基于Bang-Bang和PID復合控制的紅外探測器溫控系統設計

朱雙雙，鄒 鵬，路美娜，張愛文，劉振海，裘楨煒，洪 津

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基于Bang-Bang和PID復合控制的紅外探測器溫控系統設計

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. 中國科學技術大學，安徽 合肥 230026；2. 中國科學院 安徽光學精密機械研究所，安徽 合肥 230031；3. 中國科學院通用光學定標與表征技術重點實驗室，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，用于實現短波紅外波段輻射偏振信息的光電轉換。為保證應用性能，需要對探測器進行精密溫控，保證其工作在較低且穩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，采用FPGA控制完成溫度信號的采集并輸出控制信號，數模轉換器控制三極管驅動電流完成半導體制冷器的驅動，采用Bang-Bang和PID復合控制算法完成探測器的精密溫控，測試結果表明，溫控精度優于±0.1℃，溫度穩定時間小于6min，可將探測器在較短的時間內控制在目標溫度范圍內，為實現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的光學和微物理性質與其光譜特性密切相關，多光譜偏振信息的高精度獲取可以解析大氣性質，實現氣溶膠和水汽的高精度探測及反演，為空氣質量監測與大尺度長期氣候變化研究提供數據支撐。

短波紅外波段的偏振探測具有受煙霧影響小，辨識物體真偽能力強等特點，廣泛應用于云氣溶膠粒子狀態探測、地表偏振反射率探測、海洋開發應用、環境監測等領域[1-5]。紅外探測器作為短波紅外偏振信息獲取的核心部件，負責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用性能，尤其是在探測信號極其微弱的應用場合，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據產品中，影響輻射和偏振測量精度，造成大氣參數探測精度和圖像校正精度損失[7-8]。溫控精度和溫度穩定時間是影響暗電流波動的主要因素，溫控精度高，溫度穩定時間短，則探測器的暗電流波動小，探測系統測量精度高，反之亦然。通過對紅外探測器進行精密溫度控制，在降低其工作溫度的同時，保證探測器具有較高的溫度穩定性，可以有效提高系統測量精度。

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

1 系統熱控方案

本文所討論的某偏振探測儀共選用6只短波紅外探測器，目標工作溫度為－60℃。如圖1所示，采用兩級制冷相結合的控溫方式，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℃，同時通過探測器內置帕爾貼將光敏面進一步制冷至－60℃。

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

圖1 紅外探測器熱沉結構安裝示意圖

1）完成6路紅外探測器的溫控，半導體制冷器在熱端為25℃的條件下，制冷目標為－15℃，制冷溫差大于40℃，考慮留有一定裕量，設計制冷目標溫差為50℃，控溫穩定性優于±0.1℃；

2）采用閉環控制方式，確保測量間隔內探測器溫度波動最小；

3）由于紅外探測器、熱敏電阻、半導體制冷器（TEC）以及溫控系統集成在一個密閉金屬殼體內，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）控制驅動電路需要具備過流保護功能，防止因某一路電路出現器件損壞引起整個驅動電路的失效；

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

6）溫控系統具備驅動電壓和驅動電流實時監測的能力。

2 溫控系統方案設計

2.1 溫控系統硬件方案

紅外探測器高精度溫控系統由溫度信號產生模塊、信號處理模塊、主控模塊及半導體制冷器驅動模塊以及半導體制冷器構成，電路原理框圖如圖2所示。

圖2 探測器溫控系統原理框圖

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

2.1.1 溫度信號產生模塊

溫度信號產生模塊用于將溫度值（熱敏電阻阻值）轉換為電壓值。對溫度要求主要是穩定度較高，溫度點的絕對值要求較低，所以分析時主要關心溫漂對溫度信號產生電路的影響。溫度信號產生電路如圖3所示，由基準電壓源、精密電阻以及熱敏電阻3部分構成，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前熱敏電阻阻值。電壓基準選用AD公司的AD580SH，輸出基準電壓為2.5V。

圖3 溫度信號產生電路圖

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，熱敏電阻轉換為電壓信號后依次經過模擬開關、緩沖放大器進入模數轉換器完成數字量化。

模擬開關選用美信公司生產的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輸入電壓動態范圍，減小量化誤差影響。

