基于改進PID控制光電探測系統(tǒng)能耗優(yōu)化方法研究

曲世敏

(吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

光電檢測系統(tǒng)的運行原理是，在輻射情況下，通過改變材料的電導(dǎo)率，實現(xiàn)檢測光電信號功能。光電檢測系統(tǒng)采用高阻多晶材料作為連續(xù)薄膜靶表面材料，用來降低光生載流子擴散對檢測結(jié)果造成的影響[1]。光電子檢測系統(tǒng)在運行過程中消耗大量能源，而其所處的應(yīng)用環(huán)境又不能提供足夠的能量，因此需要對光電子檢測系統(tǒng)進行能耗優(yōu)化。能耗是反映國家節(jié)能技術(shù)水平的重要指標之一。從國內(nèi)外相關(guān)研究文獻來看，目前發(fā)展較為成熟的節(jié)能優(yōu)化方法有：基于機器學(xué)習(xí)特征的節(jié)能優(yōu)化方法、基于大數(shù)據(jù)分析的節(jié)能優(yōu)化方法和基于云存儲內(nèi)容的節(jié)能優(yōu)化方法。由于傳統(tǒng)的能耗優(yōu)化方法控制效果不明顯，能耗較大，故引入改進的PID控制技術(shù)[2-4]。改進后的PID控制技術(shù)依賴于相應(yīng)的控制器設(shè)備實現(xiàn)，控制器中各個單元的作用分別為提高控制性能、提高系統(tǒng)的運行速度并降低誤差。改進后的PID控制技術(shù)性能明顯提升，將其應(yīng)用于光電探測系統(tǒng)能量消耗的優(yōu)化控制中，可以進一步提高能量消耗的控制效果，對光電探測系統(tǒng)有一定的研究意義。

1 光電探測系統(tǒng)能耗優(yōu)化

1.1 建立光電探測系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

光電探測系統(tǒng)利用光子效應(yīng)進行探測。由于價帶中電子的丟失，在運行過程中可能會出現(xiàn)光電空穴電子對。光電探測系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 光電探測系統(tǒng)工作原理

當(dāng)向P、N兩端施加反偏電壓時，光電探測系統(tǒng)中會產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，并且根據(jù)其中的電子空穴對分析電場[5]。由于探測目標區(qū)域厚度逐漸增加，有效吸收區(qū)域內(nèi)漂移電流和擴散電流的比值隨之升高。光檢測系統(tǒng)中存在的光子效應(yīng)波長可以通過式(1)進行計算：

(1)

式中，Eφ為光子的能量比發(fā)射體的功函數(shù)，由此可以計算出光電探測設(shè)備吸收光子能量后，光電入射光波的最終波長λc的最終取值結(jié)果。

1.2 安裝改進PID控制器

傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)控制器由于光電探測系統(tǒng)控制范圍較大，不能滿足其要求，融合模糊控制與傳統(tǒng)PID控制2種方式，設(shè)計安裝了改進后的PID控制器[6-8]。改進后的PID控制器框架如圖2所示。

圖2 改進PID控制器結(jié)構(gòu)

改進PID控制器的一般形式：

(2)

式中，e(t)為系統(tǒng)誤差；Kp、Ki與Kd分別為系統(tǒng)誤差、積分、微分信號的加權(quán)系數(shù)。

由此計算出系統(tǒng)控制信號，實現(xiàn)對被控對象的驅(qū)動[9]。在應(yīng)用過程中，改進PID控制器，將控制信號的傳遞函數(shù)為為：

(3)

式中，Ti和Td均為控制過程時間常數(shù)。在改進PID控制器設(shè)計合理的情況下，逐漸降低控制誤差，達到系統(tǒng)的控制要求。

1.3 計算光電探測系統(tǒng)能量消耗

根據(jù)光電探測系統(tǒng)的工作原理，可將其能耗劃分為直接相關(guān)能耗和間接相關(guān)能耗，具體包括檢測能耗、光電信號轉(zhuǎn)換能耗、溫度控制能耗等方面[10]。光探測儀消耗的主要是電能，通過計算電流，可以統(tǒng)計光探測儀的能量消耗。光電探測系統(tǒng)消耗表面漏電、復(fù)合、隧穿和歐姆4種類型的電流，由于檢測器表面物理特性而產(chǎn)生的缺陷，其表達式為：

(4)

