基于模糊PID技術(shù)的CO2激光器恒溫控制研究

相恒富

XIANG Heng-fu

（中國石油大學(xué) 機電工程學(xué)院，東營 257061）

0 引 言

CO2激光直寫法制作微流控芯片設(shè)備如圖1所示[1]，由激光器和直線電機直接驅(qū)動的二維運動工作臺組成。CO2激光直寫法省去了周期長的制模過程，加工系統(tǒng)要求簡單，設(shè)備投資小，柔性化程度高，能夠加工復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，制作時間非常短，是一種低成本可大批量生產(chǎn)的技術(shù)，引起國內(nèi)外的關(guān)注。但也有一些亟待克服的缺點，由于激光器諧振腔機械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，工作氣壓、成分的變化，電源電壓、電流的波動變化及溫度變化等因素，使得CO2激光器的輸出功率穩(wěn)定性不高，這影響了微流道輪廓質(zhì)量，如圖2所示，實驗時采用激光功率20 w掃描速度0.25 m/s時加工出來的微流道輪廓，從圖中可看出，流道深度方向上存在幾何尺度不一致性，這是由于激光功率不穩(wěn)定造成的，因此改善流道質(zhì)量，必須保證激光輸出功率的穩(wěn)定性。而穩(wěn)定激光器輸出功率，可以通過控制CO2激光器溫度來實現(xiàn)，CO2激光器有一個最佳工作溫度，因此需要有一個控溫裝置，能夠?qū)す馄鬟M(jìn)行制熱制冷。本文將采用模糊PID穩(wěn)定性，解決微流道深度幾何尺度不一致性?？刂萍夹g(shù)來控制激光器溫度，從而保證激光輸出功率的穩(wěn)定性。

1 基于模糊PID技術(shù)的CO2激光器恒溫控制系統(tǒng)

要控制CO2激光器的溫度，必須能實時監(jiān)測激光器的溫度，并能對激光器進(jìn)行制熱制冷，其工作原理為：當(dāng)激光器溫度過高，將進(jìn)行制冷，溫度過低，將進(jìn)行制熱，使激光器溫度穩(wěn)定在一個最佳工作溫度。

圖1 CO2激光直寫聚合物微流控芯片精密實驗臺

圖2 CO2激光直寫PMMA制作的微流道輪廓圖

而半導(dǎo)體TEC熱敏電阻是利用帕爾貼(Peltier)效應(yīng)進(jìn)行制冷或加熱的半導(dǎo)體器件，同時具有制熱制冷的作用，且溫度檢測精度很高[2]。因此系統(tǒng)采用TEC熱敏電阻作為溫度探測器，監(jiān)測CO2激光器的溫度值，利用熱敏電阻溫度到電壓轉(zhuǎn)化的特性以電壓作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)量，此轉(zhuǎn)化的電壓值經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機內(nèi)。單片機內(nèi)的算法程序?qū)嶋H溫度電壓與參考溫度電壓之間的差值作為輸入變量，利用模糊PID算法進(jìn)行計算并產(chǎn)生控制量?？刂屏靠刂茢?shù)字PWM波驅(qū)動MOSFFT電路，產(chǎn)生相應(yīng)的電流驅(qū)動TEC，TEC對被控器件CO2激光器進(jìn)行加熱或致冷，同時CO2激光器的實際溫度又被熱敏電阻反饋到數(shù)據(jù)采樣電路中，反復(fù)上述過程，直到CO2激光器的實際溫度與設(shè)置的參考溫度相同為止，從而完成了整個溫度的控制過程。CO2激光器溫度模糊PID控制系統(tǒng)如圖3所示：

表1 Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則表

圖3 CO2激光器溫度模糊PID控制系統(tǒng)

模糊PID 自適應(yīng)控制算法是在PID 算法的基礎(chǔ)上將模糊控制理論應(yīng)用于PID 控制器的參數(shù)整定，使PID 控制器的參數(shù)調(diào)解適應(yīng)控制對象數(shù)學(xué)模型的參數(shù)變化，使系統(tǒng)不僅具有良好的動態(tài)特性，還具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)。在CO2 激光的溫度控制系統(tǒng)中，模糊PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可控式PID 系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成。參數(shù)可控式PID 控制器完成對系統(tǒng)的直接控制，而模糊控制器則根據(jù)e(溫度誤差) 及ec (溫度誤差的變化率) 實現(xiàn)對PID 的3個控制參數(shù)Kp (比例)，Ki(積分)，Kd (微分) 的實時在線整定[3-4]。

設(shè)置e及ec在模糊集上的論域為e,ec ={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，其模糊子集為{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}，隸屬度函數(shù)采用靈敏度高的三角函數(shù)。根據(jù)參數(shù) Kp、Ki、Kd 對系統(tǒng)輸出特性的影響，制定Kp、Ki、Kd 的調(diào)整原則如下：當(dāng)|e|較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)取較大Kp；同時，為避免由于開始時E的瞬時變大可能出現(xiàn)的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較小Ki；以使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能。為防止出現(xiàn)較大超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對積分加以限制，取Ki為零。當(dāng)|e|和|ec|處于中等大小時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取小一些，Ki取值要適當(dāng)，Kd要大小適中，以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。 當(dāng)|e|較小，即接近設(shè)定值時，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加Kp、Ki取值，均取較大值。同時，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，Kd值的選擇為中等大?。划?dāng)|ec|較大時，Kd可取小一些，|ec| 較小時，Kd取大一些?？梢越p、Ki、Kd 的模糊推理規(guī)則, 其中Kp、Ki、Kd的模糊推理規(guī)則如表1 所示：

