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。實驗結果表明，在20℃時，CCD電路的暗電流變化相對平穩(wěn)，同時，采用改進的模糊PID算法可以較快、較準確地達到20℃的目標控制溫度，誤差范圍在0.1℃左右。
關鍵詞： CCD；暗電流；模糊PID算法；溫度控制系統(tǒng)
CCD（Charge Coupled Device）具有光譜響應寬、動態(tài)范圍大、靈敏度高、噪聲低、體積小、像素多等優(yōu)點[1-2]，是目前應用最為廣泛的信號處理元件。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，暗電流會降低成像范圍并且增加CCD噪聲。溫度的變化會對CCD暗電流產生影響，一般都隨溫度升高而大幅增加。此外溫度也會影響電路板上放大電路的增益，導致輸入信號被放大后，出現(xiàn)增益誤差[4]。所以對CCD的溫度控制具有重要的意義。
本文通過實驗驗證，CCD暗電流會隨溫度的下降呈指數(shù)下降，當溫度達到20℃以下時，暗電流的變化較為平緩。使用模糊PID的溫控理論實現(xiàn)對CCD最佳工作環(huán)境的溫度控制。
1 CCD暗電流[5-6]
暗電流：即使沒有光信號照射，CCD也會有一定的暗輸出，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三個參數(shù)的設定實現(xiàn)控制。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。結構如圖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用于溫度控制領域，模糊控制系統(tǒng)是指具有學習算法的模糊邏輯系統(tǒng)，以模糊數(shù)學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結構的數(shù)字控制系統(tǒng)[7]。
本文將模糊控制與PID控制器相結合，使系統(tǒng)在具備PID控制精準的優(yōu)點的同時，還具有靈活性和適應性強的優(yōu)點。模糊自整定的控制器框圖如圖3所示[8]。
3 實驗過程及結果分析
3.1 CCD暗電流分析
本實驗通過光譜儀控制軟件對光譜儀的CCD曝光時間進行控制，在控溫2℃、5℃、10℃、13℃、20℃、25℃、30℃、35℃下，分別將積分時間設在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下進行光譜儀暗背景信號的測量，測量時取平均次數(shù)為100。將控溫在每個溫度下的暗背景輸出信號取平均，得到單個通道的暗背景平均信號s，然后將平均信號s與曝光時間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系，從圖中可以看出暗電流隨溫度的下降呈指數(shù)下降，當溫度達到20℃以下時，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次方關系，數(shù)據(jù)處理中將暗電流與溫度進行4次多項式擬合，所得結果如圖5所示，可以看出擬合相關系數(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，溫控過程主要包括溫度采集、控制量的計算和輸出，串口通信等功能，并分成三個主要任務，其中第一優(yōu)先級為時鐘任務，用于調用內核延時函數(shù)，高精度地獲得系統(tǒng)控制周期的時鐘節(jié)拍。第二優(yōu)先級為數(shù)據(jù)采集和控制任務，首先采集溫度，以及實時顯示溫度，根據(jù)控制過程及控制算法計算電壓控制量，然后將其輸出，通過串口向上位機傳輸數(shù)據(jù)，最后掛起等待時鐘節(jié)拍任務發(fā)送過來的信號量。第三優(yōu)先級為監(jiān)視任務，通過工控機由串口發(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，設定目標溫度為20℃，進行模糊自適應PID溫度控制的實驗，效果如圖6所示。再將傳統(tǒng)的PID算法加入程序，經行同樣的實驗，效果如圖7所示。
對比兩條曲線，本實驗的算法控制溫度曲線可以在較短時間內達到目標溫度，加熱時在50 s左右時間內可以到達目標溫度而傳統(tǒng)PID算法需要約150 s的時間。在加熱過程中，本實驗算法對溫度控制更加精確，控溫曲線波動在20℃左右波動較小，而傳統(tǒng)算法相對溫度誤差較大。實驗證明，經過改進的模糊自適應PID算法在本套系統(tǒng)中的應用具有一定的優(yōu)勢。
實驗表明溫度是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。當溫度達到20℃時，暗電流的變化較為平緩，也驗證了本套溫控系統(tǒng)和模糊PID算法，對局部溫度的控制比較快速、準確，在相對單一的條件下，精度可以達到0.1℃。同時也可將此系統(tǒng)推廣到基于DOAS理論的大氣監(jiān)測中，主要應用于CCD光譜儀的跟蹤監(jiān)測，將溫度指標作為驗證測量指標的重要參數(shù)，并對光譜儀工作環(huán)境進行自動溫度調節(jié)。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，當溫度急劇加重或急劇降低時，溫控裝置內部會產生冷凝現(xiàn)象，凝結出水珠，過量的水珠會對CCD電路造成人為的損壞，該問題有待進一步的研究和解決。
參考文獻
[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)的設計[J].光學精密工程，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，2005（9）：25-30．
[4] 鄒思成.溫度等因素對CCD數(shù)據(jù)采集電路性能影響的研究[J].天文研究與技術.2006，9（3）：275-279.
[5] 王彥.一種提高CCD探測靈敏度的方法[J].光學工程.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PID控制的研究[J].儀表技術與傳感器，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PID控制器仿真研究[J].計算機仿真，2010，27（10）：160-163.
[11] AGNES M. VOCs（Estimation of Volatile Compounds） emissions for hungary[J]. Atmos Environ. 1990（24A），2855.