基于自適應(yīng)遺傳算法的DFB激光器模糊PID溫控系統(tǒng)*

馬小雨(河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 鄭州 451191)

基于自適應(yīng)遺傳算法的DFB激光器模糊PID溫控系統(tǒng)*

馬小雨
(河南工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院， 鄭州 451191)

針對(duì)傳統(tǒng)的PID控制算法很難準(zhǔn)確控制DFB激光器溫度的問題，提出并設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID控制和自適應(yīng)遺傳算法的新型DFB溫度控制系統(tǒng).該控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，在硬件設(shè)備上以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的處理器，以鉑電阻和熱電冷卻器分別作為控制系統(tǒng)的敏感器和執(zhí)行器；在控制算法上利用自適應(yīng)遺傳算法來優(yōu)化模糊PID的自整定規(guī)則.結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)DFB激光器在5～65 ℃溫度范圍內(nèi)的有效控制，控制誤差和超調(diào)量分別低于0.002 3 ℃和10%，具有較好的應(yīng)用前景.

DFB激光器； 模糊PID控制； 自適應(yīng)遺傳算法； 溫度控制； 自整定； 優(yōu)化； 非線性； 延遲性

DFB激光器具有單色性、質(zhì)量輕和效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用在甲烷和一氧化碳等有害氣體的檢測(cè)上，但是它的檢測(cè)性能受溫度影響較大[1-3].因此，為了確保有害氣體檢測(cè)的準(zhǔn)確度，必須嚴(yán)格控制DFB激光器的工作溫度，使其保持恒溫狀態(tài).

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者都對(duì)DFB激光器的高精度溫度控制問題進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字增量式PID的DFB恒溫控制系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出精度和溫控范圍分別為±0.05 ℃和5～65 ℃；文獻(xiàn)[5]采用FPGA作為核心處理單元，采用傳統(tǒng)PID算法對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，溫控范圍為10～50 ℃，精度為±0.03 ℃；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)采用微型控制器和數(shù)字離散化的Ziegler-Nichol控制算法，調(diào)節(jié)范圍為5～60 ℃，精度僅為±0.05 ℃；文獻(xiàn)[7]介紹了用于氣體檢測(cè)的DFB激光器溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，有效溫控范圍為10～50 ℃，準(zhǔn)確度僅為±0.05 ℃.上述方法得到的結(jié)果范圍窄、精度低，這是由于溫度控制系統(tǒng)普遍存在著非線性和延遲性等問題，而上述方法都是在對(duì)于線性和非延遲性對(duì)象有效的經(jīng)典PID控制框架下來進(jìn)行研究的.因此，為了能夠?qū)崿F(xiàn)寬范圍、高精度的DFB激光器溫度控制，利用模糊PID控制策略和自適應(yīng)遺傳算法能夠較好地解決系統(tǒng)的非線性和延遲性方面的問題，將兩者結(jié)合起來設(shè)計(jì)控制算法，利用單片機(jī)、鉑電阻和TEC半導(dǎo)體制冷器來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，并用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證溫控系統(tǒng)的可靠性和有效性.

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的基于自適應(yīng)遺傳算法的DFB激光器模糊PID溫度控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 General block diagram of system

整個(gè)溫控系統(tǒng)主要包含兩大部分：第一部分為外圍設(shè)備，主要有LED顯示器、串行總線和上位機(jī)等，負(fù)責(zé)溫度的設(shè)定、實(shí)時(shí)顯示以及與上位機(jī)之間的通信；第二部分為內(nèi)置設(shè)備，主要由DFB激光器、溫度傳感器、信號(hào)調(diào)整電路、A/D、單片機(jī)、D/A、PWM調(diào)整電路、驅(qū)動(dòng)電路和制冷器等組成，負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)處理.該溫控系統(tǒng)的工作原理是：溫度傳感器將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)整和A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)，濾波處理之后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較計(jì)算得到偏差和變化率，再根據(jù)復(fù)合控制策略計(jì)算得到相應(yīng)的控制量來改變PWM的輸出，將PWM信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)入執(zhí)行器件，從而對(duì)被控對(duì)象加熱或者制冷.

