何 茜，韓 軍，陳文建

（1.西安工業(yè)大學 光電工程學院，陜西 西安 710021；2.西安應用光學研究所，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。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，對應的溫度范圍約為－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)不同的溫度范圍設計不同結構的樣品加熱爐，再根據(jù)不同的樣品加熱爐的加熱體特性設計相應的溫度控制方法。樣品加熱爐的溫控控制精度直接影響到最后的測量結果。

實驗表明，在近室溫范圍內，當標準黑體爐與樣品加熱爐的溫差為2℃時，測量結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)學模型。本文采用模糊算法與PID算法相結合的算法，該算法既具有模糊控制靈活而適應性強的優(yōu)點，又具有PID控制精確度高的特點。

1 樣品加熱爐設計

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要求，系統(tǒng)共分為兩部分：樣品加熱爐結構模塊、溫度控制模塊［4］。

1.1 結構設計

1.1.1 半導體制冷器

半導體制冷器是一種熱電制冷器（Thermoelectric cooler），它是由半導體按照特殊的結構組成的一種加熱制冷裝置，能集加熱與制冷為一體。基于半導體制冷器的樣品加熱爐系統(tǒng)無需將加熱與制冷分離。半導體制冷技術主要是帕爾帖效應在制冷技術方面的應用，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熱為：

其中：K為半導體制冷器的導熱率；T1，T2為半導體制冷器熱端和冷端的溫度。

常規(guī)的半導體制冷器兩端的溫差約為60～70℃，特殊情況下可達到150℃。針對半導體制冷器的這一特性，文中選用半導體制冷器作為樣品加熱爐的加熱體。半導體制冷器控制面如圖1所示。此結構中包含縱橫排列的半導體制冷器，每排串聯(lián)3個半導體制冷器，排與排之間并聯(lián)成列共3排。采用該結構一方面可以提高半導體制冷器的效率，另一方面可以構成較為均勻的溫度場。

圖1 半導體制冷器控制面Fig.1 TEC control surface

圖2 樣品加熱爐結構Fig.2 Sample furnace structure

1.1.2 爐體結構

樣品加熱爐的結構如圖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；其次為半導體制冷器控制面，此結構中包含縱橫排列的半導體制冷器；再次為液體回流裝置，用于減小半導體制冷器兩個面上的溫差，且將其基礎溫度限定在安全溫度范圍。因為當半導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)設計

溫度測量系統(tǒng)的硬件電路系統(tǒng)由下位機和上位機構成，下位機硬件主要由溫度傳感器Pt100、功率放大器AD620構成的調理電路、A／D轉換器AD574A和半導體制冷器的H橋驅動電路以及單片機組成，上位機為PC機，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換成電壓的變化，調理電路對電壓信號進行放大、變換，輸出標準信號，經(jīng)A／D轉換送下位機，再通過串行通信上傳給PC機進行存儲、顯示和圖形化。對溫度的控制不是根據(jù)預先設定的溫度值，而是根據(jù)設定值與采樣值的偏差e以及偏差變化率ec，當偏差大于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

鉑電阻溫度計因其測溫范圍寬、準確度高、性能穩(wěn)定、組成測控溫系統(tǒng)靈活而在溫度測量領域得到了廣泛的應用，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)點是將Pt100的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除，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調節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源；采用R1、R2、R6、Pt100構成測量電橋（其中R1＝R2＝2kΩ，R6為100Ω精密電阻），當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機通訊，接受PC機發(fā)送的溫控指令，并將實測的溫度數(shù)據(jù)上傳給PC機。溫控器的通訊系統(tǒng)包括下位機軟件和上位機軟件兩部分。下位機程序包括主程序、顯示子程序、A／D轉換子程序和D／A轉換子程序等，實現(xiàn)了對A／D、D／A以及鍵盤顯示的驅動。另外，在A／D采樣過程中還加入了顯示報警功能，當采樣溫度值超出設定的溫度范圍，溫控器報警信號燈就會閃爍并停止對TEC的驅動。上位機軟件主要是通過串行口RS－232實現(xiàn)對溫控儀的控制，對實時輸入的溫度數(shù)據(jù)進行控制并顯示輸出，通信過程如圖4所示。

