紅外成像系統(tǒng)校正用輻射源的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1采用性能好的多小射源檢測(cè)技術(shù)紅外技術(shù)廣泛應(yīng)用于紅外成像、紅外檢測(cè)及相關(guān)領(lǐng)域，對(duì)技術(shù)和設(shè)備的精度和分辨率提出了很高的要求。傳統(tǒng)的黑體輻射源,由于受工藝、控制設(shè)備、分析方法的限定,往往是具有簡(jiǎn)單形狀、較小開口的黑體輻射源,不能滿足高溫情況下紅外成像的要求。根據(jù)紅外成像系統(tǒng)的最小溫差分辨力MRTD(MinimumResolvableTemperatureDifference)靈敏度要求,輻射源應(yīng)具備良好的均勻性、穩(wěn)定性和大輻射出度。許多發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)和俄羅斯紛紛開展多大口徑面源黑體輻射源的研究。航天領(lǐng)域需要一種新型的大口徑面源黑體,用于軍事紅外成像系統(tǒng)校正的高精確度、高穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)輻射源,校準(zhǔn)常溫紅外測(cè)溫及軍事紅外熱成像儀,溫度范圍5～95℃,遠(yuǎn)紅外8～12μm波段。對(duì)于這樣一個(gè)具有非線性、大滯后、大慣性、時(shí)變性等特點(diǎn)的控制對(duì)象,由于工作在近室溫,很難用數(shù)學(xué)方法建立精確數(shù)學(xué)模型,用傳統(tǒng)的控制理論和方法很難達(dá)到較好控制效果。近年來(lái),已有采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID相互結(jié)合控制方法的研究。PID控制具有響應(yīng)快,精確度高等特點(diǎn),但也存在自適應(yīng)性、魯棒性差,易產(chǎn)生超調(diào)振蕩的缺點(diǎn)。為了滿足此輻射源溫度響應(yīng)快和在線校正的要求,本文在此輻射源的溫控系統(tǒng)中采用Fuzzy-PID開關(guān)切換型控制方法,既保持模糊控制的靈活性,又具有PID控制精確度高的特點(diǎn)。采用熱管加熱技術(shù)和PIC16F876微處理器作為溫控系統(tǒng)處理芯片,其內(nèi)部ADC和PWM輸出均為10位,分辨率為1/1024能滿足精確度要求。但PIC單片機(jī)豐富的功能,內(nèi)部功能指令開關(guān)繁多,利用CCSPICC編譯器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì),給系統(tǒng)開發(fā)帶來(lái)了便利。2溫度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)鑒于工質(zhì)、管芯、管殼是熱管設(shè)計(jì)的三要素,本熱管系統(tǒng)的工質(zhì)可選擇氨或丙酮,但由于輻射源的材料為薄壁管材,基于安全性的因素,根據(jù)工質(zhì)性能,選擇了庚烷。熱管管芯為一層200目(0.045～0.050mm)的不銹鋼絲網(wǎng)作管芯,此管芯和庚烷是相容的,并且毛細(xì)力大。管芯的主要作用是產(chǎn)生毛細(xì)壓差,把工質(zhì)從冷凝段輸送到蒸發(fā)段,此外還必須能把液體分布到蒸發(fā)段上可能吸熱的任何范圍內(nèi)。管殼選擇了1Cr18Ni9Ti不銹鋼,其作用是把工質(zhì)與外界隔開。熱管的工作原理是在外膽的腔體下部粘貼有加熱薄膜,上部為散熱冷凝段,工質(zhì)在加熱段變?yōu)檎羝麘B(tài),在冷凝段變?yōu)橐簯B(tài),通過(guò)管芯靠重力或管芯的毛吸力回流到加熱段,再次被加熱成為蒸汽態(tài),這樣反復(fù)循環(huán)使工質(zhì)運(yùn)動(dòng),達(dá)到傳熱的目的見(jiàn)圖1。溫度測(cè)控系統(tǒng)框圖(見(jiàn)圖2)包括顯示、鍵盤、通信電路,對(duì)熱管黑體進(jìn)行溫度測(cè)量傳感器放大接口電路。Pt100鉑電阻通過(guò)測(cè)溫管,嵌入至輻射源底部,將測(cè)得的溫度信號(hào)按三線制傳至溫度控制器。PIC16F876的PWM輸出,通過(guò)轉(zhuǎn)換電路,轉(zhuǎn)換成4～20mA輸出,此電流輸出通過(guò)驅(qū)動(dòng)板(選用北京西曼頓自動(dòng)化研究所生產(chǎn)的PAC15P單相晶閘管移相觸發(fā)板)功率放大,驅(qū)動(dòng)雙向可控硅,控制負(fù)載電熱膜的加熱功率,使電熱膜加熱,或啟動(dòng)制冷風(fēng)扇,將溫度控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。溫度控制器通過(guò)RS-232與PC機(jī)通訊,接受PC機(jī)發(fā)送的溫控指令,并將實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)。