1.2 溫度測(cè)量

在測(cè)量溫度值時(shí)，由于恒流源有受環(huán)境影響小、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，因此采用恒流源的方法來設(shè)計(jì)溫度測(cè)量電路，如圖2所示.前端模擬信號(hào)處理器使用的芯片為AD7713，其分辨率高達(dá)24 bit，它提供兩路恒流輸出和兩路差分輸入.恒流源1為參考電阻R1和熱敏電阻Rt提供激勵(lì)源，恒流源2通過高精度電阻Rref為AD7713提供基準(zhǔn)電壓，熱敏鉑電阻為4線連接，可以減小導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量值的影響，r1～r4分別為導(dǎo)線電阻，A1和A2均為運(yùn)放，開環(huán)放大倍數(shù)、輸入阻抗和輸出阻抗均為無窮大.

圖2 溫度測(cè)量電路Fig.2 Circuit of temperature measurement

1.3 TEC和驅(qū)動(dòng)

采用TES1-4903P型熱電制冷器(TEC)作為系統(tǒng)的溫度控制執(zhí)行器件，它能控制的最高溫度為67 ℃.為了快速地控制TEC的電流，采用大功率DRV592型驅(qū)動(dòng)集成塊，并用PWM來觸發(fā).PWM信號(hào)先進(jìn)行光電隔離，然后再輸入DRV592，從而使得其功率得到放大，在經(jīng)過LC濾波后輸出直流電流來驅(qū)動(dòng)TEC工作.濾波電路如圖3所示.

圖3 LC濾波電路Fig.3 Circuit of LC filtering

2 自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化的模糊PID控制

2.1 模糊PID控制規(guī)則

在模糊PID控制中，控制器的輸入為偏差e和偏差的變化率Δe，通過模糊控制規(guī)則來修正PID三個(gè)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定，構(gòu)成了模糊PID控制器，結(jié)構(gòu)原理圖[8]如圖4所示.

圖4 控制器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structural block diagram of controller

表1 Δkp的自整定規(guī)則Tab.1 Self tuning rule of Δkp

表2 Δki的自整定規(guī)則Tab.2 Self tuning rule of Δki

表3 Δkd的自整定規(guī)則

根據(jù)表1～3計(jì)算PID參數(shù)，即kp=kp0+Δkpkp0/3，ki=ki0+Δkiki0/3，kd=kd0+Δkdkd0/3，其中，kp0、ki0、kd0分別為參數(shù)初始值.

2.2 自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化模糊規(guī)則

模糊PID控制系統(tǒng)的性能效果取決于模糊規(guī)則的制定，而模糊規(guī)則又依賴經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，無法保證制定的規(guī)則能夠達(dá)到最優(yōu)或者次優(yōu).為此，利用自適應(yīng)遺傳算法來優(yōu)化模糊規(guī)則，可實(shí)現(xiàn)更好的控制效果[10].

(1)

式中，J為時(shí)間與誤差絕對(duì)值乘積的積分，它能夠反映響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差等控制性能，J越小，性能越好.

將模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}用二進(jìn)制表示為{001，010，011，100，101，110，111}.那么，需要優(yōu)化的模糊規(guī)則一共有7×7=49條，因此每個(gè)染色體含有49×3=147個(gè)規(guī)則基因.采用自適應(yīng)遺傳算法，動(dòng)態(tài)地改變交叉概率和變異概率，使得種群具有多樣性，提高了收斂速度和計(jì)算精度.交叉概率Pc和變異概率Pm的計(jì)算表達(dá)式分別為

(2)

(3)

式中：fmax和favg分別為種群的最大適應(yīng)度和平均適應(yīng)度；f為個(gè)體的適應(yīng)度值；ki為比例因子，0

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.采用自適應(yīng)遺傳算法來優(yōu)化模糊PID控制規(guī)則，為了加快搜索速度和精度，Pc和Pm的值不能太小或太大，取k1=0.2、k3=0.2、k2=0.15、k4=0.004.優(yōu)化之后的規(guī)則表分別如表4～6所示.

