本發(fā)明涉及恒溫系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種對(duì)光模塊進(jìn)行恒溫控制的恒溫控制系統(tǒng)及恒溫控制方法。

背景技術(shù)：

由于這些年國家對(duì)光通信的大力扶持，特別是國家對(duì)于“光進(jìn)銅退”政策的大力推廣，光網(wǎng)絡(luò)越來越普及，同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)也越來越大。這就要求我們?cè)诋a(chǎn)品在盡可能的在達(dá)到高性能、高品質(zhì)的同時(shí)又最大限度的降低成本。

由于激光器件對(duì)于溫度的變化及其敏感，對(duì)于溫度的穩(wěn)定性要求也就非常的嚴(yán)苛。原來對(duì)于溫度的控制是純硬件的方式，這樣的方案成本較高，同時(shí)在靈活性方面也有缺陷。采用軟、硬件結(jié)合的方式，結(jié)合PID算法，即可保證溫度控制的穩(wěn)定性，又不失靈活性。不足的地方在于，PID算法的參數(shù)調(diào)節(jié)比較麻煩。在此，利用我們經(jīng)過優(yōu)化后的PID算法，即可很好的解決PID參數(shù)調(diào)節(jié)的難度問題。

現(xiàn)在高端的BOSA，內(nèi)部大多集成了TEC(半導(dǎo)體制冷器ThermoelectricCooler)，用于精準(zhǔn)控制BOSA的溫度穩(wěn)定性。對(duì)于對(duì)流經(jīng)TEC的電流的大小、方向的控制，目前一般有兩種方式：一種是利用專用芯片純硬件控制；一種是利用現(xiàn)在成熟的PID算法控制。前者成本較高，且硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜；后者在穩(wěn)定時(shí)間上有所不足，且PID參數(shù)調(diào)節(jié)異常復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)目前光模塊恒溫控制過程中所遇到的不足，提供一種恒溫控制系統(tǒng)及恒溫度控制方法。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)其目的所采用的技術(shù)方案是：一種恒溫控制系統(tǒng)，包括對(duì)恒溫對(duì)象進(jìn)行降溫和升溫的半導(dǎo)體制冷器，對(duì)半導(dǎo)體制冷器提供合適大小和方向的輸入電流的電流源；還包括對(duì)電流源輸出電流大小和方向進(jìn)行控制的控制系統(tǒng)，所述的控制系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)檢測(cè)恒溫對(duì)象溫度的溫度傳感器，根據(jù)溫度傳感器輸出產(chǎn)生控制所述的電流源的控制信號(hào)的處理單元，所述的控制信號(hào)包括控制電流源輸出電流大小和方向的控制信號(hào)。

本發(fā)明通過實(shí)時(shí)測(cè)量恒溫對(duì)象的溫度，產(chǎn)生控制電流源輸出電流大小和方向形成一個(gè)閉環(huán)控制。

進(jìn)一步的，上述的恒溫控制系統(tǒng)中：所述的控制對(duì)象為光模塊。所述的電流源為型號(hào)是TPS63000的直流/直流轉(zhuǎn)換器芯片U1，所述的處理單元產(chǎn)生的控制信號(hào)TECSET從直流/直流轉(zhuǎn)換器芯片U1的FB引腳輸入，直流/直流轉(zhuǎn)換器芯片U1的FB引腳與輸出引腳之間串連電阻R1，直流/直流轉(zhuǎn)換器芯片U1的FB引腳通過電阻R2接地，直流/直流轉(zhuǎn)換器芯片U1的EN引腳通過電阻R4接地。

本發(fā)明還提供一種恒溫控制方法，所述的處理單元中產(chǎn)生控制信號(hào)TECSET包括以下步驟：

步驟A、在光模塊啟動(dòng)時(shí)，測(cè)量光模塊的溫度，確定與目標(biāo)溫度的差err(k)，k為自然數(shù)，k＝k₀，k₀是設(shè)定的一個(gè)起始數(shù)；

步驟B、計(jì)算u(k)＝K_perr(k)，并將計(jì)算結(jié)果u(k)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換形成TECSET，K_p為根據(jù)調(diào)試確定的合適的快速調(diào)節(jié)系數(shù)；

步驟C、下一時(shí)間，k＝k+1，測(cè)量光模塊的溫度，確定與目標(biāo)溫度的差err(k)，如果err(k)大于設(shè)定值，則轉(zhuǎn)向步驟B，否則，N為大于1的自然數(shù)；K_w＝k轉(zhuǎn)向步驟D；

步驟D、計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換形成TECSET，k_I和k_d分別為經(jīng)過調(diào)試確定的合適的穩(wěn)態(tài)平衡系數(shù)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)；

步驟E、下一時(shí)間，k＝k+1，測(cè)量光模塊的溫度，確定與目標(biāo)溫度的差err(k)，轉(zhuǎn)向步驟D。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作較為詳細(xì)的描述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1使用的PID算法的一般形式。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1光模塊恒溫控制電路。

