摘 要： 采用一種基于模糊PID算法的溫控理論，使CCD電路工作在穩定的環境。實驗結果表明，在20℃時，CCD電路的暗電流變化相對平穩，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
CCD（Charge Coupled Device）具有光譜響應寬、動態范圍大、靈敏度高、噪聲低、體積小、像素多等優點[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。特別是在出現了背照式CCD后[3]，其光譜范圍可以延伸到深紫外區，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據分析中，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的溫控理論實現對CCD最佳工作環境的溫度控制。
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三個參數的設定實現控制。PID控制器主要適用于基本線性和動態特性不隨時間變化的系統。結構如圖2所示，PID控制器的輸出u（t）取決于系統給定值r（t）和系統輸出值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，模糊控制系統是指具有學習算法的模糊邏輯系統，以模糊數學、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規則推理為理論基礎，采用計算機控制技術構成的一種具有反饋通道的閉環結構的數字控制系統[7]。
本文將模糊控制與PID控制器相結合，使系統在具備PID控制精準的優點的同時，還具有靈活性和適應性強的優點。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，數據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 溫控系統性能測試
根據本溫控系統的特點，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，其中第一優先級為時鐘任務，用于調用內核延時函數，高精度地獲得系統控制周期的時鐘節拍。第二優先級為數據采集和控制任務，首先采集溫度，以及實時顯示溫度，根據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據，最后掛起等待時鐘節拍任務發送過來的信號量。第三優先級為監視任務，通過工控機由串口發出的控制切換命令，通過控制切換可以改變控制參數。
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算法在本套系統中的應用具有一定的優勢。
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℃。同時也可將此系統推廣到基于DOAS理論的大氣監測中，主要應用于CCD光譜儀的跟蹤監測，將溫度指標作為驗證測量指標的重要參數，并對光譜儀工作環境進行自動溫度調節。在實驗過程中發現，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
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