专利名称：基于pid控制的自聚焦透镜离子交换温度控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种热处理温度控制装置，尤其是一种自聚焦透镜制造过程中玻璃丝离子交换温度的控制装置，具体地说是一种基于PID控制的自聚焦透镜离子交换温度 控制装置。
背景技术：
众所周知，自聚焦透镜是径向变折射率透镜，具有直径小(可以小于Imm)、焦距短 (焦点可位于端面上)、数值孔径大(可大于0. 6)、成像分辨率高(可大于3001p/mm)、出射 光斑小(可小于1微米)、消像差性能好、对入射光信息具有很好的准直、会聚、扩束能力，在 光纤通讯、传感、光信息处理等领域具有广泛的应用。但是在实际的生产过程中，批量生产 的工艺控制一直是一个比较困难的问题。虽然西南大学刘德森教授就自聚焦透镜的批量生 产申请了专利，但是在离子交换控制的方法和装置在实际使用中有一定的偏差，尤其控制 温度的精度要求高时，必须提高控制的算法和实验装置的自动化。目前主要采用中断实验， 进行采样测试的方法来控制自聚焦透镜的折射系数分布的方法。但是由于离子交换气氛本 身的环境问题，自聚焦透镜生产过程对设备自动化要求越来越高，导致生产成本居高不下。
发明内容本实用新型的目的是针对自聚焦透镜生产过程中温度控制难度大和自动化水平 不高的问题，设计一种基于PID控制的自聚焦透镜离子交换温度控制装置。通过合理设计 控制参数，提高离子交换设备温度控制的自动化和准确性，离子交换后产品的折射系数变 化满足理论设计，提高产品的合格率。本实用新型的技术方案是一种基于PID控制的自聚焦透镜离子交换温度控制装置，其特征是它主要由安装 在热处理炉中的热电偶1、调整放大电路2、数据采集卡3，7、安装有PID控制软件的计算机 4、光电隔离电路5和可控硅调功控温电路6组成，热电偶1的输出与调理放大电路2的输 入端相连，调理放大电路2的输出与数据采集卡3的数据输入端相连，数据采集卡3、7安装 在计算机4中，计算机4根据数据采集卡3采集到的数量在PID控制软件的控制下返回控 制信号给数据采集卡7发出控制指令，数据采集卡7通过光电隔离电路5驱动可控硅调功 控温电路6动作实现温度的升降。本实用新型的有益效果本实用新型有利于在批量制作自聚焦透镜的过程中控制中提高离子交换炉温度 的均勻性，以控制离子交换气氛，从而达到控制离子交换后玻璃丝相对梯度折射率的误差， 提高自聚焦透镜的产率的一致性。本实用新型装置简单，易于实现，通过融合了方法特点的软件能很方便地进行炉 温的控制。本实用新型的自聚焦透镜离子交换的温度实验控制曲线如图3。实验折射率分布如图4，图5。经过本实用新型控制的热处理炉处理后，自聚焦透镜的折射率分布得到了明显的改善，与理想折射率分布已非常接近。主要原因是Tl+和K+在退火过程中发生扩散，优化 了折射率，使折射率分布更接近理想分布。
图1是本实用新型的专家参数整定方法示意图。图2是本实用新型的温度控制硬件框图。图3是利用本实用新型的方法和装置制造的自聚焦透镜离子交换的温度实验控 制曲线。图4是本实用新型的控制装置制造的自聚焦透镜的折射率分布图之一。图5是本实用新型的控制装置制造的自聚焦透镜的折射率分布图之二。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。如图1-5所示。一种基于PID控制的自聚焦透镜离子交换温度控制装置，如图2所示，它主要由安 装在热处理炉中的热电偶1、调整放大电路2、数据采集卡3、7、安装有PID控制软件的计算 机4、光电隔离电路5和可控硅调功控温电路6组成，热电偶1的输出与调理放大电路2的 输入端相连，调理放大电路2的输出与数据采集卡3的数据输入端相连，数据采集卡3、7安 装在计算机4中，计算机4根据数据采集卡3采集到的数量在PID控制软件的控制下返回 控制信号给数据采集卡7发出控制指令，数据采集卡7通过光电隔离电路5驱动可控硅调 功控温电路6动作实现温度的升降。以下是PID控制软件编制的基础及自动温度控制方法，其关键点是用人工智能中 的模式识别和专家系统中的推理判断来整定PID控制参数；专家系统首先将人工整定的经 验和技巧归纳为一系列整定规则，再对实时采集的被控系统信息进行分析判断，然后自动 选择某个整定规则，并将被控对象的响应曲线与控制目标曲线比较，反复调整比较，直到满 足控制目标为止；同时在常规PID控制回路的基础上增加知识库和推理机，知识库提供整 定规则，推理机进行整定决策；在实际控制中采用自适应模糊PID控制器对炉温进行控制， 以误差e和误差变化ec作为自适应模糊PID控制器的输入，以满足不同时刻的e和ec及 对PD参数自整定的要求，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模 糊PID控制器，PID参数模糊自整定是找出PD三个参数e和ec之间的模糊关系，在运行中 通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和ec 时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。