基于模糊PID技術(shù)的CO2激光器恒溫控制研究

相恒富

XIANG Heng-fu

（中國(guó)石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，東營(yíng) 257061）

0 引 言

CO2激光直寫法制作微流控芯片設(shè)備如圖1所示[1]，由激光器和直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的二維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)組成。CO2激光直寫法省去了周期長(zhǎng)的制模過(guò)程，加工系統(tǒng)要求簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小，柔性化程度高，能夠加工復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，制作時(shí)間非常短，是一種低成本可大批量生產(chǎn)的技術(shù)，引起國(guó)內(nèi)外的關(guān)注。但也有一些亟待克服的缺點(diǎn)，由于激光器諧振腔機(jī)械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，工作氣壓、成分的變化，電源電壓、電流的波動(dòng)變化及溫度變化等因素，使得CO2激光器的輸出功率穩(wěn)定性不高，這影響了微流道輪廓質(zhì)量，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用激光功率20 w掃描速度0.25 m/s時(shí)加工出來(lái)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(wěn)定造成的，因此改善流道質(zhì)量，必須保證激光輸出功率的穩(wěn)定性。而穩(wěn)定激光器輸出功率，可以通過(guò)控制CO2激光器溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，CO2激光器有一個(gè)最佳工作溫度，因此需要有一個(gè)控溫裝置，能夠?qū)す馄鬟M(jìn)行制熱制冷。本文將采用模糊PID穩(wěn)定性，解決微流道深度幾何尺度不一致性?？刂萍夹g(shù)來(lái)控制激光器溫度，從而保證激光輸出功率的穩(wěn)定性。

1 基于模糊PID技術(shù)的CO2激光器恒溫控制系統(tǒng)

要控制CO2激光器的溫度，必須能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器的溫度，并能對(duì)激光器進(jìn)行制熱制冷，其工作原理為：當(dāng)激光器溫度過(guò)高，將進(jìn)行制冷，溫度過(guò)低，將進(jìn)行制熱，使激光器溫度穩(wěn)定在一個(gè)最佳工作溫度。

圖1 CO2激光直寫聚合物微流控芯片精密實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖2 CO2激光直寫PMMA制作的微流道輪廓圖

而半導(dǎo)體TEC熱敏電阻是利用帕爾貼(Peltier)效應(yīng)進(jìn)行制冷或加熱的半導(dǎo)體器件，同時(shí)具有制熱制冷的作用，且溫度檢測(cè)精度很高[2]。因此系統(tǒng)采用TEC熱敏電阻作為溫度探測(cè)器，監(jiān)測(cè)CO2激光器的溫度值，利用熱敏電阻溫度到電壓轉(zhuǎn)化的特性以電壓作為系統(tǒng)調(diào)節(jié)量，此轉(zhuǎn)化的電壓值經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)內(nèi)的算法程序?qū)?shí)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(jìn)行計(jì)算并產(chǎn)生控制量。控制量控制數(shù)字PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFFT電路，產(chǎn)生相應(yīng)的電流驅(qū)動(dòng)TEC，TEC對(duì)被控器件CO2激光器進(jìn)行加熱或致冷，同時(shí)CO2激光器的實(shí)際溫度又被熱敏電阻反饋到數(shù)據(jù)采樣電路中，反復(fù)上述過(guò)程，直到CO2激光器的實(shí)際溫度與設(shè)置的參考溫度相同為止，從而完成了整個(gè)溫度的控制過(guò)程。CO2激光器溫度模糊PID控制系統(tǒng)如圖3所示：

表1 Kp、Ki、Kd的模糊控制規(guī)則表

圖3 CO2激光器溫度模糊PID控制系統(tǒng)

模糊PID 自適應(yīng)控制算法是在PID 算法的基礎(chǔ)上將模糊控制理論應(yīng)用于PID 控制器的參數(shù)整定，使PID 控制器的參數(shù)調(diào)解適應(yīng)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的參數(shù)變化，使系統(tǒng)不僅具有良好的動(dòng)態(tài)特性，還具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質(zhì)。在CO2 激光的溫度控制系統(tǒng)中，模糊PID控制系統(tǒng)主要由參數(shù)可控式PID 系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成。參數(shù)可控式PID 控制器完成對(duì)系統(tǒng)的直接控制，而模糊控制器則根據(jù)e(溫度誤差) 及ec (溫度誤差的變化率) 實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 的3個(gè)控制參數(shù)Kp (比例)，Ki(積分)，Kd (微分) 的實(shí)時(shí)在線整定[3-4]。

