基于模糊PID技術的CO2激光器恒溫控制研究

相恒富

XIANG Heng-fu

（中國石油大學 機電工程學院，東營 257061）

0 引 言

CO2激光直寫法制作微流控芯片設備如圖1所示[1]，由激光器和直線電機直接驅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，加工系統要求簡單，設備投資小，柔性化程度高，能夠加工復雜的微結構，制作時間非常短，是一種低成本可大批量生產的技術，引起國內外的關注。但也有一些亟待克服的缺點，由于激光器諧振腔機械結構的不穩定性，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定性不高，這影響了微流道輪廓質量，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定造成的，因此改善流道質量，必須保證激光輸出功率的穩定性。而穩定激光器輸出功率，可以通過控制CO2激光器溫度來實現，CO2激光器有一個最佳工作溫度，因此需要有一個控溫裝置，能夠對激光器進行制熱制冷。本文將采用模糊PID穩定性，解決微流道深度幾何尺度不一致性?？刂萍夹g來控制激光器溫度，從而保證激光輸出功率的穩定性。

1 基于模糊PID技術的CO2激光器恒溫控制系統

要控制CO2激光器的溫度，必須能實時監測激光器的溫度，并能對激光器進行制熱制冷，其工作原理為：當激光器溫度過高，將進行制冷，溫度過低，將進行制熱，使激光器溫度穩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

而半導體TEC熱敏電阻是利用帕爾貼(Peltier)效應進行制冷或加熱的半導體器件，同時具有制熱制冷的作用，且溫度檢測精度很高[2]。因此系統采用TEC熱敏電阻作為溫度探測器，監測CO2激光器的溫度值，利用熱敏電阻溫度到電壓轉化的特性以電壓作為系統調節量，此轉化的電壓值經由A/D轉換進入單片機內。單片機內的算法程序將實際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算法進行計算并產生控制量。控制量控制數字PWM波驅動MOSFFT電路，產生相應的電流驅動TEC，TEC對被控器件CO2激光器進行加熱或致冷，同時CO2激光器的實際溫度又被熱敏電阻反饋到數據采樣電路中，反復上述過程，直到CO2激光器的實際溫度與設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控制系統如圖3所示：

表1 Kp、Ki、Kd的模糊控制規則表

圖3 CO2激光器溫度模糊PID控制系統

模糊PID 自適應控制算法是在PID 算法的基礎上將模糊控制理論應用于PID 控制器的參數整定，使PID 控制器的參數調解適應控制對象數學模型的參數變化，使系統不僅具有良好的動態特性，還具有比較理想的穩態品質。在CO2 激光的溫度控制系統中，模糊PID控制系統主要由參數可控式PID 系統和模糊控制系統兩部分組成。參數可控式PID 控制器完成對系統的直接控制，而模糊控制器則根據e(溫度誤差) 及ec (溫度誤差的變化率) 實現對PID 的3個控制參數Kp (比例)，Ki(積分)，Kd (微分) 的實時在線整定[3-4]。

設置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}，隸屬度函數采用靈敏度高的三角函數。根據參數 Kp、Ki、Kd 對系統輸出特性的影響，制定Kp、Ki、Kd 的調整原則如下：當|e|較大時，為加快系統響應速度，應取較大Kp；同時，為避免由于開始時E的瞬時變大可能出現的微分過飽和而使控制作用超出許可范圍，應取較小Ki；以使系統具有較好的跟蹤性能。為防止出現較大超調，產生積分飽和，應對積分加以限制，取Ki為零。當|e|和|ec|處于中等大小時，為使系統具有較小的超調，Kp應取小一些，Ki取值要適當，Kd要大小適中，以保證系統響應速度。 當|e|較小，即接近設定值時，為使系統有良好的穩態性能，應增加Kp、Ki取值，均取較大值。同時，為避免系統在設定值附近出現振蕩，并考慮系統抗干擾性能，Kd值的選擇為中等大??；當|ec|較大時，Kd可取小一些，|ec| 較小時，Kd取大一些?？梢越p、Ki、Kd 的模糊推理規則, 其中Kp、Ki、Kd的模糊推理規則如表1 所示：

對經過模糊控制規則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進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 系統的軟件實現

系統采用飛思卡爾單片機MC9S08AW來實現對CO2激光器的控制，MC9S08AW具有高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合用于工控領域及惡劣的環境的特點。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雜，很難建立精確的激光器溫度數學模型，我們采用實驗方法在線自整定Kp、Ki、Kd的參數。A/D、D/A、Fuzzy-PID算法均由單片機實現，溫度檢測系統采樣周期為10 s，半導體TEC選用浙江邁特電子有限公司的TEC1-12706。系統的軟件框圖如圖4所示，在激光器啟動時，設定一個溫度初值35，然后每隔10秒TEC熱敏電阻采樣一個溫度值，若采樣溫度與設定值偏差大于0.05，就調用Fuzzy-PID控制程序產生控制量，改變控制電流對TEC進行制熱或者制冷。

圖4 激光器模糊自適應控制軟件框圖

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

試驗中選擇選擇采樣周期Ts=10s，采樣310個點，設定激光器初始溫度為35℃，試驗結果如圖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系

3 結束語

針對CO2激光器溫度不恒定導致輸出功率變化，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控制技術對激光器溫度進行控制，試驗結果表明：

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

2）采用模糊PID控制技術，使得溫度控制穩定性很高。

3）為保證激光直寫設備的精度，應將激光功率控制和運動平臺定位精度集成在一起，這是進一步研究的方向。

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