圖3是常溫下不同的系數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間-溫度曲線。

圖4是同一組系數(shù)測(cè)試高溫、常溫、低溫三溫下的曲線(一)。

圖5是同一組系數(shù)測(cè)試高溫、常溫、低溫三溫下的曲線(二)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，本實(shí)施例是一種光模塊恒溫系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光模塊的快速達(dá)到設(shè)置的溫度，并且穩(wěn)定在該溫度附近，采用如圖2所示的TPS63000+MCU構(gòu)成的TEC溫控環(huán)路，并采用PID算法控制激光器溫度的穩(wěn)定，如圖2是典型的單端控制環(huán)路。本實(shí)施例中是對(duì)光模塊BOSA進(jìn)行恒溫控制，對(duì)于其它恒溫對(duì)象也可以采用這樣的方法和系統(tǒng)進(jìn)行控制，采用一個(gè)閉環(huán)控制方式，逐步逼近設(shè)定的溫度，本實(shí)施例采用的TPS63000+MCU構(gòu)成的TEC溫控環(huán)路是一種非常適合對(duì)芯片加熱的TEC進(jìn)行恒溫控制的。

PID算法的一般形式如圖1所示，采用如下公式：

離散后，得到位置型PID算法表示方式如下：

u(k)＝K_p(err(k)+K_I∑err(j)+K_d(err(k)-err(k-1))) (2)

得到增量型PID算法表示如下：

Δu(k)＝K_p(err(k)-err(k-1))+K_i err(k)+k_d(err(k)-2err(k-1)+err(k-2)) (3)

在如圖2所示的系統(tǒng)中，作為處理單元的MCU在接收到溫度傳感器也就是熱敏電阻Rrh上的電壓變化而獲得溫度的差值err(k)。在此使用位置型PID算法，其中u(k)對(duì)應(yīng)的是TECSET值，err(k)對(duì)應(yīng)的是設(shè)定目標(biāo)值與當(dāng)前值的差值，K_p用于快速調(diào)節(jié)，K_i用于穩(wěn)態(tài)平衡，K_d用于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

調(diào)試確定合適的K_p值后，得到溫度變化曲線如下圖3所示的曲線，從圖可以看出，蹭的曲線基本可以達(dá)到要求，屬于PID的整定典型曲線。

但是為了達(dá)到光模塊的快速啟動(dòng)特性，該曲線的穩(wěn)定時(shí)間顯然偏長(zhǎng)了。最理想的狀態(tài)就是溫度到達(dá)目標(biāo)值后就能快速趨于穩(wěn)定，而不至于像上圖3一樣有太多的過沖，使得穩(wěn)定時(shí)間大大延長(zhǎng)。

由此，對(duì)現(xiàn)有PID算法做如下優(yōu)化：

在模塊啟動(dòng)時(shí)，如果能給定一個(gè)TECSET合適的初始值，不僅可以使得從模塊上電到啟用TEC這段時(shí)間內(nèi)對(duì)模塊溫度的穩(wěn)定起到正向作業(yè)，還能避免PID算法調(diào)節(jié)值從零開始而使得穩(wěn)定時(shí)間出現(xiàn)不必要的延長(zhǎng)。

模塊溫度快速趨于穩(wěn)定目標(biāo)值過沖中，避免出現(xiàn)震蕩可以有效縮短穩(wěn)定時(shí)間。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，我們可以在err(k)值較大時(shí)使用較大的比例系數(shù)，先不用微分、積分系數(shù)，這樣可以加快調(diào)節(jié)速度；當(dāng)接近穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，縮小比例系數(shù)(比如為原來的十分之一)，同時(shí)啟用微分、積分系數(shù)，使得溫度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

包括以下步驟：

步驟A、在光模塊啟動(dòng)時(shí)，測(cè)量光模塊的溫度，確定與目標(biāo)溫度的差err(k)，k為自然數(shù)，k＝k₀，k₀是設(shè)定的一個(gè)起始數(shù)；

步驟B、計(jì)算u(k)＝K_perr(k)，并將計(jì)算結(jié)果u(k)進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換形成TECSET，K_p為根據(jù)調(diào)試確定的合適的快速調(diào)節(jié)系數(shù)；

步驟C、下一時(shí)間，k＝k+1，測(cè)量光模塊的溫度，確定與目標(biāo)溫度的差err(k)，如果err(k)大于設(shè)定值，則轉(zhuǎn)向步驟B，否則，N為10；K_w＝k轉(zhuǎn)向步驟D；該步驟中N取10是一個(gè)比較合適的數(shù)據(jù)，也可以取其它自然數(shù)，根據(jù)需要可以取8、15等數(shù)字。

步驟D、計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換形成TECSET，k_I和k_d分別為經(jīng)過調(diào)試確定的合適的穩(wěn)態(tài)平衡系數(shù)K_I和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)K_d；

