基于模糊PID控制的半导体制冷温控系统研制

引言

半导体制冷是利用"帕尔贴效应"进行制冷的一种方法,具备占用空间小、无需制冷剂、制冷速度快等优点,但是半导体制冷是一个非稳态过程,因此,要实现半导体制冷温度的精确控制有一定难度。本文基于半导体制冷技术,结合模糊PID控制算法,有效实现了对半导体制冷温度的精确控制。

1硬件设计

整个半导体制冷温控系统由上位机、单片机、制冷片组、散热装置（风扇）、温度传感器和电源组成。温度传感器将获取到的温度信息传给单片机,单片机再经过串口将温度信息传至上位机,上位机中的温度分析软件通过分析温度信息生成控制指令,并经由串口反馈至单片机,由单片机输出PWM控制制冷片组的工作状态。

1.1温度传感器

本系统采用AD590温度传感器进行温度检测,能将温度转换为电流信号,以绝对零度为基准,温度每增加1℃,输出电流就会增加1μA,0℃时,输出电流为273μA。

1.2制冷片控制电路

温控系统采用PWM模式驱动半导体制冷片。当PWM控制信号处于低电平时,继电器的触点3和1相连,电路处于断开状态,此时制冷片不工作:当PWM信号处于高电平时,触点3与触点2相连,电路处于导通状态,制冷片正常工作。由此发现可以通过改变PWM的占空比控制制冷片的工作时间,从而控制制冷片的制冷效率。当环境温度显著高于或者显著低于设定温度时,PWM信号的占空比应较高,当环境温度接近设定温度时,PWM信号的占空比应较低。本系统采用模糊PID控制算法确定PWM信号的占空比,能够实现一定范围内温度的精确控制。制冷片控制电路如图1所示。

2温度控制算法

PID控制器在长期的工程实践中已经变得非常成熟,应用也极其广泛,但由于实际的控制对象通常具有非线性、时变不确定性等特性,使用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。

2.1增量式PlD控制算法

连续PID的表达式为:

式中,Kp是比例系数:Ki是积分系数:Kd是微分系数。

将式（1）进行离散化后可得到表达式:

由递推原理可以从式（2）得到.（k-1）的表达式。

u（k）与u（k-1）相减可得增量△u（k）的表达式为:

式中,△u（k）为控制量增量:e（k）为第k次采样时刻输入的偏差值:e（k-1）为第k-1次采样时刻输入的偏差值:△e（k）为两次采样偏差值的差值。

式（3）即增量式PID的表达式,由此可知△u（k）只需要通过计算最近三次（k、k-1、k-2）的采样值就可以确定。

2.2模糊PlD控制原理

由于实际应用中温度存在较大的时变性和非线性,一组固定不变的PID参数无法满足温控系统快速稳定调节的需求,所以需要引入模糊PID控制算法实时PID参数调节。

模糊PID属于智能PID控制,能够根据误差e及误差变化率ec（de/dl）来自动调节PID的控制参数。将误差e及误差变化率ec作为控制器的输入量,以操作人员的调节经验作为知识库,经过模糊化以及模糊推理后输出模糊量输入到PID控制器中,对预设的PID参数进行在线修改。实际参数Kp=CpKp0,Ki=CiKi0,Kd=CdKd0,其中Cp、Ci、Cd分别为比例修正系数、积分修正系数和微分修正系数,Kp0、Ki0和Kd0是预设的初始值。模糊PID控制结构如图2所示。

PID的3个控制参数Kp、Ki、Kd共同作用于温控系统,但它们对系统的影响是不同的,比例系数Kp可以使系统快速动作,但Kp过大时会引起超调,过小则会使得调节时间变长:积分系数Ki可以消除系统误差,但初始阶段不宜过大,过大就会产生积分饱和,破坏系统稳定,过小就不能消除系统误差:微分系数Kd可以提高系统的动态响应能力,提前预测误差的变化率,从而抑制误差的变化。

当偏差e较大时,Kp应取较大值,此时会引起较大的偏差变化率,为了抑制微分系数的影响,应取较小的Kd,在响应过程中,可以将Ki=0。

当偏差e中等大小时,为了避免超调同时继续消除偏差,Kp应取小一点,此时变化率一般,Kd可以取大一点的值,Ki取小值。

当偏差e很小的时候,系统进入稳态状态,此时主要是要消除系统的稳态误差,所以应增加Kp和Ki的值,Kd视情况而定,ec较小时,取较大的Kd,ec较大时,取较小的Kd。

以比例修正系数为例,把e、ec和cp的值域分为8个部分,中间的7个分割点分别用NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB表示。假设e、ec和cp之间的模糊规则如表1所示。设e的两个隶属度值为PM、PB,e属于PM的隶属度为a,属于PB的隶属度为(1-a）,再假设ec的两个隶属度值为NB、NM,ec属于NM的隶属度为b,则属于NB的隶属度为(1-b）。所以输出值为Z0的隶属度和为a×b+a×(1-b）+(1-a）(1-b）,输出值为NS的隶属度为(1-a）×b。假设cp的Z0值为c,NS值为d,所以最后的模糊输出值:

至此,整个模糊过程就结束了,同理可以计算出相应的积分修正系数和微分修正系数,最后根据修正系数计算出实际的PID控制参数,使得系统稳定、可靠运行。

3结语

本系统采用的AD590温度传感器能够实时准确采集环境温度,为实现温度的精确控制提供数据支持,并设计了基于模糊PID控制的温度控制算法,可以实时在线修改PID控制的三个参数,使得系统对于环境温度的变化能够迅速作出反应,该系统具有动态响应快、上升时间快、动态跟踪品质好和稳态精度高等优势。