設(shè)置e及ec在模糊集上的論域?yàn)閑,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(shù)采用靈敏度高的三角函數(shù)。根據(jù)參數(shù) Kp、Ki、Kd 對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響，制定Kp、Ki、Kd 的調(diào)整原則如下：當(dāng)|e|較大時(shí)，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，應(yīng)取較大Kp；同時(shí)，為避免由于開始時(shí)E的瞬時(shí)變大可能出現(xiàn)的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較小Ki；以使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能。為防止出現(xiàn)較大超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對(duì)積分加以限制，取Ki為零。當(dāng)|e|和|ec|處于中等大小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，Kp應(yīng)取小一些，Ki取值要適當(dāng)，Kd要大小適中，以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。 當(dāng)|e|較小，即接近設(shè)定值時(shí)，為使系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加Kp、Ki取值，均取較大值。同時(shí)，為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)抗干擾性能，Kd值的選擇為中等大?。划?dāng)|ec|較大時(shí)，Kd可取小一些，|ec| 較小時(shí)，Kd取大一些?？梢越p、Ki、Kd 的模糊推理規(guī)則, 其中Kp、Ki、Kd的模糊推理規(guī)則如表1 所示：

對(duì)經(jīng)過(guò)模糊控制規(guī)則表求得的Kp、Ki、Kd采用重心法進(jìn)行逆模糊化處理的公式如下：

式中，u (k)為k采樣周期時(shí)的輸出，e (k)為k采樣周期時(shí)的偏差，T為采樣周期，ec (k)為k采樣周期時(shí)的偏差變化率。

2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用飛思卡爾單片機(jī)MC9S08AW來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2激光器的控制，MC9S08AW具有高頻噪聲低，抗干擾能力強(qiáng)，更適合用于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境的特點(diǎn)。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(gè)最佳工作溫度為35 。由于CO2激光器溫度影響因素復(fù)雜，很難建立精確的激光器溫度數(shù)學(xué)模型，我們采用實(shí)驗(yàn)方法在線自整定Kp、Ki、Kd的參數(shù)。A/D、D/A、Fuzzy-PID算法均由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，溫度檢測(cè)系統(tǒng)采樣周期為10 s，半導(dǎo)體TEC選用浙江邁特電子有限公司的TEC1-12706。系統(tǒng)的軟件框圖如圖4所示，在激光器啟動(dòng)時(shí)，設(shè)定一個(gè)溫度初值35，然后每隔10秒TEC熱敏電阻采樣一個(gè)溫度值，若采樣溫度與設(shè)定值偏差大于0.05，就調(diào)用Fuzzy-PID控制程序產(chǎn)生控制量，改變控制電流對(duì)TEC進(jìn)行制熱或者制冷。

圖4 激光器模糊自適應(yīng)控制軟件框圖

單片機(jī)Fuzzy-PID控制程序如圖5所示：每當(dāng)?shù)讲蓸訒r(shí)刻，即 時(shí)，單片機(jī)對(duì)激光器溫度進(jìn)行一次采樣，完成A/D變換，計(jì)算e (k)、ec (k)，進(jìn)而根據(jù)公式（1）計(jì)算u (k)，以脈寬調(diào)制(PWM) 的方式輸出控制信號(hào)，然后等待下一采樣時(shí)刻到來(lái)進(jìn)行另一次采樣控制循環(huán)。整個(gè)程序主體部分采用匯編語(yǔ)言編寫，在控制算法部分調(diào)用C語(yǔ)言編寫函數(shù)。

試驗(yàn)中選擇選擇采樣周期Ts=10s，采樣310個(gè)點(diǎn)，設(shè)定激光器初始溫度為35℃，試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定性，對(duì)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(jī)Fuzzy-PID程序流程圖

圖6 CO2激光管芯溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)CO2激光器溫度不恒定導(dǎo)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(wèn)題，提出了采用模糊PID控制技術(shù)對(duì)激光器溫度進(jìn)行控制，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）采用TEC熱敏傳感器對(duì)CO2激光器溫度進(jìn)行控制，可使激光器溫度偏差穩(wěn)定在0.05 內(nèi)。

2）采用模糊PID控制技術(shù)，使得溫度控制穩(wěn)定性很高。

3）為保證激光直寫設(shè)備的精度，應(yīng)將激光功率控制和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位精度集成在一起，這是進(jìn)一步研究的方向。

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