表4 自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化后Δkp的自整定規(guī)則Tab.4 Self tuning rule of Δkp after optimizing with adaptive genetic algorithm

表5 自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化后Δki的自整定規(guī)則Tab.5 Self tuning rule of Δki after optimizing with adaptive genetic algorithm

表6 自適應(yīng)遺傳算法優(yōu)化后Δkd的自整定規(guī)則Tab.6 Self tuning rule of Δkd after optimizing with adaptive genetic algorithm

采用優(yōu)化之后的自整定規(guī)則表來設(shè)計(jì)控制器，為了顯示本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的優(yōu)越性，將本文算法與文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較.實(shí)驗(yàn)室溫度的初始值為20 ℃，設(shè)定期望的DFB激光器溫度值分別為5、15、40和65 ℃，從零時(shí)刻開始啟動(dòng)溫度控制系統(tǒng)，得到了三種方法的溫度控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖5～8所示.

圖5 目標(biāo)溫度為5 ℃時(shí)三種方法對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線Fig.5 Corresponding experimental curves for three methods at target temperature of 5 ℃

圖6 目標(biāo)溫度為15 ℃時(shí)三種方法對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線Fig.6 Corresponding experimental curves for three methods at target temperature of 15 ℃

從圖5～8中所示的結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的控制算法能夠使DFB激光器的溫度達(dá)到預(yù)期的設(shè)定值.對(duì)于目標(biāo)溫度分別為5和15 ℃的溫度控制，超調(diào)量均小于10%，控制精度約為±0.002 3 ℃；對(duì)于目標(biāo)溫度分別為40和65 ℃的溫度控制，超調(diào)量很小，控制精度約為±0.001 7 ℃.相比較而言，文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]的方法超調(diào)量均較大，且調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng).因此，與另外兩種方法相比較，采用本文方法設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)DFB激光器工作溫度的快速和高精度的控制，并且穩(wěn)定性較好.

圖7 目標(biāo)溫度為40 ℃時(shí)三種方法對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 Corresponding experimental curves for three methods at target temperature of 40 ℃

圖8 目標(biāo)溫度為65 ℃時(shí)三種方法對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線Fig.8 Corresponding experimental curves for three methods at target temperature of 65 ℃

4 結(jié) 論

本文針對(duì)DFB激光器溫度控制系統(tǒng)存在的非線性和延遲性等問題，提出并設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID控制和自適應(yīng)遺傳算法的新型溫控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，分析了系統(tǒng)的控制算法，利用自適應(yīng)遺傳算法來優(yōu)化模糊PID的自整定規(guī)則.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的有效溫控范圍為5～65 ℃，控制誤差和超調(diào)量分別低于0.002 3 ℃和10%，因此精度較高，穩(wěn)定度較好，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值.

[1]張志榮，夏滑，董鳳忠，等.利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法同時(shí)在線監(jiān)測(cè)多組分氣體濃度 [J].光學(xué)精密工程，2013，21(11)：2771-2777.

(ZHANG Zhi-rong，XIA Hua，DONG Feng-zhong，et al.Simultaneous and on-line detection of multiple gas concentration with tunable diode laser absorption spectroscopy [J].Optics and Precision Engineering，2013，21(11)：2771-2777.)

[2]陳霄，隋青美，苗飛，等.應(yīng)用單一超窄線寬激光器的多氣體檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].光學(xué)精密工程，2011，19(7)：1495-1502.

(CHEN Xiao，SUI Qing-mei，MIAO Fei，et al.Design of detecting system for multi-component gases based on single ultar-narrow line width laser [J].Optics and Precision Engineering，2011，19(7)：1495-1502.)

[3]Ye W L，Zheng C T，Yu X，et al.Design and perfor-mance of a mid-infrared CH4detectioin device with novel three-channel-based LS-FTF self-adaptive denoising structure [J].Sensors and Actuatos B：Chemical，2011，155(1)：37-45.

