F(xiàn)PGA作為主控實時采集熱敏電阻阻值，獲取被制冷目標(biāo)溫度信息，結(jié)合控制算法，控制調(diào)整三極管輸出驅(qū)動電流，對紅外探測器熱沉進(jìn)行控溫，保證紅外探測器工作于低且穩(wěn)定的溫度環(huán)境，測試結(jié)果顯示紅外探測器熱沉控溫精度為±0.1℃，控溫穩(wěn)定時間小于6min，可以在較短時間內(nèi)將熱沉控制在目標(biāo)工作溫度范圍內(nèi)。在滿足控溫精度需求的同時，有效節(jié)約系統(tǒng)資源，尤其是對資源消耗比較敏感的星載儀器應(yīng)用場合，具有明顯的優(yōu)勢。因此，Bang-Bang和PID復(fù)合控制用于紅外探測器溫控具有現(xiàn)實應(yīng)用意義。

1 系統(tǒng)熱控方案

本文所討論的某偏振探測儀共選用6只短波紅外探測器，目標(biāo)工作溫度為－60℃。如圖1所示，采用兩級制冷相結(jié)合的控溫方式，紅外探測器均安裝于銅塊即熱沉上，通過外置帕爾貼將紅外熱沉制冷至－15℃，同時通過探測器內(nèi)置帕爾貼將光敏面進(jìn)一步制冷至－60℃。

本文重點討論紅外探測器熱沉溫控方案，控溫目標(biāo)溫度為－15℃，控溫穩(wěn)定性優(yōu)于±0.1℃。該溫控方案特點為被制冷目標(biāo)熱容大，溫度控制響應(yīng)時間長。結(jié)合其空間應(yīng)用特點，需要在功耗、質(zhì)量等資源消耗盡量小的情況下，快速達(dá)到目標(biāo)溫度，且能夠保證溫控穩(wěn)定性。除了上述約束條件外，本文所討論的溫控系統(tǒng)還需要滿足以下設(shè)計要求：

圖1 紅外探測器熱沉結(jié)構(gòu)安裝示意圖

1）完成6路紅外探測器的溫控，半導(dǎo)體制冷器在熱端為25℃的條件下，制冷目標(biāo)為－15℃，制冷溫差大于40℃，考慮留有一定裕量，設(shè)計制冷目標(biāo)溫差為50℃，控溫穩(wěn)定性優(yōu)于±0.1℃；

2）采用閉環(huán)控制方式，確保測量間隔內(nèi)探測器溫度波動最小；

3）由于紅外探測器、熱敏電阻、半導(dǎo)體制冷器（TEC）以及溫控系統(tǒng)集成在一個密閉金屬殼體內(nèi)，需要盡量降低溫控電路噪聲對紅外探測器輸出微弱光電流信號的影響；

4）控制驅(qū)動電路需要具備過流保護(hù)功能，防止因某一路電路出現(xiàn)器件損壞引起整個驅(qū)動電路的失效；

5）探測器溫控速率可調(diào)，升溫速率和降溫速率均在探測器控溫速率范圍內(nèi)，防止快速升降溫對紅外探測器的壽命產(chǎn)生影響；

6）溫控系統(tǒng)具備驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流實時監(jiān)測的能力。

2 溫控系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 溫控系統(tǒng)硬件方案

紅外探測器高精度溫控系統(tǒng)由溫度信號產(chǎn)生模塊、信號處理模塊、主控模塊及半導(dǎo)體制冷器驅(qū)動模塊以及半導(dǎo)體制冷器構(gòu)成，電路原理框圖如圖2所示。

圖2 探測器溫控系統(tǒng)原理框圖

采用FPGA完成光電信號采集控制和探測器溫度采集控制。溫度信號產(chǎn)生模塊和信號調(diào)理模塊完成溫度信號的產(chǎn)生和調(diào)理功能，以匹配溫度采集模塊的ADC輸入信號范圍。主控FPGA根據(jù)采集的溫度信息來調(diào)節(jié)熱電制冷器的驅(qū)動功率。

2.1.1 溫度信號產(chǎn)生模塊

溫度信號產(chǎn)生模塊用于將溫度值（熱敏電阻阻值）轉(zhuǎn)換為電壓值。對溫度要求主要是穩(wěn)定度較高，溫度點的絕對值要求較低，所以分析時主要關(guān)心溫漂對溫度信號產(chǎn)生電路的影響。溫度信號產(chǎn)生電路如圖3所示，由基準(zhǔn)電壓源、精密電阻以及熱敏電阻3部分構(gòu)成，溫度采集采用熱敏電阻和精密電阻分壓的方式，通過測量熱敏電阻分壓值即可獲得當(dāng)前熱敏電阻阻值。電壓基準(zhǔn)選用AD公司的AD580SH，輸出基準(zhǔn)電壓為2.5V。

