一種恆溫控制系統及恆溫控制方法與流程
2023-12-04 19:39:41 6
本發明涉及恆溫系統領域，特別涉及一種對光模塊進行恆溫控制的恆溫控制系統及恆溫控制方法。
背景技術：
由於這些年國家對光通信的大力扶持，特別是國家對於「光進銅退」政策的大力推廣，光網絡越來越普及，同時競爭也越來越大。這就要求我們在產品在儘可能的在達到高性能、高品質的同時又最大限度的降低成本。
由於雷射器件對於溫度的變化及其敏感，對於溫度的穩定性要求也就非常的嚴苛。原來對於溫度的控制是純硬體的方式，這樣的方案成本較高，同時在靈活性方面也有缺陷。採用軟、硬體結合的方式，結合PID算法，即可保證溫度控制的穩定性，又不失靈活性。不足的地方在於，PID算法的參數調節比較麻煩。在此，利用我們經過優化後的PID算法，即可很好的解決PID參數調節的難度問題。
現在高端的BOSA，內部大多集成了TEC(半導體製冷器ThermoelectricCooler)，用於精準控制BOSA的溫度穩定性。對於對流經TEC的電流的大小、方向的控制，目前一般有兩種方式：一種是利用專用晶片純硬體控制；一種是利用現在成熟的PID算法控制。前者成本較高，且硬體設計複雜；後者在穩定時間上有所不足，且PID參數調節異常複雜。
技術實現要素：
本發明的目的是針對目前光模塊恆溫控制過程中所遇到的不足，提供一種恆溫控制系統及恆溫度控制方法。
本發明為實現其目的所採用的技術方案是：一種恆溫控制系統，包括對恆溫對象進行降溫和升溫的半導體製冷器，對半導體製冷器提供合適大小和方向的輸入電流的電流源；還包括對電流源輸出電流大小和方向進行控制的控制系統，所述的控制系統包括實時檢測恆溫對象溫度的溫度傳感器，根據溫度傳感器輸出產生控制所述的電流源的控制信號的處理單元，所述的控制信號包括控制電流源輸出電流大小和方向的控制信號。
本發明通過實時測量恆溫對象的溫度，產生控制電流源輸出電流大小和方向形成一個閉環控制。
進一步的，上述的恆溫控制系統中：所述的控制對象為光模塊。所述的電流源為型號是TPS63000的直流/直流轉換器晶片U1，所述的處理單元產生的控制信號TECSET從直流/直流轉換器晶片U1的FB引腳輸入，直流/直流轉換器晶片U1的FB引腳與輸出引腳之間串連電阻R1，直流/直流轉換器晶片U1的FB引腳通過電阻R2接地，直流/直流轉換器晶片U1的EN引腳通過電阻R4接地。
本發明還提供一種恆溫控制方法，所述的處理單元中產生控制信號TECSET包括以下步驟：
步驟A、在光模塊啟動時，測量光模塊的溫度，確定與目標溫度的差err(k)，k為自然數，k＝k0，k0是設定的一個起始數；
步驟B、計算u(k)＝Kperr(k)，並將計算結果u(k)進行DA轉換形成TECSET，Kp為根據調試確定的合適的快速調節係數；
步驟C、下一時間，k＝k+1，測量光模塊的溫度，確定與目標溫度的差err(k)，如果err(k)大於設定值，則轉向步驟B，否則，N為大於1的自然數；Kw＝k轉向步驟D；
步驟D、計算並將計算結果進行DA轉換形成TECSET，kI和kd分別為經過調試確定的合適的穩態平衡係數和動態穩定係數；
步驟E、下一時間，k＝k+1，測量光模塊的溫度，確定與目標溫度的差err(k)，轉向步驟D。
下面結合具體實施例對本發明作較為詳細的描述。
附圖說明
圖1是本發明實施例1使用的PID算法的一般形式。
圖2是本發明實施例1光模塊恆溫控制電路。
圖3是常溫下不同的係數對應的時間-溫度曲線。
圖4是同一組係數測試高溫、常溫、低溫三溫下的曲線(一)。
圖5是同一組係數測試高溫、常溫、低溫三溫下的曲線(二)。
具體實施方式
實施例1，本實施例是一種光模塊恆溫系統，利用該系統可以實現光模塊的快速達到設置的溫度，並且穩定在該溫度附近，採用如圖2所示的TPS63000+MCU構成的TEC溫控環路，並採用PID算法控制雷射器溫度的穩定，如圖2是典型的單端控制環路。本實施例中是對光模塊BOSA進行恆溫控制，對於其它恆溫對象也可以採用這樣的方法和系統進行控制，採用一個閉環控制方式，逐步逼近設定的溫度，本實施例採用的TPS63000+MCU構成的TEC溫控環路是一種非常適合對晶片加熱的TEC進行恆溫控制的。
PID算法的一般形式如圖1所示，採用如下公式：
離散後，得到位置型PID算法表示方式如下：
u(k)＝Kp(err(k)+KI∑err(j)+Kd(err(k)-err(k-1))) (2)
得到增量型PID算法表示如下：
Δu(k)＝Kp(err(k)-err(k-1))+Ki err(k)+kd(err(k)-2err(k-1)+err(k-2)) (3)
在如圖2所示的系統中，作為處理單元的MCU在接收到溫度傳感器也就是熱敏電阻Rrh上的電壓變化而獲得溫度的差值err(k)。在此使用位置型PID算法，其中u(k)對應的是TECSET值，err(k)對應的是設定目標值與當前值的差值，Kp用於快速調節，Ki用於穩態平衡，Kd用於動態穩定。