式中，A和q分別為截面和電子產(chǎn)生量；S0為電流表面復(fù)合速度，其計算公式為：

S0=σnvthNst

(5)

式中，σn為電子表面俘獲截面；vth為載流子速率；Nst為表面區(qū)域內(nèi)單位面積的復(fù)合中心濃度。光電檢測系統(tǒng)所消耗電流的表達式為：

(6)

式中，τgr為載流子有效壽命；k為常數(shù)系數(shù)；V為反向偏壓的大??；E為光探測耗盡區(qū)域的電場；Reff為光電探測系統(tǒng)的有效電阻[11-13]。另外變量θ1、θ2可以用式(7)進行計算：

(7)

式中，mc為電子有效質(zhì)量；ξ為與隧穿勢壘形狀有關(guān)的參數(shù)[14]。

根據(jù)上述計算結(jié)果，可以得出光電探測系統(tǒng)的能量總消耗為：

(8)

式中，U為光電探測系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的額定電壓；Pele為消耗電力的功率；PTx為光信號發(fā)送消耗的功率；PRc為接收端環(huán)路消耗的功率；Ttotal為完成一次光電探測所需時間。

1.4 實現(xiàn)光電探測系統(tǒng)能耗控制與優(yōu)化

根據(jù)光電探測系統(tǒng)的能耗計算結(jié)果，采用按需改進PID控制器的方式，實現(xiàn)光電探測系統(tǒng)的能耗優(yōu)化控制?？刂破鞅仨毾冗M行整定，然后再進行控制。通過比較系統(tǒng)實際輸出特性和預(yù)期輸出特性之間的差異，求解能耗控制規(guī)則和修正量。所設(shè)計的參數(shù)自動調(diào)節(jié)改進PID控制器，通過測量光電檢測系統(tǒng)硬件溫度，并將檢測到的溫度結(jié)果與設(shè)定溫度值比較，獲得溫差和溫差變化率，在線調(diào)整量化因子，對控制規(guī)律進行修正[15]。通過增加系統(tǒng)輸出功率，在控制器的驅(qū)動控制下節(jié)約了能耗。為了提高光電探測系統(tǒng)的能源利用效率，需要調(diào)整系統(tǒng)的作用狀態(tài)，保證系統(tǒng)的實際運行效率在最佳效率附近浮動。具體的控制過程如圖3所示。

圖3 光電探測系統(tǒng)最大功率控制過程

圖3中的2條曲線分布反映了系統(tǒng)在2種不同環(huán)境下的輸出特性。其中，A點和B點分布為系統(tǒng)的最大功率點，同時假設(shè)系統(tǒng)在某一時刻保持在A點。外部環(huán)境變化時，曲線由曲線1變?yōu)榍€2，此時負載1保持不變，系統(tǒng)的運行狀態(tài)也會在A′點發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，系統(tǒng)的輸出特性與所要求的最大功率點存在偏差。當(dāng)系統(tǒng)的負荷特性也隨之作出相應(yīng)的調(diào)整，由負載1變?yōu)樨撦d2，就可以更好地跟蹤最大功率，從而使系統(tǒng)的最大功率變?yōu)樨摵葿[16-20]。同樣地，如果外部環(huán)境的變化使輸出特性從曲線2下降到曲線1，那么系統(tǒng)的運行狀態(tài)就會從B點變化到點B′，那么負載曲線就應(yīng)該相應(yīng)地進行調(diào)整，以保證最大功率持續(xù)運行。最后在改進后的PID控制器下，通過約束系統(tǒng)最大功率，實現(xiàn)了光電探測系統(tǒng)的能量消耗優(yōu)化。

2 性能測試實驗分析

以測試設(shè)計的基于改進PID控制光電探測系統(tǒng)能耗優(yōu)化方法的能耗控制效果為目的，設(shè)計性能測試實驗，實驗采用多次操作取平均值的方式，保證實驗結(jié)果的置信度。

2.1 配置實驗環(huán)境

以VC+6.0為開發(fā)工具，進行基于改進的PID控制的光電探測系統(tǒng)能耗優(yōu)化方法的開發(fā)，利用開發(fā)工具可以創(chuàng)建程序運行的源文件，方便對各個項目元素的統(tǒng)一管理，使用工作區(qū)窗口可以直接查看和訪問項目中的各個元素。除基礎(chǔ)試驗環(huán)外，為了確保光電探測系統(tǒng)和能耗統(tǒng)計軟件的穩(wěn)定運行，還需要在試驗環(huán)境中安裝無線通信網(wǎng)和主測試計算機設(shè)備，使之能得到量化的、可比較的試驗結(jié)果。

