一种恒温控制系统及恒温控制方法与流程

本发明涉及恒温系统领域，特别涉及一种对光模块进行恒温控制的恒温控制系统及恒温控制方法。

背景技术：

由于这些年国家对光通信的大力扶持，特别是国家对于“光进铜退”政策的大力推广，光网络越来越普及，同时竞争也越来越大。这就要求我们在产品在尽可能的在达到高性能、高品质的同时又最大限度的降低成本。

由于激光器件对于温度的变化及其敏感，对于温度的稳定性要求也就非常的严苛。原来对于温度的控制是纯硬件的方式，这样的方案成本较高，同时在灵活性方面也有缺陷。采用软、硬件结合的方式，结合PID算法，即可保证温度控制的稳定性，又不失灵活性。不足的地方在于，PID算法的参数调节比较麻烦。在此，利用我们经过优化后的PID算法，即可很好的解决PID参数调节的难度问题。

现在高端的BOSA，内部大多集成了TEC(半导体制冷器ThermoelectricCooler)，用于精准控制BOSA的温度稳定性。对于对流经TEC的电流的大小、方向的控制，目前一般有两种方式：一种是利用专用芯片纯硬件控制；一种是利用现在成熟的PID算法控制。前者成本较高，且硬件设计复杂；后者在稳定时间上有所不足，且PID参数调节异常复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前光模块恒温控制过程中所遇到的不足，提供一种恒温控制系统及恒温度控制方法。

本发明为实现其目的所采用的技术方案是：一种恒温控制系统，包括对恒温对象进行降温和升温的半导体制冷器，对半导体制冷器提供合适大小和方向的输入电流的电流源；还包括对电流源输出电流大小和方向进行控制的控制系统，所述的控制系统包括实时检测恒温对象温度的温度传感器，根据温度传感器输出产生控制所述的电流源的控制信号的处理单元，所述的控制信号包括控制电流源输出电流大小和方向的控制信号。

本发明通过实时测量恒温对象的温度，产生控制电流源输出电流大小和方向形成一个闭环控制。

进一步的，上述的恒温控制系统中：所述的控制对象为光模块。所述的电流源为型号是TPS63000的直流/直流转换器芯片U1，所述的处理单元产生的控制信号TECSET从直流/直流转换器芯片U1的FB引脚输入，直流/直流转换器芯片U1的FB引脚与输出引脚之间串连电阻R1，直流/直流转换器芯片U1的FB引脚通过电阻R2接地，直流/直流转换器芯片U1的EN引脚通过电阻R4接地。

本发明还提供一种恒温控制方法，所述的处理单元中产生控制信号TECSET包括以下步骤：

步骤A、在光模块启动时，测量光模块的温度，确定与目标温度的差err(k)，k为自然数，k＝k₀，k₀是设定的一个起始数；

步骤B、计算u(k)＝K_perr(k)，并将计算结果u(k)进行DA转换形成TECSET，K_p为根据调试确定的合适的快速调节系数；

步骤C、下一时间，k＝k+1，测量光模块的温度，确定与目标温度的差err(k)，如果err(k)大于设定值，则转向步骤B，否则，N为大于1的自然数；K_w＝k转向步骤D；

步骤D、计算并将计算结果进行DA转换形成TECSET，k_I和k_d分别为经过调试确定的合适的稳态平衡系数和动态稳定系数；

步骤E、下一时间，k＝k+1，测量光模块的温度，确定与目标温度的差err(k)，转向步骤D。

下面结合具体实施例对本发明作较为详细的描述。

附图说明

图1是本发明实施例1使用的PID算法的一般形式。

图2是本发明实施例1光模块恒温控制电路。

图3是常温下不同的系数对应的时间-温度曲线。

图4是同一组系数测试高温、常温、低温三温下的曲线(一)。

图5是同一组系数测试高温、常温、低温三温下的曲线(二)。

具体实施方式

实施例1，本实施例是一种光模块恒温系统，利用该系统可以实现光模块的快速达到设置的温度，并且稳定在该温度附近，采用如图2所示的TPS63000+MCU构成的TEC温控环路，并采用PID算法控制激光器温度的稳定，如图2是典型的单端控制环路。本实施例中是对光模块BOSA进行恒温控制，对于其它恒温对象也可以采用这样的方法和系统进行控制，采用一个闭环控制方式，逐步逼近设定的温度，本实施例采用的TPS63000+MCU构成的TEC温控环路是一种非常适合对芯片加热的TEC进行恒温控制的。

PID算法的一般形式如图1所示，采用如下公式：

离散后，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)

在如图2所示的系统中，作为处理单元的MCU在接收到温度传感器也就是热敏电阻Rrh上的电压变化而获得温度的差值err(k)。在此使用位置型PID算法，其中u(k)对应的是TECSET值，err(k)对应的是设定目标值与当前值的差值，K_p用于快速调节，K_i用于稳态平衡，K_d用于动态稳定。

