基于模糊PID控制的半導體激光器溫度控制系統設計

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(西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031)

0 引言

隨著激光器技術的不斷發展，半導體激光器因其體積小、重量輕、效率高、能耗小和壽命長等優點，廣泛應用于國防軍事及工業測試領域[1-3]。但是半導體激光器在實際使用過程中，對外界溫度非常敏感，環境溫度的變化不僅會影響激光器的輸出功率和輸出波長，還會嚴重影響其使用壽命[4-5]。因此，對激光器的溫度進行精準控制具有非常重要的研究意義。

對于半導體激光器的溫度控制問題，國內外的學者及研究機構都進行了大量的研究與試驗[6]。鮑健[7]等人采用PID控制算法研制高精度二極管激光溫度控制器，其控溫精度可達±0.05 ℃。許文海[8]等人設計的連續半導體激光器驅動電源，實現了溫度優于±0.01 ℃的精準控制。崔國棟[9]等人研制了一種大功率半導體激光器溫度控制系統，其控溫精度可達±0.1 ℃。

在此，針對某半導體激光器設計了一個基于模糊PID算法的溫度控制子系統。該系統以DSP為控制核心，通過將模糊理論與PID算法相結合的方式對系統溫度進行控制。系統所要求達到的控溫精度為±0.1 ℃。

1 硬件系統設計

1.1 系統總體方案

根據該半導體激光器溫度控制系統所要求達到的性能指標和主要功能，對系統進行了總體設計。該系統主要包括主控制器TMS320F2808芯片、溫度測量模塊、數模(A/D)轉換模塊、功率開關、電源模塊、加熱模塊、CAN通信和上位機模塊。系統總體結構如圖1所示。

圖1 溫度控制系統總體結構

由圖1可知，該溫控系統的控制核心為TMS320F2808芯片，其工作原理為：溫度傳感器Pt100將激光器的實時溫度轉變為電壓信號，該信號經過放大后再進入DSP主控芯片的ADC模塊進行A/D轉換，DSP主控制器根據合適的控制算法對轉換后的數字量進行處理得出相應的控制量，系統輸出對應占空比的PWM波來驅動功率開關，對陶瓷加熱片進行控制，從而達到控制溫度的目的。

1.2 溫度測量電路設計

溫度測量是溫度控制系統中的關鍵環節[10]。本設計中的溫度傳感器采用高精度鉑熱電阻Pt100[11]，其接線方式采用四線制，電路設計成恒流源式。恒流源具有抗干擾能力強、受環境影響小等優點。測溫電路如圖2所示。

圖2 溫度測量電路

由圖2可知，該系統測溫電路原理為：利用運放U201A將3.3 V的基準電壓轉換為恒流源，當電流流過Pt100時就會產生壓降，再通過運放U202將該微弱壓降信號放大，該信號可直接進入A/D轉換模塊。

1.3 功率開關驅動電路設計

系統的溫度執行元件為陶瓷加熱片，系統通過輸出不同占空比的PWM波來驅動功率開關，從而決定陶瓷加熱片是否執行加熱功能。功率開關驅動電路如圖3所示。

圖3 功率開關驅動電路

如圖3所示，本設計中將功率開關的源極引腳全部接地，DSP主控制器輸出的PWM波經三極管與功率開關的柵極相連，功率開關的漏極則直接與陶瓷加熱片相連，由此可形成一個完整的回路。當輸出的PWM波為低電平時，功率開關無法導通，因此不能對半導體激光器進行加熱；反之,功率開關導通，則執行加熱操作。系統可以根據需要輸出不同占空比的PWM波，從而達到控制溫度的目的。

2 系統控制算法及仿真

2.1 溫控系統的數學模型

假設陶瓷加熱片在t時刻發出的總熱量為Qt，當激光器的溫度穩定于某個溫度值時，則Qt就應該為該時刻激光器的熱量Q1和自身散失掉的熱量Q2之和[11]，即：

(1)

C為半導體激光器內部的比熱容；T為當前時刻半導體激光器內部的溫度；T1為環境溫度；R為半導體激光器阻值。當半導體激光器溫度遠遠高于環境溫度時，T1可以忽略不計。

(2)