如图1所示。离子交换工艺是自聚焦透镜生产过程的关键工艺。通过离子交换，实现玻璃中被 交换的离子(如Tl+离子)从玻璃向熔盐中扩散，熔盐中的离子(如K+离子)从熔盐向玻 璃中扩散，并在玻璃中取代了被交换的离子(如Tl+离子)。离子交换的结果，在玻璃介质 中，玻璃中的离子(如Tl+离子)从原先的均勻分布变成玻璃中心浓度最高，然后沿半径按 平方规律变小的分布。由于玻璃的折射率与Tl+离子浓度分布成线性关系，因此，在玻璃丝 中出现折射率中心最高，然后按沿半径按平方规律变小的分布。由于离子交换过程与温度 分布、时间和熔盐中的Tl+离子浓度有关，因此控制这些参量对于批量生产自聚焦透镜工艺有重要的作用。在温度控制过程中，本实用新型提出一种基于PID控制的温度控制方法，并研制相关的温度控制装置应用于实际的生产过程中。PID控制方法是一种常用的控制方法，但是在我们现有的了解和使用过程中，精密 自适应控制方法在自聚焦透镜离子交换的过程中应用极少。根据我们实际生产的需要，我 们研制开发了一种基于PID控制的温度控制方法，并研制相关的温度控制装置。本实用新型的基本思路是用人工智能中的模式识别和专家系统中的推理判断等 方法来整定PD控制参数，已取得工业应用成果。所谓专家整定法就是模仿人工整定参数的 推理决策过程，自动整定PD控制参数。首先将人工整定的经验和技巧归纳为一系列整定规 贝1J，再对实时采集的被控系统信息进行分析判断，然后自动选择某个整定规则，并将被控对 象的响应曲线与控制目标曲线比较，反复调整比较，直到满足控制目标为止。专家整定法的 系统构成框图如图1所示，在常规PID控制回路的基础上增加了知识库和推理机，知识库提 供整定规则，推理机进行整定决策。在实际生产中，通过积累的大量的温度控制的数据，并 利用这些数据建立PID的控制的参数整定，提高控制的精度和产品的一致性。自适应模糊PID控制器以误差e和误差变化ec作为输入，可以满足不同时刻的温 度和实际温度与理想温度的误差e对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对 PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制器。PID参数模糊自整定是找出PID三个参数Kp，Ki, Kd和ec之间的模糊关系，在运行 中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同e和 ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。从系统的稳定性·响应速度·超调量和稳态精度等各方面来考虑，Kp, Ki, Kd的作 用如下1、比例系数Kp，的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Κρ，越大， 系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。Κρ，取 值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变 坏。2.积分作用系数Ki的作用是消除系统的稳态误差。权越大，系统的静态误差消除 越快.但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。 若Ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3.微分作用系数Kd的作用是改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中 抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Kd过大，会使响应过程提前制 动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。