圖3 溫度信號產(chǎn)生電路圖

2.1.2 溫度信號處理模塊

探測器溫控單元共測量6路溫度信號，熱敏電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號后依次經(jīng)過模擬開關(guān)、緩沖放大器進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成數(shù)字量化。

模擬開關(guān)選用美信公司生產(chǎn)的MAX354，具有8個輸入通道，具有掉電高阻特性。

緩沖放大器選用OP27AZ，具有較高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，實現(xiàn)溫度輸出電路與ADC輸入的阻抗匹配。同時將溫度電壓信號放大至適合ADC輸入電壓動態(tài)范圍，減小量化誤差影響。

ADC選用ADI公司的AD976ASD，量化位數(shù)為16位，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200kps，滿足系統(tǒng)更新速率要求。

2.1.3 主控模塊

主控模塊是探測器溫度控制的核心部分，主要用來完成光電信號采集控制和探測器溫度采集控制，并根據(jù)采集的溫度信息來調(diào)節(jié)熱電制冷器的驅(qū)動功率，主控芯片選用Xilinx公司提供的100萬門FPGA XQR2V1000-4BG575R。使用EEPROM XCF16PVO 48C用于程序存儲。

2.1.4 制冷器驅(qū)動模塊

制冷器驅(qū)動電路采用三極管作為電流控制器件，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的控制信號經(jīng)過緩沖放大后，控制三極管基極電流從而控制制冷器驅(qū)動電流，電阻作為電流采樣電阻對各路驅(qū)動電流進(jìn)行采樣監(jiān)控。制冷器驅(qū)動電路如圖4所示。數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD664TD- BIP/883B，為12bit DAC，具備四路輸出功能。

圖4 制冷器驅(qū)動電路圖

2.1.5 半導(dǎo)體制冷器

半導(dǎo)體制冷器（TEC）是一種依據(jù)帕爾帖效應(yīng)工作的固體熱泵。所謂帕爾帖效應(yīng)，是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象，值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端[9]。在本系統(tǒng)中熱沉控溫器件選用的是美國馬洛公司生產(chǎn)的NL2070型二級半導(dǎo)體制冷器，具有體積小，重量輕，制冷效率高，無噪音的特點。

2.2 溫控系統(tǒng)軟件方案

2.2.1 溫度控制策略

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高，參數(shù)易于整定等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[10-11]。通過PID控制，大多數(shù)控制系統(tǒng)都能獲得較好的控制效果，尤其對于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。在本系統(tǒng)設(shè)計中，由于很難得到溫度特性的精確數(shù)學(xué)模型，理論設(shè)計的控制器參數(shù)必須依靠現(xiàn)場調(diào)試。PID控制正好具備這種靈活性和適應(yīng)性，并且能取得很好的控制效果。為縮短溫度穩(wěn)定時間，當(dāng)溫度偏差的絕對值|()|大于設(shè)定閾值時引入Bang-Bang控制，反之進(jìn)入PID控制環(huán)節(jié)，構(gòu)成了如圖5所示Bang-Bang—PID復(fù)合控制系統(tǒng)，有效地縮短了過渡時間，使控制性能有了很大提高[12-13]。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 Bang-Bang控制[12-13]

Bang-Bang控制是一種時間最優(yōu)控制，實際上是一種開關(guān)控制，具有加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，操作便捷，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點。Bang-Bang控制的目標(biāo)函數(shù)總是取在容許控制的邊界上，要么取最小值，要么取最大值，只在這兩個數(shù)值上切換，所以系統(tǒng)也在兩種狀態(tài)下切換，提高了系統(tǒng)的快速性，從而實現(xiàn)最小時間最優(yōu)控制。Bang-Bang控制的表達(dá)式見式(1)：

式中：()為當(dāng)前控制器輸出量；max為其最大值；()為偏差；為設(shè)定閾值。

當(dāng)|()|＞時，控制器輸出量()取最大值，當(dāng)偏差較大時，可加速控制器輸出量的跟蹤收斂速度，加速的程度與閾值的選取有關(guān)。如果閾值取太大，Bang-Bang控制很容易造成超調(diào)，降低系統(tǒng)精度；如果閾值取太小，Bang-Bang控制不能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。合理選取閾值既可以減少超調(diào)量，又可以改善穩(wěn)態(tài)誤差。本文通過試驗優(yōu)化，設(shè)置閾值為2℃時較合理。