[4]康偉.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DFB激光器恒溫控制系統(tǒng)建模與仿真 [J].激光雜志，2015，36(4)：59-61.

(KANG Wei.Modeling and simulation of the constant temperature control system based on BP neural network for DFB laser [J].Laser Journal，2015，36(4)：59-61.)

[5]劉澤利.用于氣體檢測(cè)的高精度DFB激光器溫控系統(tǒng) [J].激光雜志，2014，35(12)：82-84.

(LIU Ze-li.High precision DFB laser temperature control system used in gas detection field [J].Laser Journal，2014，35(12)：82-84.)

[6]李培.基于PID算法的高穩(wěn)定性激光器溫度控制器 [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22(4)：1111-1113.

(LI Pei.High stable DFB temperature controller based on PID algorithm [J].Computer Measurement & Control，2014，22(4)：1111-1113.)

[7]黃漸強(qiáng)，翟冰，何啟欣，等.用于氣體檢測(cè)的近紅外半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng) [J].光子學(xué)報(bào)，2014，43(6)：1-6.

(HUANG Jian-qiang，ZHAI Bing，HE Qi-xin，et al.A temperature controller for near-infrared semiconductor laser used in gas detection [J].Acta Photonica Sinica，2014，43(6)：1-6.)

[8]戴俊珂，姜海明，鐘奇潤(rùn)，等.基于自整定模糊PID算法的LD溫度控制系統(tǒng) [J].紅外與激光工程，2014，43(10)：3287-3291.

(DAI Jun-ke，JIANG Hai-ming，ZHONG Qi-run，et al.LD temperature control system based on self-tuning fuzzy PID algorithm [J].Infrared and Laser Enginnering，2014，43(10)：3287-3291.)

[9]余堯，王先全，朱桂林，等.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自整定的PID溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].電子器件，2015，38(6)：1360-1363.

(YU Yao，WANG Xian-quan，ZHU Gui-lin，et al.Study of temperature control system based on BP neural network self-tuning PID controller [J].Chinese Journal of Electron Devices，2015，38(6)：1360-1363.)

[10]李南生，楊新，李幸周.邊坡穩(wěn)定制約下土石壩截面優(yōu)化遺傳算法 [J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37(2)：200-206.

(LI Nan-sheng，YANG Xin，LI Xing-zhou.Sectional optimization genetic algorithm of earth-rockfill dam subjected to slope stability constraint [J].Journal of Shenyang University of Technology，2015，37(2)：200-206.)

(責(zé)任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Fuzzy PID temperature control system for DFB laser based on adaptive genetic algorithm

MA Xiao-yu
(School of Computer Science, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

Aiming at the problem that the traditional PID control algorithm is difficult to accurately control the temperature of DFB laser, a new DFB laser temperature control system based on fuzzy PID control and adaptive genetic algorithm was proposed and designed. The control system consisted of hardware and software. For the aspect of the hardware device, the micro controller unit (MCU) was used as the processor of control system, while the platinum resistance and thermo electric cooler (TEC) were taken as the sensor and actuator of control system, respectively. For the aspect of control algorithm, the adaptive genetic algorithm was used to optimize the fuzzy PID self tuning rule. The results show that the proposed system can achieve the effective control of DFB laser in the temperature range from 5 ℃ to 65 ℃. The control error and overshoot are lower than 0.002 3 ℃ and 10%, respectively. Hence, the proposed system has a wide application foreground.

DFB laser; fuzzy PID control; adaptive genetic algorithm; temperature control; self tuning; optimization; nonlinearity; latency

2016-11-29.

河南省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目(豫科鑒委字[2013]第1340號(hào)).

馬小雨(1978-)，男，河南鄭州人，講師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與安全等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.04.18

TN 248.4

A

1000-1646(2017)04-0454-05

*本文已于2017-06-21 21∶21在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20170621.2121.028.html