溫度測(cè)量電路見(jiàn)圖3。由于其電阻隨溫度變化引起的電壓變化很微弱(當(dāng)VCC為5V時(shí),小于0.2mV/℃),為減少、消除引線引起的誤差干擾,保證測(cè)量的精確度,必須采用三線制測(cè)量。選用AD620精密儀器放大器,外接增益電阻R24與增益G的關(guān)系式為R24=49.4kΩ/(G-1),滿量程時(shí),按100℃推算,輸出達(dá)到5V時(shí),增益G為250,所以R24應(yīng)為200Ω。放大器輸出信號(hào)RT0,送至AD轉(zhuǎn)換通道RA0實(shí)現(xiàn)測(cè)量。由PIC16F876微處理器13引腳上的PWM輸出,驅(qū)動(dòng)控制電路見(jiàn)圖4。通過(guò)運(yùn)放U1、U2構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào),再由U3構(gòu)成的V/I電路轉(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出。此轉(zhuǎn)換電路,由于運(yùn)放輸入阻抗很高,反饋采樣電阻R15采到的電流信號(hào)以電壓的形式加到運(yùn)放輸入端,且極性與輸入相反,因此輸出電流具有恒流作用,有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。設(shè)計(jì)中,應(yīng)保證R16=R19,R7=R11,且R7?R16。運(yùn)放輸入電壓V與轉(zhuǎn)換電流I的關(guān)系為V/R7≈R15I/R16。3模糊控制器設(shè)計(jì)在溫控系統(tǒng)中往往具有大滯后、時(shí)變、非線性的特點(diǎn)。其中有的參數(shù)未知或緩慢變化;有的存在滯后和隨機(jī)干擾;有的無(wú)法獲得精確的數(shù)學(xué)模型。模糊控制優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而根據(jù)控制決策表,決定控制量的大小。將模糊控制與PID控制結(jié)合起來(lái),揚(yáng)長(zhǎng)避短,即具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精確度高的特點(diǎn)。這種Fuzzy-PID復(fù)合開關(guān)切換型控制器特別適于熱管黑體空腔的溫控。其基本思想是在大的誤差范圍內(nèi)采用模糊控制,在小的誤差范圍內(nèi)換成PID控制。PID控制采用增量式算法,由程序控制采用周期T,當(dāng)確定比例系數(shù)KP、積分時(shí)間常數(shù)TI、微分時(shí)間常數(shù)TD,只要使用前后3次測(cè)量值得到偏差,即可求出控制增量Δu(k)。本文溫度模糊控制器結(jié)構(gòu)采用二維模糊控制器,即以實(shí)際溫度對(duì)設(shè)定溫度的誤差E及誤差的變化EC作為模糊控制系統(tǒng)的輸入模糊變量,U為模糊控制系統(tǒng)輸出模糊變量。對(duì)E、EC和U進(jìn)行狀態(tài)描述的模糊集合定義為{負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大}或{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB},它們的論域均設(shè)為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。設(shè)E、EC和U的各自隸屬函數(shù)均為高斯型隸屬函數(shù),參數(shù)σ=0.8493。模糊控制規(guī)則采用21條模糊條件語(yǔ)句作為控制模糊判斷基礎(chǔ),如其中第一條:if(E=NBorNM)and(EC=NBorNM)thenU=PB。對(duì)所建立的模糊變量,模糊控制規(guī)則,經(jīng)過(guò)模糊推理決策出輸出控制變量。由于模糊規(guī)則是“AiandBi?Ci(i為第i條模糊條件語(yǔ)句)”形式,因此,推理結(jié)果C′i為μC′i(z)=μAi(x0)∧μBi(y0)∧μCi(z)(1)式中∧表示min,x0、y0為輸入變量在其論域內(nèi)的取值。最終的結(jié)論C′是綜合推理結(jié)果:μC′(z)=μC′1(z)∨μC′2(z)∨…∨μC′n(z)(2)其中∨表示max。把輸出的推理結(jié)果經(jīng)過(guò)去模糊化(defuzzification)轉(zhuǎn)換為精確量輸出,采用MIN-MAX重心法,即Mamdani法,模糊集合C′的重心可計(jì)算為z0=n∑i=1μC′(zi)zi/(n∑i=1μC′(zi))(3)z0=∑i=1nμC′(zi)zi/(∑i=1nμC′(zi))(3)對(duì)應(yīng)每個(gè)輸入變量E、EC的取值,按上述過(guò)程,得到對(duì)應(yīng)所有的輸入E、EC論域上的取值,計(jì)算出相應(yīng)的輸出U的精確值,得到對(duì)應(yīng)輸入E、EC和輸出U經(jīng)過(guò)去模糊化的精確值表。將此表作為常量表存入程序中。