ADC選用ADI公司的AD976ASD，量化位數為16位，轉換速率可達200kps，滿足系統更新速率要求。

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，并根據采集的溫度信息來調節熱電制冷器的驅動功率，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 制冷器驅動模塊

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

圖4 制冷器驅動電路圖

2.1.5 半導體制冷器

半導體制冷器（TEC）是一種依據帕爾帖效應工作的固體熱泵。所謂帕爾帖效應，是指當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現象，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]。在本系統中熱沉控溫器件選用的是美國馬洛公司生產的NL2070型二級半導體制冷器，具有體積小，重量輕，制冷效率高，無噪音的特點。

2.2 溫控系統軟件方案

2.2.1 溫度控制策略

PID控制是最早發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，參數易于整定等優點而被廣泛應用[10-11]。通過PID控制，大多數控制系統都能獲得較好的控制效果，尤其對于可建立精確數學模型的確定性控制系統。在本系統設計中，由于很難得到溫度特性的精確數學模型，理論設計的控制器參數必須依靠現場調試。PID控制正好具備這種靈活性和適應性，并且能取得很好的控制效果。為縮短溫度穩定時間，當溫度偏差的絕對值|()|大于設定閾值時引入Bang-Bang控制，反之進入PID控制環節，構成了如圖5所示Bang-Bang—PID復合控制系統，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 控制系統結構圖

2.2.2 Bang-Bang控制[12-13]

Bang-Bang控制是一種時間最優控制，實際上是一種開關控制，具有加快系統響應速度，操作便捷，結構簡單，經濟性好等優點。Bang-Bang控制的目標函數總是取在容許控制的邊界上，要么取最小值，要么取最大值，只在這兩個數值上切換，所以系統也在兩種狀態下切換，提高了系統的快速性，從而實現最小時間最優控制。Bang-Bang控制的表達式見式(1)：

式中：()為當前控制器輸出量；max為其最大值；()為偏差；為設定閾值。

當|()|＞時，控制器輸出量()取最大值，當偏差較大時，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。如果閾值取太大，Bang-Bang控制很容易造成超調，降低系統精度；如果閾值取太小，Bang-Bang控制不能充分發揮其優越性。合理選取閾值既可以減少超調量，又可以改善穩態誤差。本文通過試驗優化，設置閾值為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；I為積分系數；D為微分系數。

把式(2)表示的PID控制規律的連續形式變為離散形式，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。

根據遞推規律，可得(－1)的表達式，即式(4)：

用式(3)減去式(4)可得其增量形式：

式(5)即為本系統PID控制算法實現的基礎。

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

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

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

2.2.4 溫控系統軟件設計

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

圖6 控制算法流程圖

3 實驗結果與分析

系統搭建完成后，需要不斷調整p的取值，通過對比溫控穩定度、溫度穩定時間等參數，以確定適合于系統應用的最優p值。由于當前可購買到的制冷器功率偏低，制冷能力有限，為進行原理性驗證，設定目標溫度為＋15℃，對系統溫控性能進行驗證。圖7為3個典型p值下的控溫曲線。

環境溫度為21℃，給系統設定溫度為15℃，設定閾值為2℃。由圖7可以看出，系統溫度在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，之后進入PID控制階段，由于p值的不同，3條溫度曲線呈現不同的控制效果。p＝0A時，系統在20min內達到穩定溫度，溫度精度為±0.1℃，系統溫度到達穩定的時間較長；p＝0E時，系統在12min內達到穩定溫度，溫度精度為±0.1℃，但其后系統溫度波動較大；p＝0D時，系統6min內達到穩定溫度，溫度精度為±0.1℃，其后系統溫度波動較小。可以看出當p為0D時，在滿足控溫精度的同時，具有最小的調整時間，因此0D為適合本系統的最優控制參數。

圖7 Kp取值不同時溫度控制效果比較

上述實驗結果表明，使用本文所設計的硬件系統，結合Bang-Bang和PID復合控制算法，可以快速、準確地將探測器熱沉控制在所需的目標工作溫度，為實現探測器光敏面的精密控溫提供保證。

4 結論

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

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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。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。

國家自然科學基金（41405037）。