2.2 選擇光電探測系統(tǒng)研究樣本

按照探測原理可以將光電探測系統(tǒng)分為光子探測系統(tǒng)和熱探測系統(tǒng)2種類型，此次性能測試實驗中選擇光子探測系統(tǒng)作為研究樣本對象，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。在正常運行時，該系統(tǒng)中的振動晶格可以不斷地為電子提供能量，產(chǎn)生自由載流子，實現(xiàn)對光電探測系統(tǒng)的持續(xù)供能。

圖4 光電探測系統(tǒng)

2.3 改進PID控制器安裝與調(diào)試

光電探測系統(tǒng)能耗優(yōu)化設(shè)計方法采用改進的PID控制技術(shù)，需要將控制技術(shù)的運行環(huán)境配置到實驗環(huán)境中，即將設(shè)計好的改進PID控制器安裝在實驗環(huán)境中。利用MATLAB中的邏輯工具箱，對操作命令進行設(shè)計。以光電探測系統(tǒng)的輸出功率到達給定范圍的速度為依據(jù)，設(shè)置控制規(guī)則，如圖5所示。最后，準確定義與系統(tǒng)中每個變量關(guān)聯(lián)的隸屬函數(shù)的形狀，得出改進PID控制界面如圖6所示。

圖5 改進PID控制器的模糊規(guī)則

2.4 設(shè)置性能測試指標

性能測試實驗的主要目的是證明優(yōu)化方法應(yīng)用前后，光電探測系統(tǒng)的能量消耗情況，因此設(shè)置性能測試指標為實際能耗量，該指標以輸出功率的方式得出。光電探測系統(tǒng)能耗優(yōu)化的前提是不能影響系統(tǒng)功能的正常運行，因此還需要設(shè)置系統(tǒng)的響應(yīng)速度作為驗證系統(tǒng)運行正常的指標。光電探測器的響應(yīng)速度可以通過探測信號的浮動時間進行確定。

2.5 性能測試過程與結(jié)果分析

為了體現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化方法的能耗控制優(yōu)勢，實驗還設(shè)置了2種對比優(yōu)化方法，分別為基于機器學(xué)習(xí)特征的優(yōu)化方法和基于大數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化方法。3種能耗優(yōu)化方法以并行的方式運行，且2種對比方法無法調(diào)用實驗環(huán)境中安裝的改進PID控制器裝置。在實驗環(huán)境中設(shè)置多個光電檢測任務(wù)，并得出能耗統(tǒng)計結(jié)果見表1。

從表1中可以直觀地看出，在3種不同能耗優(yōu)化方法下，光電探測系統(tǒng)實際能耗的平均值分別為115.5、96.5和85.9 kW。經(jīng)過能耗優(yōu)化方法應(yīng)用后，光電探測系統(tǒng)響應(yīng)時間的統(tǒng)計結(jié)果見表2。通過對表2中數(shù)據(jù)的處理與統(tǒng)計，在3種能耗優(yōu)化方法控制下，光電探測系統(tǒng)的平均響應(yīng)時間分別為2.84、2.13和1.19 s。綜上所述，在光電探測系統(tǒng)中應(yīng)用改進PID控制技術(shù)進行能耗優(yōu)化，可以在保證系統(tǒng)運行功能的情況下，有效地降低系統(tǒng)的實際能源消耗。

表1 實際能耗統(tǒng)計對比結(jié)果

表2 光電探測系統(tǒng)響應(yīng)時間統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié)語

在保證光電探測系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，為了最大限度地降低系統(tǒng)能耗，在改進PID控制技術(shù)的應(yīng)用下，設(shè)計并開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)能耗優(yōu)化方法。從性能測試實驗結(jié)果中可以看出，通過優(yōu)化方法的應(yīng)用能夠有效地降低系統(tǒng)的實際能量消耗，且光電探測響應(yīng)時間未受到大幅度影響。然而實驗中未對系統(tǒng)的光電探測精度進行測試，因此無法斷定能耗優(yōu)化方法能夠完全維持系統(tǒng)的正常運行，在今后的研究工作中需要針對這一問題進一步分析。