1.2.3 制冷器驅動

半導體制冷片根據(jù)流過半導體的電流方向和大小來決定其工作狀態(tài)，因此需對半導體制冷器提供一個大小、方向可調節(jié)的電流，通過調整電流的大小來調整半導體制冷器制冷制熱的強度，通過調整電流的方向實現(xiàn)加熱和制冷的轉換。文中采用H橋驅動電路，對半導體制冷器進行驅動，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Q1和Q2導通時，電流經(jīng)半導體制冷器由左至右流過；當Q3和Q4導通時，電流經(jīng)半導體制冷器由右至左流過。通過控制Q1和Q4導通時間來控制半導體制冷器的工作時間。

圖5 Pt100接線方式Fig.5 Pt100wiring

圖6 H橋驅動電路Fig.6 H－bridge driver circuit

2 樣品加熱爐溫控系統(tǒng)仿真及實驗

2.1 模糊PID控制原理及設計

模糊PID是文中的核心部分，溫度模糊控制器結構采用二維模糊控制器，即以實際溫度對設定溫度的誤差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］，語言變量值取｛NB，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 仿真與程序設計

文中被控對象為基于半導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行設計［6－7］，步驟如下：

（1）應用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進行規(guī)則編輯，把此二輸入判斷關系設成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）運行模糊PID控制程序。

2.3 仿真及實驗結果分析

在恒定室溫下（20℃）對加熱爐系統(tǒng)進行實驗驗證。在加熱情況下，將樣品加熱爐的預設溫度設置為T＝50℃，制冷情況下，將預設溫度設置為T＝－10℃，當系統(tǒng)穩(wěn)定后測量不同溫度下的系統(tǒng)輸出。仿真結果與實驗結果如圖8、圖9所示。

圖8 仿真與實驗結果對比（T＝50℃）Fig.8 Comparison of the simulation and experimental results（T＝50℃）

圖9 仿真與實驗結果對比（T＝－10℃）Fig.9 Comparison of the simulation and experimental results（T＝－10℃）

由實驗結果可以看出，應用模糊PID控制算法對樣品加熱爐進行溫度控制，系統(tǒng)無超調量，調節(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 論

本文對近室溫樣品加熱爐溫度的模糊PID控制進行了研究，介紹了基于半導體制冷器的樣品加熱爐的結構及溫度控制方法。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)的響應速度。由仿真結果可以看出，模糊PID算法無超調量、調節(jié)時間短。實測結果也表明，該算法系統(tǒng)響應快。在加熱情況下，實際溫度與設定溫度之間的誤差為±0.20℃；在制冷情況下，實際溫度與設定溫度之間的誤差為±1.00℃。

［1］楊照金.光電隱身效果評估技術系列講座［J］.應用光學，2011，32（2）：377－382.

［2］劉家環(huán)，李明偉.對在復制輕質金屬反射鏡上鍍紅外8～14μm反射膜的探討［J］.光學儀器，1999，21（4－5）：149－152.

［3］吳江輝，高教波，李建軍.固體材料定向光譜發(fā)射率測量裝置研究及誤差分析［J］.應用光學，2010，31（4）：597－601.

［4］于 洵，王 晶，武繼安.常溫面源黑體溫度控制穩(wěn)定性研究［J］.應用光學.2011，32（增刊）：100－103.

［5］張 宏，戴景民.面黑體輻射源溫控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.電機與控制學報，2006，10（5）：526－530.

［6］張化光.模糊自適應控制理論及其應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［7］李友善.模糊控制理論及其在過程控制中的應用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1993.