调试确定合适的K_p值后，得到温度变化曲线如下图3所示的曲线，从图可以看出，蹭的曲线基本可以达到要求，属于PID的整定典型曲线。

但是为了达到光模块的快速启动特性，该曲线的稳定时间显然偏长了。最理想的状态就是温度到达目标值后就能快速趋于稳定，而不至于像上图3一样有太多的过冲，使得稳定时间大大延长。

由此，对现有PID算法做如下优化：

在模块启动时，如果能给定一个TECSET合适的初始值，不仅可以使得从模块上电到启用TEC这段时间内对模块温度的稳定起到正向作业，还能避免PID算法调节值从零开始而使得稳定时间出现不必要的延长。

模块温度快速趋于稳定目标值过冲中，避免出现震荡可以有效缩短稳定时间。为了达到这个目标，我们可以在err(k)值较大时使用较大的比例系数，先不用微分、积分系数，这样可以加快调节速度；当接近稳定状态时，缩小比例系数(比如为原来的十分之一)，同时启用微分、积分系数，使得温度趋于稳定状态。

包括以下步骤：

步骤A、在光模块启动时，测量光模块的温度，确定与目标温度的差err(k)，k为自然数，k＝k₀，k₀是设定的一个起始数；

步骤B、计算u(k)＝K_perr(k)，并将计算结果u(k)进行DA转换形成TECSET，K_p为根据调试确定的合适的快速调节系数；

步骤C、下一时间，k＝k+1，测量光模块的温度，确定与目标温度的差err(k)，如果err(k)大于设定值，则转向步骤B，否则，N为10；K_w＝k转向步骤D；该步骤中N取10是一个比较合适的数据，也可以取其它自然数，根据需要可以取8、15等数字。

步骤D、计算并将计算结果进行DA转换形成TECSET，k_I和k_d分别为经过调试确定的合适的稳态平衡系数K_I和动态稳定系数K_d；

步骤E、下一时间，k＝k+1，测量光模块的温度，确定与目标温度的差err(k)，转向步骤D。本实施例中，对温度传感器输出采样时间为50ms，上面计算也是50ms计算一次。

上面的快速调节系数K_p、稳态平衡系数K_I和动态稳定系数K_d一般是按照经验给出，下面是调试过程。

1、依据经验给出一个K_p值，监控温度输出，使得其可以趋于一个接近目标温度的稳定值，反之进行逐步调整，就是以经验值为中心，向大的方向或者向小的方向变化，直到趋于理想的稳定值。K_p越大，越快接近目标温度，但是也越容易振荡(即无法趋于一个稳定的值)。

2、在确定了K_p的基础上，给出一个K_I值，使得其可以在目标温度点趋于稳定；同理可确定K_I值。

3、如图3所示，在其他外部条件相同的情况下，多给定几组K_p、K_I、K_d值，得到对应的温度曲线。根据温度曲线，很容易判断哪一组K_p、K_I、K_d值为对比之下的最佳值。

如图3所示为同一个模块在相同初始环境温度下测得的温度曲线。图中三条曲线K_p、K_I、K_d分别是：

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。

图中横坐标表示时间，50ms取一个值，因此，每个小格是50ms，纵坐标表示温度，这里的刻度表示取样时，传感器的取样数据。

按照上面的方法确定K_p、K_I、K_d值后，再哪不同的模块作对比测试，最后测试三温(高温、常温、低温)下的曲线。

根据以上两点的优化后，调试出合适的PID值及比例系数的缩小倍数，得到常温下的温度变化过程如图4所示。此时，选择K_p＝12.5，K_I＝0.03825，K_d＝2.5。

从图4可以看到，常温下的变化过程相较于之前已有很大的改善，去除了震荡过程，稳定时间大幅度缩短；高温和低温的温度变化也遵循先快后慢最后渐进达到目标值的过程，与设想的最优控制目标基本吻合。

不过细心的话依然可以看出，高温、低温两条曲线与常温时的曲线比交还是有小幅度的震荡。在PID算法中，起稳定作用的主要是积分、微分两个系数，考虑的积分项的乘积部分为偏差累积值，偏差大的时候累积自然大，反之亦然。

所以，在常温下确定的最佳积分系数，在高温、低温下就不再是最佳了。为此，我们对积分系数也可以使用可变系数的措施。方法如下：

当初始温度偏差较大时，必然导致偏差累积部分较大，此时可选取较小的积分系数；反正，如果初始温度偏差较小，则可去较大的积分系数。

根据这一原则，我们在模块工作温度的全温范围内选取一些点确定他们对应的积分系数，就可以得到一条初始温度变化对应于积分系数的曲线如图5所示。此时，K_p＝45.5，K_I＝0.1755，K_d＝2.5。

由此我们可拟合出积分系数的变化公式。再据此优化PID算法，得到三温下的LD温度变化如下(其中从下到上分别代表常温、高温、低温)：

可以看到，三温下的温度的稳定时间和稳定效果有明显的提高，低温下的表现尤其明显。

经过以上三步对PID算法的优化，光模块TEC对温度控制的稳定效果已完全符合我们预期的优化目标。