基于改进PID控制光电探测系统能耗优化方法研究

曲世敏

(吉林大学 电子科学与工程学院，吉林 长春 130012)

光电检测系统的运行原理是，在辐射情况下，通过改变材料的电导率，实现检测光电信号功能。光电检测系统采用高阻多晶材料作为连续薄膜靶表面材料，用来降低光生载流子扩散对检测结果造成的影响[1]。光电子检测系统在运行过程中消耗大量能源，而其所处的应用环境又不能提供足够的能量，因此需要对光电子检测系统进行能耗优化。能耗是反映国家节能技术水平的重要指标之一。从国内外相关研究文献来看，目前发展较为成熟的节能优化方法有：基于机器学习特征的节能优化方法、基于大数据分析的节能优化方法和基于云存储内容的节能优化方法。由于传统的能耗优化方法控制效果不明显，能耗较大，故引入改进的PID控制技术[2-4]。改进后的PID控制技术依赖于相应的控制器设备实现，控制器中各个单元的作用分别为提高控制性能、提高系统的运行速度并降低误差。改进后的PID控制技术性能明显提升，将其应用于光电探测系统能量消耗的优化控制中，可以进一步提高能量消耗的控制效果，对光电探测系统有一定的研究意义。

1 光电探测系统能耗优化

1.1 建立光电探测系统的数学模型

光电探测系统利用光子效应进行探测。由于价带中电子的丢失，在运行过程中可能会出现光电空穴电子对。光电探测系统的工作原理如图1所示。

图1 光电探测系统工作原理

当向P、N两端施加反偏电压时，光电探测系统中会产生相应的电压，并且根据其中的电子空穴对分析电场[5]。由于探测目标区域厚度逐渐增加，有效吸收区域内漂移电流和扩散电流的比值随之升高。光检测系统中存在的光子效应波长可以通过式(1)进行计算：

(1)

式中，Eφ为光子的能量比发射体的功函数，由此可以计算出光电探测设备吸收光子能量后，光电入射光波的最终波长λc的最终取值结果。

1.2 安装改进PID控制器

传统的PID调节控制器由于光电探测系统控制范围较大，不能满足其要求，融合模糊控制与传统PID控制2种方式，设计安装了改进后的PID控制器[6-8]。改进后的PID控制器框架如图2所示。

图2 改进PID控制器结构

改进PID控制器的一般形式：

(2)

式中，e(t)为系统误差；Kp、Ki与Kd分别为系统误差、积分、微分信号的加权系数。

由此计算出系统控制信号，实现对被控对象的驱动[9]。在应用过程中，改进PID控制器，将控制信号的传递函数为为：

(3)

式中，Ti和Td均为控制过程时间常数。在改进PID控制器设计合理的情况下，逐渐降低控制误差，达到系统的控制要求。

1.3 计算光电探测系统能量消耗

根据光电探测系统的工作原理，可将其能耗划分为直接相关能耗和间接相关能耗，具体包括检测能耗、光电信号转换能耗、温度控制能耗等方面[10]。光探测仪消耗的主要是电能，通过计算电流，可以统计光探测仪的能量消耗。光电探测系统消耗表面漏电、复合、隧穿和欧姆4种类型的电流，由于检测器表面物理特性而产生的缺陷，其表达式为：

(4)

式中，A和q分别为截面和电子产生量；S0为电流表面复合速度，其计算公式为：

S0=σnvthNst

(5)

式中，σn为电子表面俘获截面；vth为载流子速率；Nst为表面区域内单位面积的复合中心浓度。光电检测系统所消耗电流的表达式为：

(6)

式中，τgr为载流子有效寿命；k为常数系数；V为反向偏压的大小；E为光探测耗尽区域的电场；Reff为光电探测系统的有效电阻[11-13]。另外变量θ1、θ2可以用式(7)进行计算：

(7)

式中，mc为电子有效质量；ξ为与隧穿势垒形状有关的参数[14]。

根据上述计算结果，可以得出光电探测系统的能量总消耗为：

(8)

式中，U为光电探测系统在工作状态下的额定电压；Pele为消耗电力的功率；PTx为光信号发送消耗的功率；PRc为接收端环路消耗的功率；Ttotal为完成一次光电探测所需时间。

1.4 实现光电探测系统能耗控制与优化

根据光电探测系统的能耗计算结果，采用按需改进PID控制器的方式，实现光电探测系统的能耗优化控制。控制器必须先进行整定，然后再进行控制。通过比较系统实际输出特性和预期输出特性之间的差异，求解能耗控制规则和修正量。所设计的参数自动调节改进PID控制器，通过测量光电检测系统硬件温度，并将检测到的温度结果与设定温度值比较，获得温差和温差变化率，在线调整量化因子，对控制规律进行修正[15]。通过增加系统输出功率，在控制器的驱动控制下节约了能耗。为了提高光电探测系统的能源利用效率，需要调整系统的作用状态，保证系统的实际运行效率在最佳效率附近浮动。具体的控制过程如图3所示。

