摘 要： 采用一種基于模糊PID算法的溫控理論，使CCD電路工作在穩(wěn)定的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在20℃時(shí)，CCD電路的暗電流變化相對(duì)平穩(wěn)，同時(shí)，采用改進(jìn)的模糊PID算法可以較快、較準(zhǔn)確地達(dá)到20℃的目標(biāo)控制溫度，誤差范圍在0.1℃左右。
關(guān)鍵詞： CCD；暗電流；模糊PID算法；溫度控制系統(tǒng)
CCD（Charge Coupled Device）具有光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高、噪聲低、體積小、像素多等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，是目前應(yīng)用最為廣泛的信號(hào)處理元件。基于CCD芯片的光譜儀在不需要任何部件的情況下，可直接獲得完整的光譜圖，使得光譜儀器更為簡單。特別是在出現(xiàn)了背照式CCD后[3]，其光譜范圍可以延伸到深紫外區(qū)，成為全譜式光譜儀的檢測器件。
暗電流是CCD的重要性能指標(biāo)之一，也是主要噪聲源，尤其是在光譜成像的數(shù)據(jù)分析中，暗電流會(huì)降低成像范圍并且增加CCD噪聲。溫度的變化會(huì)對(duì)CCD暗電流產(chǎn)生影響，一般都隨溫度升高而大幅增加。此外溫度也會(huì)影響電路板上放大電路的增益，導(dǎo)致輸入信號(hào)被放大后，出現(xiàn)增益誤差[4]。所以對(duì)CCD的溫度控制具有重要的意義。
本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，CCD暗電流會(huì)隨溫度的下降呈指數(shù)下降，當(dāng)溫度達(dá)到20℃以下時(shí)，暗電流的變化較為平緩。使用模糊PID的溫控理論實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD最佳工作環(huán)境的溫度控制。
1 CCD暗電流[5-6]
暗電流：即使沒有光信號(hào)照射，CCD也會(huì)有一定的暗輸出，此輸出稱為暗電流。其中暗電流主要由以下幾個(gè)成分組成：
2.2 模糊PID算法[7]
2.2.1 PID控制
PID控制器由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過kp，kI和kD三個(gè)參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)控制。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖2所示，PID控制器的輸出u（t）取決于系統(tǒng)給定值r（t）和系統(tǒng)輸出值y（t）的偏差e（t）、偏差積分、偏差的積分線性加權(quán)組合，即：
2.2.2 模糊PID控制算法
在1974年Mamdani教授將模糊集理論應(yīng)用于溫度控制領(lǐng)域，模糊控制系統(tǒng)是指具有學(xué)習(xí)算法的模糊邏輯系統(tǒng)，以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)[7]。
本文將模糊控制與PID控制器相結(jié)合，使系統(tǒng)在具備PID控制精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。模糊自整定的控制器框圖如圖3所示[8]。
3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析
3.1 CCD暗電流分析
本實(shí)驗(yàn)通過光譜儀控制軟件對(duì)光譜儀的CCD曝光時(shí)間進(jìn)行控制，在控溫2℃、5℃、10℃、13℃、20℃、25℃、30℃、35℃下，分別將積分時(shí)間設(shè)在20 ms、30 ms、40 ms、50 ms、60 ms、70 ms、80 ms、90 ms、100 ms、150 ms、200 ms、300 ms和500 ms下進(jìn)行光譜儀暗背景信號(hào)的測量，測量時(shí)取平均次數(shù)為100。將控溫在每個(gè)溫度下的暗背景輸出信號(hào)取平均，得到單個(gè)通道的暗背景平均信號(hào)s，然后將平均信號(hào)s與曝光時(shí)間t作線性擬合所得的直線，其中直線的斜率作為此溫度下CCD暗電流的值[11]。
圖4為暗電流隨溫度的變化關(guān)系，從圖中可以看出暗電流隨溫度的下降呈指數(shù)下降，當(dāng)溫度達(dá)到20℃以下時(shí)，暗電流的變化較為平緩。
按照黑體輻射的斯特潘-玻爾茲曼定律，物體輻射出來的能量與物體的溫度呈4次方關(guān)系，數(shù)據(jù)處理中將暗電流與溫度進(jìn)行4次多項(xiàng)式擬合，所得結(jié)果如圖5所示，可以看出擬合相關(guān)系數(shù)很高，如表1所示。
可見擬合曲線符合斯特潘-玻爾茲曼定律，表明熱噪聲是暗電流的主要來源，故將控溫裝置的溫度設(shè)定在20℃。
3.2 溫控系統(tǒng)性能測試