對經(jīng)過模糊控制規(guī)則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理的公式如下：

式中，u (k)為k采樣周期時的輸出，e (k)為k采樣周期時的偏差，T為采樣周期，ec (k)為k采樣周期時的偏差變化率。

2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)采用飛思卡爾單片機MC9S08AW來實現(xiàn)對CO2激光器的控制，MC9S08AW具有高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境的特點。CO2激光器選用大族的軸快流激光器，其輸出功率范圍是0-50 W，它有一個最佳工作溫度為35 。由于CO2激光器溫度影響因素復(fù)雜，很難建立精確的激光器溫度數(shù)學(xué)模型，我們采用實驗方法在線自整定Kp、Ki、Kd的參數(shù)。A/D、D/A、Fuzzy-PID算法均由單片機實現(xiàn)，溫度檢測系統(tǒng)采樣周期為10 s，半導(dǎo)體TEC選用浙江邁特電子有限公司的TEC1-12706。系統(tǒng)的軟件框圖如圖4所示，在激光器啟動時，設(shè)定一個溫度初值35，然后每隔10秒TEC熱敏電阻采樣一個溫度值，若采樣溫度與設(shè)定值偏差大于0.05，就調(diào)用Fuzzy-PID控制程序產(chǎn)生控制量，改變控制電流對TEC進(jìn)行制熱或者制冷。

圖4 激光器模糊自適應(yīng)控制軟件框圖

單片機Fuzzy-PID控制程序如圖5所示：每當(dāng)?shù)讲蓸訒r刻，即 時，單片機對激光器溫度進(jìn)行一次采樣，完成A/D變換，計算e (k)、ec (k)，進(jìn)而根據(jù)公式（1）計算u (k)，以脈寬調(diào)制(PWM) 的方式輸出控制信號，然后等待下一采樣時刻到來進(jìn)行另一次采樣控制循環(huán)。整個程序主體部分采用匯編語言編寫，在控制算法部分調(diào)用C語言編寫函數(shù)。

試驗中選擇選擇采樣周期Ts=10s，采樣310個點，設(shè)定激光器初始溫度為35℃，試驗結(jié)果如圖6所示：采用模糊PID控制，CO2激光器溫度控制偏差0.05℃，

其良好的控溫精度保證CO2激光輸出功率的穩(wěn)定性，對于激光直寫聚合物微流道具有重要意義，從而保證微流道深度幾何一致性。

圖5 單片機Fuzzy-PID程序流程圖

圖6 CO2激光管芯溫度隨時間的變化關(guān)系

3 結(jié)束語

針對CO2激光器溫度不恒定導(dǎo)致輸出功率變化，造成激光直寫聚合物微流道深度存在幾何不一致性問題，提出了采用模糊PID控制技術(shù)對激光器溫度進(jìn)行控制，試驗結(jié)果表明：

1）采用TEC熱敏傳感器對CO2激光器溫度進(jìn)行控制，可使激光器溫度偏差穩(wěn)定在0.05 內(nèi)。

2）采用模糊PID控制技術(shù)，使得溫度控制穩(wěn)定性很高。

3）為保證激光直寫設(shè)備的精度，應(yīng)將激光功率控制和運動平臺定位精度集成在一起，這是進(jìn)一步研究的方向。

[1]相恒富, 張立軍.激光直寫聚合物微流控芯片精密實驗臺設(shè)計[J].制造技術(shù)與機床, 2009, 37(5)∶ 70-73.

[2]萬小平, 金雷, 陳瓞延, 馬萬云.基于MAX1968的半導(dǎo)體激光溫控電路設(shè)計[J].微計算機信息, 2006, (12Z)∶ 65-67.

[3]朱顯闖, 姜海明, 謝康, 等.Fuzzy-PID的半導(dǎo)體激光器溫度自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗科學(xué)與技術(shù), 增刊, 2006∶25-28.

[4]胡峻峰, 趙亞鳳, 鄭綱.模糊PID及其在TEC溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2007, 26(10)∶ 102-104.

[5]黃岳巍, 崔瑞禎, 鞏馬理, 等.基于TEC的大功率LD恒溫控制系統(tǒng)的研究[J].紅外與激光工程, 2006, 35(2)∶ 143-147.

[6]高加林, 郭微波.一種高效率TEC溫度控制器的設(shè)計[J].集成電路通訊, 2007, 25(1)∶ 5-11.

[7]李斌, 張壹, 王文哲.高精度數(shù)字式激光器恒溫控制系統(tǒng)[J].研究與設(shè)計, 2006, 25(7)∶23-26.

[8]Takuya KANAI,Samuel BOHMAN,Akira SUDA,etc.Development of a Pointing and Power Stabilization System for Intense Few-cycle Lasers[J].The Review of Laser Engineering,2008,1(Supplemental Volume)∶1109-1112.