步驟E、下一時(shí)間，k＝k+1，測(cè)量光模塊的溫度，確定與目標(biāo)溫度的差err(k)，轉(zhuǎn)向步驟D。本實(shí)施例中，對(duì)溫度傳感器輸出采樣時(shí)間為50ms，上面計(jì)算也是50ms計(jì)算一次。

上面的快速調(diào)節(jié)系數(shù)K_p、穩(wěn)態(tài)平衡系數(shù)K_I和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定系數(shù)K_d一般是按照經(jīng)驗(yàn)給出，下面是調(diào)試過程。

1、依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)K_p值，監(jiān)控溫度輸出，使得其可以趨于一個(gè)接近目標(biāo)溫度的穩(wěn)定值，反之進(jìn)行逐步調(diào)整，就是以經(jīng)驗(yàn)值為中心，向大的方向或者向小的方向變化，直到趨于理想的穩(wěn)定值。K_p越大，越快接近目標(biāo)溫度，但是也越容易振蕩(即無法趨于一個(gè)穩(wěn)定的值)。

2、在確定了K_p的基礎(chǔ)上，給出一個(gè)K_I值，使得其可以在目標(biāo)溫度點(diǎn)趨于穩(wěn)定；同理可確定K_I值。

3、如圖3所示，在其他外部條件相同的情況下，多給定幾組K_p、K_I、K_d值，得到對(duì)應(yīng)的溫度曲線。根據(jù)溫度曲線，很容易判斷哪一組K_p、K_I、K_d值為對(duì)比之下的最佳值。

如圖3所示為同一個(gè)模塊在相同初始環(huán)境溫度下測(cè)得的溫度曲線。圖中三條曲線K_p、K_I、K_d分別是：

1)K_p＝0.0025，K_I＝0.00018，K_d＝0.08888

2)K_p＝0.03，K_I＝0.00015，K_d＝0.15

3)K_p＝0.0417，K_I＝0.00021，K_d＝0.15。

圖中橫坐標(biāo)表示時(shí)間，50ms取一個(gè)值，因此，每個(gè)小格是50ms，縱坐標(biāo)表示溫度，這里的刻度表示取樣時(shí)，傳感器的取樣數(shù)據(jù)。

按照上面的方法確定K_p、K_I、K_d值后，再哪不同的模塊作對(duì)比測(cè)試，最后測(cè)試三溫(高溫、常溫、低溫)下的曲線。

根據(jù)以上兩點(diǎn)的優(yōu)化后，調(diào)試出合適的PID值及比例系數(shù)的縮小倍數(shù)，得到常溫下的溫度變化過程如圖4所示。此時(shí)，選擇K_p＝12.5，K_I＝0.03825，K_d＝2.5。

從圖4可以看到，常溫下的變化過程相較于之前已有很大的改善，去除了震蕩過程，穩(wěn)定時(shí)間大幅度縮短；高溫和低溫的溫度變化也遵循先快后慢最后漸進(jìn)達(dá)到目標(biāo)值的過程，與設(shè)想的最優(yōu)控制目標(biāo)基本吻合。

不過細(xì)心的話依然可以看出，高溫、低溫兩條曲線與常溫時(shí)的曲線比交還是有小幅度的震蕩。在PID算法中，起穩(wěn)定作用的主要是積分、微分兩個(gè)系數(shù)，考慮的積分項(xiàng)的乘積部分為偏差累積值，偏差大的時(shí)候累積自然大，反之亦然。

所以，在常溫下確定的最佳積分系數(shù)，在高溫、低溫下就不再是最佳了。為此，我們對(duì)積分系數(shù)也可以使用可變系數(shù)的措施。方法如下：

當(dāng)初始溫度偏差較大時(shí)，必然導(dǎo)致偏差累積部分較大，此時(shí)可選取較小的積分系數(shù)；反正，如果初始溫度偏差較小，則可去較大的積分系數(shù)。

根據(jù)這一原則，我們?cè)谀K工作溫度的全溫范圍內(nèi)選取一些點(diǎn)確定他們對(duì)應(yīng)的積分系數(shù)，就可以得到一條初始溫度變化對(duì)應(yīng)于積分系數(shù)的曲線如圖5所示。此時(shí)，K_p＝45.5，K_I＝0.1755，K_d＝2.5。

由此我們可擬合出積分系數(shù)的變化公式。再據(jù)此優(yōu)化PID算法，得到三溫下的LD溫度變化如下(其中從下到上分別代表常溫、高溫、低溫)：

可以看到，三溫下的溫度的穩(wěn)定時(shí)間和穩(wěn)定效果有明顯的提高，低溫下的表現(xiàn)尤其明顯。

經(jīng)過以上三步對(duì)PID算法的優(yōu)化，光模塊TEC對(duì)溫度控制的穩(wěn)定效果已完全符合我們預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)。