何 茜，韓 軍，陳文建

（1.西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引 言

光譜發(fā)射率及定向發(fā)射率是研究紅外隱身材料性能隱身性能的重要指標(biāo)。紅外隱身材料的光譜發(fā)射率的測量主要集中在大氣窗口8～14μm內(nèi)，對應(yīng)的溫度范圍約為－30～70℃。能量對比法是目前廣泛采用的精度較高的光譜發(fā)射率測量法，該方法依據(jù)發(fā)射率的定義在同一溫度下用同一探測器分別測量絕對黑體及樣品的光譜輻射功率，兩者之比就是材料的光譜發(fā)射率值［1－2］。采用能量法進(jìn)行材料光譜發(fā)射率測量時，需要根據(jù)不同的溫度范圍設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的樣品加熱爐，再根據(jù)不同的樣品加熱爐的加熱體特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的溫度控制方法。樣品加熱爐的溫控控制精度直接影響到最后的測量結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)表明，在近室溫范圍內(nèi)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)黑體爐與樣品加熱爐的溫差為2℃時，測量結(jié)果的相對誤差會增加1%［3］。針對這一問題文中提出了一種基于半導(dǎo)體制冷器的近室溫樣品加熱爐系統(tǒng)，對于這樣一個工作在近室溫范圍內(nèi)的加熱爐系統(tǒng)，系統(tǒng)具有很大的非線性、滯后性以及時變性，采用傳統(tǒng)的PID算法很難用理論建立精確的數(shù)學(xué)模型。本文采用模糊算法與PID算法相結(jié)合的算法，該算法既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制精確度高的特點(diǎn)。

1 樣品加熱爐設(shè)計(jì)

近室溫樣品加熱爐要求系統(tǒng)具有高的測量與控制精度和高的穩(wěn)定性。根據(jù)近室溫樣品加熱爐溫度測量和控制的技術(shù)要求，系統(tǒng)共分為兩部分：樣品加熱爐結(jié)構(gòu)模塊、溫度控制模塊［4］。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 半導(dǎo)體制冷器

半導(dǎo)體制冷器是一種熱電制冷器（Thermoelectric cooler），它是由半導(dǎo)體按照特殊的結(jié)構(gòu)組成的一種加熱制冷裝置，能集加熱與制冷為一體?；诎雽?dǎo)體制冷器的樣品加熱爐系統(tǒng)無需將加熱與制冷分離。半導(dǎo)體制冷技術(shù)主要是帕爾帖效應(yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用，能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出，這種吸收或放出的熱量通常叫做帕爾帖熱。從熱端到冷端的傳導(dǎo)熱為：

其中：K為半導(dǎo)體制冷器的導(dǎo)熱率；T1，T2為半導(dǎo)體制冷器熱端和冷端的溫度。

常規(guī)的半導(dǎo)體制冷器兩端的溫差約為60～70℃，特殊情況下可達(dá)到150℃。針對半導(dǎo)體制冷器的這一特性，文中選用半導(dǎo)體制冷器作為樣品加熱爐的加熱體。半導(dǎo)體制冷器控制面如圖1所示。此結(jié)構(gòu)中包含縱橫排列的半導(dǎo)體制冷器，每排串聯(lián)3個半導(dǎo)體制冷器，排與排之間并聯(lián)成列共3排。采用該結(jié)構(gòu)一方面可以提高半導(dǎo)體制冷器的效率，另一方面可以構(gòu)成較為均勻的溫度場。

圖1 半導(dǎo)體制冷器控制面Fig.1 TEC control surface

圖2 樣品加熱爐結(jié)構(gòu)Fig.2 Sample furnace structure

1.1.2 爐體結(jié)構(gòu)