PID参数的整定必须考虑到在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的互联关 系。模糊自整定PID是在PID算法的基础上，通过计算当前系统误差。和误差变化率ec，利 用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。根据参数Kp，Ki，Kd对系统输出特性的影响情况，再结合调试过程中的经验，可归 纳出系统在被控过程中对于不同的偏差和偏差变化率，参数Kp，Ki, Kd的自整定原则。(1)当偏差|e|较大时，系统处于响应阶段，为了加快系统的响应速度，并防止因 开始时偏差|e|的瞬间变大可能引起的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较大的Kp。另外为防止积分饱和，Ki值要小，同时为了防止微分饱和，避免系统响应出现较大的 超调，应去掉微分作用，即Kd = O。(2)若e*ec > 0，说明误差在向绝对值增大的方向变化。当偏差|e|和偏差变化 率|ec|为中等大小时，系统处于跟随阶段，为了使系统响应的超调量减小，Kp，Ki，Kd都不 能太大，需要取较小的Kp值，Ki，Kd的值大小要适中，以保证系统的响应速度。若偏差|e 较大，则应实施较强的控制，以改变误差的变化趋势，并迅速减小误差绝对值，可取较大的 Kp值，同时可取较小的Ki和中等的Kd值，以提高动态性能和稳态性能。若偏差|e|较小， 可实施一般控制，以改变误差的变化趋势，可取中等的Kp值，同时取较大的Ki和较小的Kd 值，以提高系统的稳态性能，避免产生振荡。(3)若e*ec < 0，说明误差在向绝对值减小的方向变化。若误差|e|较大，则应实 施一般的控制，迅速减小误差绝对值，可取中等的Kp，同时可取较小的Ki和中等的Kd值， 以提高动态性能和稳态性能若偏差Iel较小，为了使系统具有良好的稳态性能，应增大Κρ， Ki值，同时为了避免系统在设定值附近振荡，并考虑系统的抗干扰性能，适当选取Kd值，通 常为中等大小。在实际系统实验中，通过设计PID的参数设计的模糊控制表，然后利用初步的实 验结果仿真计算。同时结合自聚焦透镜的离子交换的离散实验，尤其通过实验温度控制中 断检测后测定的自聚焦透镜棒的光学折射参数分布的测试结果，获得温度表与折射参数表 之间的专家控制数据库。显然模糊控制设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际 操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对Kp，Ki, Kd三个参数分别整定的模糊控制表。本实用新型未涉及部分如各电路模块、数据采集卡均与现有技术相同、直接市场 采购或采用现有技术加以实现。
权利要求一种基于PID控制的自聚焦透镜离子交换温度控制装置，其特征是它主要由安装在热处理炉中的热电偶(1)、调整放大电路(2)、数据采集卡(3，7)、安装有PID控制软件的计算机(4)、光电隔离电路(5)和可控硅调功控温电路(6)组成，热电偶(1)的输出与调理放大电路(2)的输入端相连，调理放大电路(2)的输出与数据采集卡(3)的数据输入端相连，数据采集卡(3，7)安装在计算机(4)中，计算机(4)根据数据采集卡(3)采集到的数量在PID控制软件的控制下返回控制信号给数据采集卡(7)发出控制指令，数据采集卡(7)通过光电隔离电路(5)驱动可控硅调功控温电路(6)动作实现温度的升降。
专利摘要一种基于PID控制的自聚焦透镜离子交换温度控制装置，其特征是它主要由安装在热处理炉中的热电偶(1)、调整放大电路(2)、数据采集卡(3，7)、安装有PID控制软件的计算机(4)、光电隔离电路(5)和可控硅调功控温电路(6)组成，热电偶(1)的输出与调理放大电路(2)的输入端相连，调理放大电路(2)的输出与数据采集卡(3)的数据输入端相连，数据采集卡(3，7)安装在计算机(4)中，计算机(4)根据数据采集卡(3)采集到的数量在PID控制软件的控制下返回控制信号给数据采集卡(7)发出控制指令，数据采集卡(7)通过光电隔离电路(5)驱动可控硅调功控温电路(6)动作实现温度的升降。本实用新型具有温度控制精度高，可降低对设备自动化水平的要求，有利于降低生产成本。
文档编号G05D23/22GK201576217SQ20092028422
公开日2010年9月8日 申请日期2009年12月3日 优先权日2009年12月3日
发明者刘尊亮, 刘德森, 朱纪军 申请人:徐州雷奥医疗设备有限公司