調試確定合適的Kp值後，得到溫度變化曲線如下圖3所示的曲線，從圖可以看出，蹭的曲線基本可以達到要求，屬於PID的整定典型曲線。
但是為了達到光模塊的快速啟動特性，該曲線的穩定時間顯然偏長了。最理想的狀態就是溫度到達目標值後就能快速趨於穩定，而不至於像上圖3一樣有太多的過衝，使得穩定時間大大延長。
由此，對現有PID算法做如下優化：
在模塊啟動時，如果能給定一個TECSET合適的初始值，不僅可以使得從模塊上電到啟用TEC這段時間內對模塊溫度的穩定起到正向作業，還能避免PID算法調節值從零開始而使得穩定時間出現不必要的延長。
模塊溫度快速趨於穩定目標值過衝中，避免出現震蕩可以有效縮短穩定時間。為了達到這個目標，我們可以在err(k)值較大時使用較大的比例係數，先不用微分、積分係數，這樣可以加快調節速度；當接近穩定狀態時，縮小比例係數(比如為原來的十分之一)，同時啟用微分、積分係數，使得溫度趨於穩定狀態。
包括以下步驟：
步驟A、在光模塊啟動時，測量光模塊的溫度，確定與目標溫度的差err(k)，k為自然數，k＝k0，k0是設定的一個起始數；
步驟B、計算u(k)＝Kperr(k)，並將計算結果u(k)進行DA轉換形成TECSET，Kp為根據調試確定的合適的快速調節係數；
步驟C、下一時間，k＝k+1，測量光模塊的溫度，確定與目標溫度的差err(k)，如果err(k)大於設定值，則轉向步驟B，否則，N為10；Kw＝k轉向步驟D；該步驟中N取10是一個比較合適的數據，也可以取其它自然數，根據需要可以取8、15等數字。
步驟D、計算並將計算結果進行DA轉換形成TECSET，kI和kd分別為經過調試確定的合適的穩態平衡係數KI和動態穩定係數Kd；
步驟E、下一時間，k＝k+1，測量光模塊的溫度，確定與目標溫度的差err(k)，轉向步驟D。本實施例中，對溫度傳感器輸出採樣時間為50ms，上面計算也是50ms計算一次。
上面的快速調節係數Kp、穩態平衡係數KI和動態穩定係數Kd一般是按照經驗給出，下面是調試過程。
1、依據經驗給出一個Kp值，監控溫度輸出，使得其可以趨於一個接近目標溫度的穩定值，反之進行逐步調整，就是以經驗值為中心，向大的方向或者向小的方向變化，直到趨於理想的穩定值。Kp越大，越快接近目標溫度，但是也越容易振蕩(即無法趨於一個穩定的值)。
2、在確定了Kp的基礎上，給出一個KI值，使得其可以在目標溫度點趨於穩定；同理可確定KI值。
3、如圖3所示，在其他外部條件相同的情況下，多給定幾組Kp、KI、Kd值，得到對應的溫度曲線。根據溫度曲線，很容易判斷哪一組Kp、KI、Kd值為對比之下的最佳值。
如圖3所示為同一個模塊在相同初始環境溫度下測得的溫度曲線。圖中三條曲線Kp、KI、Kd分別是：
1)Kp＝0.0025，KI＝0.00018，Kd＝0.08888
2)Kp＝0.03，KI＝0.00015，Kd＝0.15
3)Kp＝0.0417，KI＝0.00021，Kd＝0.15。
圖中橫坐標表示時間，50ms取一個值，因此，每個小格是50ms，縱坐標表示溫度，這裡的刻度表示取樣時，傳感器的取樣數據。
按照上面的方法確定Kp、KI、Kd值後，再哪不同的模塊作對比測試，最後測試三溫(高溫、常溫、低溫)下的曲線。
根據以上兩點的優化後，調試出合適的PID值及比例係數的縮小倍數，得到常溫下的溫度變化過程如圖4所示。此時，選擇Kp＝12.5，KI＝0.03825，Kd＝2.5。
從圖4可以看到，常溫下的變化過程相較於之前已有很大的改善，去除了震蕩過程，穩定時間大幅度縮短；高溫和低溫的溫度變化也遵循先快後慢最後漸進達到目標值的過程，與設想的最優控制目標基本吻合。
不過細心的話依然可以看出，高溫、低溫兩條曲線與常溫時的曲線比交還是有小幅度的震蕩。在PID算法中，起穩定作用的主要是積分、微分兩個係數，考慮的積分項的乘積部分為偏差累積值，偏差大的時候累積自然大，反之亦然。
所以，在常溫下確定的最佳積分係數，在高溫、低溫下就不再是最佳了。為此，我們對積分係數也可以使用可變係數的措施。方法如下：
當初始溫度偏差較大時，必然導致偏差累積部分較大，此時可選取較小的積分係數；反正，如果初始溫度偏差較小，則可去較大的積分係數。
根據這一原則，我們在模塊工作溫度的全溫範圍內選取一些點確定他們對應的積分係數，就可以得到一條初始溫度變化對應於積分係數的曲線如圖5所示。此時，Kp＝45.5，KI＝0.1755，Kd＝2.5。
由此我們可擬合出積分係數的變化公式。再據此優化PID算法，得到三溫下的LD溫度變化如下(其中從下到上分別代表常溫、高溫、低溫)：
可以看到，三溫下的溫度的穩定時間和穩定效果有明顯的提高，低溫下的表現尤其明顯。
經過以上三步對PID算法的優化，光模塊TEC對溫度控制的穩定效果已完全符合我們預期的優化目標。