樣品加熱爐的結(jié)構(gòu)如圖2所示，最外層的輻射面是被測樣品材料，材料上鉆有插孔用于放置Pt100熱電阻，材料的表面積為140mm×140mm的正方形；其次為半導(dǎo)體制冷器控制面，此結(jié)構(gòu)中包含縱橫排列的半導(dǎo)體制冷器；再次為液體回流裝置，用于減小半導(dǎo)體制冷器兩個面上的溫差，且將其基礎(chǔ)溫度限定在安全溫度范圍。因?yàn)楫?dāng)半導(dǎo)體制冷器在較大溫差下工作時，制冷系數(shù)迅速下降，制冷工況也會迅速惡化，液體回流裝置如圖3所示；最后是散熱層，散熱層的作用是將多余的熱量帶走，不影響整個系統(tǒng)正常工作。

1.2 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度測量系統(tǒng)的硬件電路系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)構(gòu)成，下位機(jī)硬件主要由溫度傳感器Pt100、功率放大器AD620構(gòu)成的調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器AD574A和半導(dǎo)體制冷器的H橋驅(qū)動電路以及單片機(jī)組成，上位機(jī)為PC機(jī)，系統(tǒng)原理圖如圖4所示。數(shù)據(jù)采集過程為：在12V恒流源的激勵下，Pt100的阻值隨溫度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，調(diào)理電路對電壓信號進(jìn)行放大、變換，輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送下位機(jī)，再通過串行通信上傳給PC機(jī)進(jìn)行存儲、顯示和圖形化。對溫度的控制不是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的溫度值，而是根據(jù)設(shè)定值與采樣值的偏差e以及偏差變化率ec，當(dāng)偏差大于0時加熱，偏差小于0時制冷。

圖3 液體回流裝置Fig.3 Liquid reflux device

圖4 系統(tǒng)原理圖Fig.4 System schematic

1.2.1 溫度采集模塊

鉑電阻溫度計(jì)因其測溫范圍寬、準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、組成測控溫系統(tǒng)靈活而在溫度測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其測量范圍為－200～850℃。常用的Pt100電阻接法有三線制和兩線制，其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將Pt100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除，本文采用三線制接法，如圖5所示。測溫原理：電路采用D1和電位器R5調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R1、R2、R6、Pt100構(gòu)成測量電橋（其中R1＝R2＝2kΩ，R6為100Ω精密電阻），當(dāng)Pt100的電阻值和R6的電阻值不相等時，電橋輸出一個mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過AD620放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。

1.2.2 通信模塊

采用89C52作為溫度控制器，溫控器通過RS－232與PC機(jī)通訊，接受PC機(jī)發(fā)送的溫控指令，并將實(shí)測的溫度數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)。溫控器的通訊系統(tǒng)包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩部分。下位機(jī)程序包括主程序、顯示子程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序和D／A轉(zhuǎn)換子程序等，實(shí)現(xiàn)了對A／D、D／A以及鍵盤顯示的驅(qū)動。另外，在A／D采樣過程中還加入了顯示報(bào)警功能，當(dāng)采樣溫度值超出設(shè)定的溫度范圍，溫控器報(bào)警信號燈就會閃爍并停止對TEC的驅(qū)動。上位機(jī)軟件主要是通過串行口RS－232實(shí)現(xiàn)對溫控儀的控制，對實(shí)時輸入的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行控制并顯示輸出，通信過程如圖4所示。

1.2.3 制冷器驅(qū)動

半導(dǎo)體制冷片根據(jù)流過半導(dǎo)體的電流方向和大小來決定其工作狀態(tài)，因此需對半導(dǎo)體制冷器提供一個大小、方向可調(diào)節(jié)的電流，通過調(diào)整電流的大小來調(diào)整半導(dǎo)體制冷器制冷制熱的強(qiáng)度，通過調(diào)整電流的方向?qū)崿F(xiàn)加熱和制冷的轉(zhuǎn)換。文中采用H橋驅(qū)動電路，對半導(dǎo)體制冷器進(jìn)行驅(qū)動，如圖6所示：Q1和Q4為P溝道型MOS管，Q2和Q3為N溝道型MOS管，VCC為12V。當(dāng)Q1和Q2導(dǎo)通時，電流經(jīng)半導(dǎo)體制冷器由左至右流過；當(dāng)Q3和Q4導(dǎo)通時，電流經(jīng)半導(dǎo)體制冷器由右至左流過。通過控制Q1和Q4導(dǎo)通時間來控制半導(dǎo)體制冷器的工作時間。

