高稳定度的CCD冷却控制系统研究

    0 引言

    电子制冷技术是制冷技术中的一个重要组成部分,它是不同于吸收式和机械压缩式的制冷方式,其基础是三种温差电效应: 1822年德国人塞贝克发现的温差电动势效应、1834年法国人珀尔贴发现的珀尔贴效应以及后来的汤母逊效应。制冷主要利用了珀尔贴效应,但真正实用是在1954年左右当前苏联的约飞院士及英国的歌德史密斯、道格拉斯的研究获得成功的时候,他们研制成功了温差电效应较大的称为/三元系合金0的制冷材料,从而使电子制冷技术得到了发展,中国科学院半导体研究所的孙光临、陈任杰等也对材料的研究作出了特殊的贡献。

    CCD是一种高性能的、灵敏的光电子器件,其噪声与温度密切相关,一般而言,温度每升高6e左右,其噪声增加一个量级,因此要求在低温下工作;为了充分发挥CCD的性能,达到只有几个噪声电子的水平,应将其工作温度降到-50e左右。在CCD冷却控制中要求控制器端面面积小于25*25(mm)2,并且无电气接触,而半导体制冷器端面一般为陶瓷的,具有很高的绝缘电阻,同时具有体积小、无振动的特点,制冷器件形状可设计制作,因此特别适用于制作高性能CCD相机的制冷头。而传统的PID控制原理可以达到理想的模糊控制效果,精度高,抗干扰能力也比较强,尤其是后来采用专家算法的无超调、自整定PID控制器的出现,也为PID控制原理的广泛应用提供了便捷的路径。针对要求较高的CCD相机冷却控制问题,对利用半导体制冷器和PID控制器来组成冷却控制系统的原理和结构进行了研究,并获得了良好的控制效果,温度的稳定度达到[?011e的水平。

    1 PID原理简介[1-2]

    PID控制原理主要是按照误差信号的比例、积分和微分值计算相应控制量、并将其作为输入量传递到控制系统而实现自动控制的;其控制模型为

    其中的Kp为比例系数, Ti为积分系数, Td为微分系数; e(t)为误差信号量, e (t)=S)y (t), S为受控量的设定值;y (t)为受控量的输出值; V (t)为控制信号量。

    控制结构如图1所示。

    PID控制器把设定值S与受控系统的受控量的实际值y(t)相减,得到一个误差量e (t),误差量e (t)经比例、积分、微分运算后通过线性的组合而得到受控系统的控制输入量V (t),实现对受控系统进行自动控制的目的,它是一种线性调节器。这种控制原理的优点是不要求知道受控系统的精确数学模型,因此,在自动控制领域中得到了广泛的应用,在温度控制领域内同样地得到了广泛应用[3]。

    系统的控制性能主要由其三个参数Kp、Ti、Td决定。