2.2.3 PID控制[13-14]

所謂PID控制器，就是同時具有比例、積分、微分控制作用的控制器，其控制方程可由式(2)表示：

式中：()為控制器輸出；()為偏差值；p為比例系數(shù)；I為積分系數(shù)；D為微分系數(shù)。

把式(2)表示的PID控制規(guī)律的連續(xù)形式變?yōu)殡x散形式，即得式(3)：

式中：0為采樣時間；為采樣序列號，＝0, 1, 2, …,，()為采樣時刻時的輸出。

根據(jù)遞推規(guī)律，可得(－1)的表達(dá)式，即式(4)：

用式(3)減去式(4)可得其增量形式：

式(5)即為本系統(tǒng)PID控制算法實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

PID參數(shù)的整定方法各種各樣，本文采用的是Roberts，P.D在1974年提出的簡化擴(kuò)充臨界比例度整定法，又稱為歸一參數(shù)整定法[14]。將式(5)化為：

根據(jù)Ziegler-Nichols條件[15-16]，令0＝0.1K；I＝0.5K；D＝0.125K，式中K為純比例環(huán)節(jié)的臨界震蕩周期，則：

這樣就把問題簡化為只要整定一個參數(shù)p。調(diào)試時，不斷地改變p進(jìn)行比較，直到取得最佳的控制效果。

2.2.4 溫控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計核心部分為溫度控制算法，其控制流程如圖6所示。FPGA控制軟件讀取系統(tǒng)溫度，將該溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，計算出溫度偏差，根據(jù)溫度偏差決定是否采用Bang-Bang控制或PID控制。若偏差大于設(shè)定閾值，則采用Bang-Bang控制；若偏差小于等于設(shè)定閾值，則采用PID控制。

圖6 控制算法流程圖

3 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)搭建完成后，需要不斷調(diào)整p的取值，通過對比溫控穩(wěn)定度、溫度穩(wěn)定時間等參數(shù)，以確定適合于系統(tǒng)應(yīng)用的最優(yōu)p值。由于當(dāng)前可購買到的制冷器功率偏低，制冷能力有限，為進(jìn)行原理性驗證，設(shè)定目標(biāo)溫度為＋15℃，對系統(tǒng)溫控性能進(jìn)行驗證。圖7為3個典型p值下的控溫曲線。

環(huán)境溫度為21℃，給系統(tǒng)設(shè)定溫度為15℃，設(shè)定閾值為2℃。由圖7可以看出，系統(tǒng)溫度在17℃之前，3個不同p值的溫度曲線重合，均處于Bang-Bang控制階段，之后進(jìn)入PID控制階段，由于p值的不同，3條溫度曲線呈現(xiàn)不同的控制效果。p＝0A時，系統(tǒng)在20min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定溫度，溫度精度為±0.1℃，系統(tǒng)溫度到達(dá)穩(wěn)定的時間較長；p＝0E時，系統(tǒng)在12min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定溫度，溫度精度為±0.1℃，但其后系統(tǒng)溫度波動較大；p＝0D時，系統(tǒng)6min內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定溫度，溫度精度為±0.1℃，其后系統(tǒng)溫度波動較小。可以看出當(dāng)p為0D時，在滿足控溫精度的同時，具有最小的調(diào)整時間，因此0D為適合本系統(tǒng)的最優(yōu)控制參數(shù)。

圖7 Kp取值不同時溫度控制效果比較

上述實驗結(jié)果表明，使用本文所設(shè)計的硬件系統(tǒng)，結(jié)合Bang-Bang和PID復(fù)合控制算法，可以快速、準(zhǔn)確地將探測器熱沉控制在所需的目標(biāo)工作溫度，為實現(xiàn)探測器光敏面的精密控溫提供保證。

4 結(jié)論

在高精度輻射、偏振光信息測量的應(yīng)用場合，紅外探測器工作溫度點以及溫度穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)應(yīng)用性能的關(guān)鍵。本文設(shè)計的紅外探測器精密溫控系統(tǒng)，采取了Bang-Bang和PID相結(jié)合的混合控制算法，通過Bang-Bang控制快速接近目標(biāo)溫度，通過PID實現(xiàn)高精度的穩(wěn)定控制，采用兩種方案相結(jié)合的方式，通過控制參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，可以保證被控部件快速達(dá)到目標(biāo)溫度并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，能夠滿足對控溫精度和穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場合，有效剔除溫度波動引入的測量誤差，提高系統(tǒng)紅外波段測量精度。

[1] Kawata Y, Yamazaki A, Kusaka T, et al. Aerosol retrieval from airborne Polder data by multiple scattering model[C]//, IGARSS '94.., 1994, 4: 1895-1897.

[2] CHENG Lijen, LI G P, ZANG D Y. SOI characterization using AOTF polarimetric hyperspectral imaging[C]//, 1994. 1994., 1994: 91-92.

[3] YAO Y, WANG Y, Sato S, et al. Design of a polarimeter for the infrared camera OASIS[J]., 1999.