圖5 Pt100接線方式Fig.5 Pt100wiring

圖6 H橋驅(qū)動電路Fig.6 H－bridge driver circuit

2 樣品加熱爐溫控系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)

2.1 模糊PID控制原理及設(shè)計(jì)

模糊PID是文中的核心部分，溫度模糊控制器結(jié)構(gòu)采用二維模糊控制器，即以實(shí)際溫度對設(shè)定溫度的誤差e及誤差的變化率ec作為模糊控制系統(tǒng)的輸入模糊變量［5］，語言變量值?。鸑B，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝7個模糊值；選擇輸出語言變量為 Δkp、Δki、Δkd語言變量值也?。鸑B，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝7個模糊值，建立 Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則，控制規(guī)則如表1、表2及表3所示：

表1 kp模糊規(guī)則控制表Tab.1 Fuzzy rules control table of kp

表2 ki模糊規(guī)則控制表Tab.2 Fuzzy rules control table of ki

表3 kd模糊規(guī)則控制表Tab.3 Fuzzy rules control table of kd

2.2 仿真與程序設(shè)計(jì)

文中被控對象為基于半導(dǎo)體制冷器的樣品加熱爐，其傳遞函數(shù)為：

根據(jù)PID算法得：kp＝0.3510，ki＝0.0025，kd＝12.0042。誤差和誤差變化的論域均為e＝ec＝［－6，6］，借助MATLAB軟件中的模糊邏輯工具箱進(jìn)行設(shè)計(jì)［6－7］，步驟如下：

（1）應(yīng)用MATLAB下的FIS編輯器，輸入為e和ec，輸出為kp，ki，kd。

（2）繼續(xù)在FIS編輯器中建立誤差e，誤差的變化ec的隸屬函數(shù)曲線，NB為gaussmf型，PB為smf型，其余5個變量為trimf型，如圖7所示。kp，ki，kd的過程相同。

（3）打開Rules editor，根據(jù)表1、表2及表3進(jìn)行規(guī)則編輯，把此二輸入判斷關(guān)系設(shè)成and，將下列1～49所有模糊規(guī)則語句輸入。

圖7 e、ec的隸屬度函數(shù)Fig.7 Membership function of e and ec

（4）運(yùn)行模糊PID控制程序。

2.3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在恒定室溫下（20℃）對加熱爐系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在加熱情況下，將樣品加熱爐的預(yù)設(shè)溫度設(shè)置為T＝50℃，制冷情況下，將預(yù)設(shè)溫度設(shè)置為T＝－10℃，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后測量不同溫度下的系統(tǒng)輸出。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比（T＝50℃）Fig.8 Comparison of the simulation and experimental results（T＝50℃）

圖9 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比（T＝－10℃）Fig.9 Comparison of the simulation and experimental results（T＝－10℃）

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，應(yīng)用模糊PID控制算法對樣品加熱爐進(jìn)行溫度控制，系統(tǒng)無超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間短（加熱210s，制冷315s），加熱和制冷情況下的控制精度分別為士0.20℃和士1.00℃。

3 結(jié) 論

本文對近室溫樣品加熱爐溫度的模糊PID控制進(jìn)行了研究，介紹了基于半導(dǎo)體制冷器的樣品加熱爐的結(jié)構(gòu)及溫度控制方法。將模糊PID算法用于工作在近室溫的樣品加熱爐的溫控系統(tǒng)中，不但能解決系統(tǒng)慣性大、易受到干擾等問題，而且能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。由仿真結(jié)果可以看出，模糊PID算法無超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間短。實(shí)測結(jié)果也表明，該算法系統(tǒng)響應(yīng)快。在加熱情況下，實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的誤差為±0.20℃；在制冷情況下，實(shí)際溫度與設(shè)定溫度之間的誤差為±1.00℃。

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