图3 光电探测系统最大功率控制过程

图3中的2条曲线分布反映了系统在2种不同环境下的输出特性。其中，A点和B点分布为系统的最大功率点，同时假设系统在某一时刻保持在A点。外部环境变化时，曲线由曲线1变为曲线2，此时负载1保持不变，系统的运行状态也会在A′点发生相应的变化。因此，系统的输出特性与所要求的最大功率点存在偏差。当系统的负荷特性也随之作出相应的调整，由负载1变为负载2，就可以更好地跟踪最大功率，从而使系统的最大功率变为负荷B[16-20]。同样地，如果外部环境的变化使输出特性从曲线2下降到曲线1，那么系统的运行状态就会从B点变化到点B′，那么负载曲线就应该相应地进行调整，以保证最大功率持续运行。最后在改进后的PID控制器下，通过约束系统最大功率，实现了光电探测系统的能量消耗优化。

2 性能测试实验分析

以测试设计的基于改进PID控制光电探测系统能耗优化方法的能耗控制效果为目的，设计性能测试实验，实验采用多次操作取平均值的方式，保证实验结果的置信度。

2.1 配置实验环境

以VC+6.0为开发工具，进行基于改进的PID控制的光电探测系统能耗优化方法的开发，利用开发工具可以创建程序运行的源文件，方便对各个项目元素的统一管理，使用工作区窗口可以直接查看和访问项目中的各个元素。除基础试验环外，为了确保光电探测系统和能耗统计软件的稳定运行，还需要在试验环境中安装无线通信网和主测试计算机设备，使之能得到量化的、可比较的试验结果。

2.2 选择光电探测系统研究样本

按照探测原理可以将光电探测系统分为光子探测系统和热探测系统2种类型，此次性能测试实验中选择光子探测系统作为研究样本对象，系统结构如图4所示。在正常运行时，该系统中的振动晶格可以不断地为电子提供能量，产生自由载流子，实现对光电探测系统的持续供能。

图4 光电探测系统

2.3 改进PID控制器安装与调试

光电探测系统能耗优化设计方法采用改进的PID控制技术，需要将控制技术的运行环境配置到实验环境中，即将设计好的改进PID控制器安装在实验环境中。利用MATLAB中的逻辑工具箱，对操作命令进行设计。以光电探测系统的输出功率到达给定范围的速度为依据，设置控制规则，如图5所示。最后，准确定义与系统中每个变量关联的隶属函数的形状，得出改进PID控制界面如图6所示。

图5 改进PID控制器的模糊规则

2.4 设置性能测试指标

性能测试实验的主要目的是证明优化方法应用前后，光电探测系统的能量消耗情况，因此设置性能测试指标为实际能耗量，该指标以输出功率的方式得出。光电探测系统能耗优化的前提是不能影响系统功能的正常运行，因此还需要设置系统的响应速度作为验证系统运行正常的指标。光电探测器的响应速度可以通过探测信号的浮动时间进行确定。

2.5 性能测试过程与结果分析

为了体现设计优化方法的能耗控制优势，实验还设置了2种对比优化方法，分别为基于机器学习特征的优化方法和基于大数据分析的优化方法。3种能耗优化方法以并行的方式运行，且2种对比方法无法调用实验环境中安装的改进PID控制器装置。在实验环境中设置多个光电检测任务，并得出能耗统计结果见表1。

从表1中可以直观地看出，在3种不同能耗优化方法下，光电探测系统实际能耗的平均值分别为115.5、96.5和85.9 kW。经过能耗优化方法应用后，光电探测系统响应时间的统计结果见表2。通过对表2中数据的处理与统计，在3种能耗优化方法控制下，光电探测系统的平均响应时间分别为2.84、2.13和1.19 s。综上所述，在光电探测系统中应用改进PID控制技术进行能耗优化，可以在保证系统运行功能的情况下，有效地降低系统的实际能源消耗。

表1 实际能耗统计对比结果

表2 光电探测系统响应时间统计结果

3 结语

在保证光电探测系统正常运行状态下，为了最大限度地降低系统能耗，在改进PID控制技术的应用下，设计并开发相应的系统能耗优化方法。从性能测试实验结果中可以看出，通过优化方法的应用能够有效地降低系统的实际能量消耗，且光电探测响应时间未受到大幅度影响。然而实验中未对系统的光电探测精度进行测试，因此无法断定能耗优化方法能够完全维持系统的正常运行，在今后的研究工作中需要针对这一问题进一步分析。