根據(jù)本溫控系統(tǒng)的特點(diǎn)，溫控過程主要包括溫度采集、控制量的計(jì)算和輸出，串口通信等功能，并分成三個(gè)主要任務(wù)，其中第一優(yōu)先級(jí)為時(shí)鐘任務(wù)，用于調(diào)用內(nèi)核延時(shí)函數(shù)，高精度地獲得系統(tǒng)控制周期的時(shí)鐘節(jié)拍。第二優(yōu)先級(jí)為數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)，首先采集溫度，以及實(shí)時(shí)顯示溫度，根據(jù)控制過程及控制算法計(jì)算電壓控制量，然后將其輸出，通過串口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，最后掛起等待時(shí)鐘節(jié)拍任務(wù)發(fā)送過來的信號(hào)量。第三優(yōu)先級(jí)為監(jiān)視任務(wù)，通過工控機(jī)由串口發(fā)出的控制切換命令，通過控制切換可以改變控制參數(shù)。
將初值代入，設(shè)定目標(biāo)溫度為20℃，進(jìn)行模糊自適應(yīng)PID溫度控制的實(shí)驗(yàn)，效果如圖6所示。再將傳統(tǒng)的PID算法加入程序，經(jīng)行同樣的實(shí)驗(yàn)，效果如圖7所示。
對(duì)比兩條曲線，本實(shí)驗(yàn)的算法控制溫度曲線可以在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度，加熱時(shí)在50 s左右時(shí)間內(nèi)可以到達(dá)目標(biāo)溫度而傳統(tǒng)PID算法需要約150 s的時(shí)間。在加熱過程中，本實(shí)驗(yàn)算法對(duì)溫度控制更加精確，控溫曲線波動(dòng)在20℃左右波動(dòng)較小，而傳統(tǒng)算法相對(duì)溫度誤差較大。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過改進(jìn)的模糊自適應(yīng)PID算法在本套系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢。
實(shí)驗(yàn)表明溫度是CCD暗電流變化的主要因素，暗電流隨周圍溫度的下降呈指數(shù)下降。當(dāng)溫度達(dá)到20℃時(shí)，暗電流的變化較為平緩，也驗(yàn)證了本套溫控系統(tǒng)和模糊PID算法，對(duì)局部溫度的控制比較快速、準(zhǔn)確，在相對(duì)單一的條件下，精度可以達(dá)到0.1℃。同時(shí)也可將此系統(tǒng)推廣到基于DOAS理論的大氣監(jiān)測中，主要應(yīng)用于CCD光譜儀的跟蹤監(jiān)測，將溫度指標(biāo)作為驗(yàn)證測量指標(biāo)的重要參數(shù)，并對(duì)光譜儀工作環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度急劇加重或急劇降低時(shí)，溫控裝置內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，凝結(jié)出水珠，過量的水珠會(huì)對(duì)CCD電路造成人為的損壞，該問題有待進(jìn)一步的研究和解決。
參考文獻(xiàn)
[1] 宋敏，鄶新凱，鄭亞茹．CCD與CMOS圖像傳感器探測性能比較[J]．半導(dǎo)體光電，2005，26（1）：5－9．
[2] 馬慶軍.紫外臨邊成像光譜儀CCD電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2011，19（7）：1158-1160.
[3] 戴麗英，劉德林．背照式電荷耦合器件的研制[J].光電子技術(shù)，2005（9）：25-30．
[4] 鄒思成.溫度等因素對(duì)CCD數(shù)據(jù)采集電路性能影響的研究[J].天文研究與技術(shù).2006，9（3）：275-279.
[5] 王彥.一種提高CCD探測靈敏度的方法[J].光學(xué)工程.2000，27（6）：5-8.
[6] 雷仁方.MPP CCD暗電流溫度特性研究[J].電子科技，2012，25（2）：23-25.
[7] ZADEH L A. Fuzzy set[M]. Information and Control， 1965.
[8] 黃向東.基于模糊自整定PID的注水流量控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（6）：23-26.
[9] 文定都.電加熱爐溫控系統(tǒng)的模糊免疫自適應(yīng)PID控制的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（7）：22-26.
[10] 馬占有，田俊忠，馬澤玲.溫度控制系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制器仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2010，27（10）：160-163.
[11] AGNES M. VOCs（Estimation of Volatile Compounds） emissions for hungary[J]. Atmos Environ. 1990（24A），2855.