程序在運(yùn)行中通過(guò)對(duì)溫度測(cè)量值的判斷,得到E、EC的模糊化值,根據(jù)此表,可立即獲得控制輸出值U,實(shí)現(xiàn)快速系統(tǒng)響應(yīng)。由于需計(jì)算13×13個(gè)數(shù)據(jù),而每個(gè)數(shù)據(jù),都需經(jīng)過(guò)上述模糊推理計(jì)算得出,計(jì)算量大,借助Matlab軟件中的模糊邏輯工具箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。11插入fis模擬器此溫度模糊控制系統(tǒng)為二維系統(tǒng),在Edit菜單中選FISProperties項(xiàng),將此設(shè)為二輸入,并命名為E、EC,輸出設(shè)為U。2基于gaussmf的新能源當(dāng)選中輸入E,確定其論域范圍[-6,6],并對(duì)其中的模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}的隸屬函數(shù)曲線進(jìn)行編輯,如設(shè)NS為高斯型曲線,選gaussmf參數(shù)為[0.8493,-2],見(jiàn)圖5。對(duì)EC和U過(guò)程相同。3模糊控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)則編輯,把此二輸入判斷關(guān)系設(shè)成and,將所有模糊規(guī)則語(yǔ)句輸入。至此基本完成模糊控制器設(shè)計(jì),通過(guò)ruleviewer(規(guī)則觀察器)觀察,可形象地觀察到對(duì)應(yīng)各輸入變量的某一取值,確定輸出變量值的推理、計(jì)算過(guò)程;通過(guò)surfaceviewer可得到U隨輸入E、EC變化的輸出曲面圖。4搜索表附加費(fèi)用將其存盤,保存成文件,文件名為TempCtl。通過(guò)以下語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)計(jì)算:4pic6f重視模糊控制,下標(biāo)系統(tǒng)難以操作傳統(tǒng)PID控制的經(jīng)驗(yàn)公式是基于一階或二階傳遞函數(shù)模型提出的。在實(shí)際過(guò)程控制系統(tǒng)中,如果不能物理地建立起系統(tǒng)的模型,可以由試驗(yàn)提取相應(yīng)的模型參數(shù)。利用Matlab模糊工具箱仿真,采用單位階躍信號(hào)作為輸入的模糊控制系統(tǒng)如圖6所示。在Matlab下PID控制(Kp=0.8,KI=0.18,KD=0.95)、模糊控制的階躍響應(yīng)仿真和實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖7。PIC16F876微處理器具有豐富的功能,但內(nèi)部功能指令開關(guān)繁多,給控制程序開發(fā)帶來(lái)一定的困難。采用PIC處理器的C編譯器進(jìn)行系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì),控制程序流程見(jiàn)圖8?？刂戚敵龀Ａ勘鞺,二維數(shù)組容量對(duì)應(yīng)E、EC論域,PWM輸出寄存器設(shè)定值范圍為0～1023,因此,需對(duì)去模糊化查詢表中的數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。整個(gè)程序模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)單。對(duì)各功能口設(shè)置后,可很靈活地進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。當(dāng)測(cè)量值與設(shè)定值之差大于誤差限Elimit(可通過(guò)調(diào)試確定),系統(tǒng)按模糊控制進(jìn)行,反之,按PID控制。模糊控制時(shí),E、EC其變量模糊化后,作為輸出去模糊化數(shù)組U的下標(biāo)變量。注意,E、EC的論域[-6,6],需轉(zhuǎn)換為。如E=-4,EC=3時(shí),對(duì)應(yīng)U,PWM輸出執(zhí)行set-pwm1-duty(U)即可。5模糊控制器在ccs下的實(shí)驗(yàn)研究1)將模糊控制與PID控制相結(jié)合,用于工作在近室溫的熱管黑體空腔的溫控,解決了系統(tǒng)溫控受大的慣性、和干擾影響,既具有模糊控制的魯棒性,又兼有PID控制高精確度的特點(diǎn)。實(shí)測(cè)響應(yīng)表明模糊控制與PID控制結(jié)合算法,系統(tǒng)響應(yīng)快、穩(wěn)定;2)模糊控制中,各模糊變量E、EC和U的隸屬函數(shù)均采用高斯型隸屬函數(shù),控制輸出U隨輸入E、EC的變化平滑,沖擊小;3)利用Matlab提供的模糊控制工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器,簡(jiǎn)