[4] Kawata Y, Kimura Y, Izumiya T. Distribution maps of aerosol's three optical parameters from POLDER's multi-directional data[C]//,'02. 2002., 2002, 5:2942-2944.

[5] 宋茂新, 孫斌, 孫曉兵, 等. 航空多角度偏振輻射計的偏振定標(biāo)[J]. 光學(xué)精密工程, 2012(6):1153-1158.

SONG Maoxin, SUN Bin, SUN Xiaobing, et al. Polarization calibration of airborn muti-angle polarimetric radiometer[J]., 2012(6): 1153-1158.

[6] 龔海梅, 劉大福. 航天紅外探測器的發(fā)展現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 紅外與激光工程, 2008, 37(1): 19-24.

GONG Haimei, LIU Dafu. Space development and progress of the infrared detector[J]., 2008, 37(1): 19-24.

[7] 胡亞東, 胡巧云, 孫斌, 等. 暗電流對短波紅外偏振測量精度的影響[J]. 紅外與激光工程, 2014, 44(8): 2375-2381.

HU Yadong, HU Qiaoyun, SUN Bin, et al. Impact of dark current on SWIR polarimetry accuracy[J]., 2015, 44(8): 2375-2381.

[8] SCHWARTZ S E. Uncertainty requirements in radiativeforcing of climate change[J]., 2004, 54(11): 1351-1359.

[9] Mishchenko M I, Cairns B, Hansen J E, et al. Monitoringof aerosol forcing of climate from space: analysisof measurement requirements[J]., 2004, 88: 149-161.

[10] 陶永華, 尹怡欣, 葛蘆生. 新型PID控制及其應(yīng)用[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

TAO Yonghua, YIN Yixin, GE Lusheng.[M]. Beijing: Mechanical industry press, 1998.

[11] Bennett S. The past of pid controllers[J]., 2001, 25(1): 43-53.

[12] 鮑可進(jìn). PID參數(shù)自整定的溫度控制[J]. 江蘇理工大學(xué)學(xué)報, 1995, 16(6): 74-77.

BAO Kejin. The temperature of the PID parameters self-turning control[J]., 1995, 16(6): 74-77.

[13] 俞光昀. 計算機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2002.

YU Guangyun.[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2002.

[14] 馮根生, 郭教之. 微機(jī)控制技術(shù)[M]. 合肥: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2002.

FENG Gensheng, GUO Jiaozhi.[M]. HeFei: University of science and technology of China, 2002.

[15] 朱茂華, 谷彤昭, 鐘福艷. 半導(dǎo)體激光器溫度控制的研究[J].物理與工程, 2003, 13(4): 40-41.

ZHU Maohua, GU Tongzhao, ZHONG Fuyan. Research of laser diode temperature control[J]., 2003, 13(4) : 40-41.

[16] 吳宏鑫, 沈少萍. PID控制的應(yīng)用與理論依據(jù)[J]. 控制工程, 2003, 10(1): 37-42.

WU Hongxin, SHEN Shaoping. The application of PID control and the theory basis[J]., 2003, 10(1): 37-42.

Temperature Control System Design of Infrared Detector Based on Bang-Bang and PID Control

ZHU Shuangshuang1,2,3，ZOU Peng2,3，LU Meina2,3，ZHANG Aiwen2,3，LIU Zhenhai1,2,3，QIU Zhenwei2,3，HONG Jin2,3

(1.,230026,；2.,,230031,；3.,230031,)

An infrared detector is the core component of a spaceborne polarimetric detection load, which is used to implement short-wave infrared radiation and obtain the polarization information of photoelectric conversion. A short-wave infrared detector is required to operate at low temperatures to reduce the thermal noise and dark current to achieve better performance. In order to achieve the required working temperature conditions, the detector requires precise temperature control. This study introduces an infrared detector temperature control system regulated by an FPGA to achieve temperature signal acquisition and an output control signal, adopts the method of DAC control of the transistor drive current to drive the semiconductor refrigeration device and adopts the Bang-bang and PID control to achieve precise temperature control. The experimental results show that the temperature control precision is better than ±0.1℃, and the temperature is stable for less than 6 min. This temperature control system has a high-precision temperature control, temperature control speed, and other characteristics, which result in short-wave infrared polarization information measurement with high precision.

bang-bang control；PID control；temperature control；infrared detector；thermo electric cooler（TEC）

A

1001-8891(2017)11-0990-06

2017-05-19；

2017-08-23.

朱雙雙（1993-），男，安徽人，碩士研究生，主要研究方向為光電檢測技術(shù)。E-mail：zhuss@mail.ustc.edu.cn。

鄒鵬（1983-），男，副研究員，博士，主要研究方向為光電探測與信號處理。E-mail：pzou@aiofm.ac.cn。

國家自然科學(xué)基金（41405037）。