兩邊各取拉普拉斯變換得：

(3)

根據系統原理，假設系統的輸出U(S)正比于Qt(S)，由于測量元件帶來的滯后時間和陶瓷加熱片溫度傳導而造成的容積延遲，使得控制信號與溫度測量值之間存在著一個時滯環節[12]。因此可以得出系統的傳遞函數為：

(4)

K為增益環節，K=kR；T為時間常數，T=RC。根據溫度控制系統的連接電路圖和實驗中所測得的數據，取K=1.8，T=100 s，τ=2 s，代入式(4)得到的系統模型為一階純滯后環節：

(5)

2.2 模糊PID控制器設計及系統仿真

2.2.1 模糊PID控制器設計

模糊自整定PID控制器以系統誤差e及其變化率ec為輸入，利用模糊控制規則對PID的3個參數進行在線修改，以適應變化的e和ec對PID參數自整定的要求[13-14]。模糊自整定PID控制器結構如圖4所示。

圖4 模糊自整定PID控制器結構

從圖4可以看出，模糊自整定PID控制器的控制原理是：先確定參數KP，KI，KD與e，ec之間的模糊關系，通過不斷檢測e和ec，根據模糊控制原理對PID控制的3個參數進行在線修改，以滿足不同e和ec對控制參數的要求。

參數KP，KI，KD與e和ec之間的函數關系為：

(6)

KP0，KI0，KD0為3個參數的初始值；ΔKP，ΔKI，ΔKD為參數的修正量。系統輸入e和ec經模糊化和模糊推理后，得到3個參數的增量ΔKP，ΔKI，ΔKD，增量值再加上其初始值就可得到PID控制的實際參數。

由專家經驗，可得PID控制參數KP，KI，KD的自整定原則[15]如下所述。

a.為了減小系統響應時間，KP的值應取較大；同時應取較小的KD避免因為e瞬間變大而造成的微分過飽和現象；同時取KI=0。

b.當|e|和|ec|中等大小時，為減少系統超調量同時保證系統響應速度，應取較小的KP值、適中的KI和KD值。

c.當|e|較小時，為保證系統的穩定性，應增大KP和KI值，同時為避免系統產生振蕩，應適當地選取KD值。其原則是：當|ec|較小時，KD通常取為中等大小；當|ec|較大時，KD應取小些。

2.2.2 系統仿真

本文使用MATLAB中的Simulink仿真環境[16]和Fuzzy工具箱，搭建了模糊自整定PID控制系統的仿真模型。仿真時以單位階躍信號作為系統輸入代替設定溫度，并將其與常規PID控制進行對比，可得到仿真結果如圖5所示。

圖5 模糊PID和常規PID仿真結果比較

由圖5可知，模糊PID和常規PID都能對半導體激光器的溫度進行穩定控制，但是模糊PID控制的響應速度更快、超調量更小，其控制性能明顯優于常規PID控制。

3 系統軟件設計

3.1 溫度采集程序設計

系統中的溫度傳感器為鉑熱電阻Pt100，熱電阻Pt100采集到的溫度經放大電路放大后，通過數據采集通道進入DSP的ADC模塊的進行A/D轉換，轉換后的數字量即可被控制器識別進行后續計算。溫度采集的程序流程如圖6所示。

圖6 溫度采集程序流程

3.2 模糊PID控制程序設計

模糊PID控制的思想，就是利用模糊算法計算出PID控制的KP，KI，KD參數的增量，實現參數的在線修正，最后通過數字PID算法具體對溫度進行控制。模糊PID控制程序流程如圖7所示。

圖7 模糊PID控制程序流程

4 實驗結果

在完成系統硬件和軟件設計后，為驗證其可靠性，搭建了系統測試平臺。在該測試平臺中，利用隔熱夾具來模擬半導體激光器，陶瓷加熱片放在隔熱夾具內部。利用LabVIEW軟件完成上位機的顯示界面設計，最后利用CAN通信與主控系統進行信息交互得到測試結果。根據測試結果生成的數據，可得到溫度控制曲線如圖8和圖9所示。

圖8 目標溫度為100 ℃時的溫控曲線

圖9 目標溫度為80 ℃時的溫控曲線

由圖8和圖9可知，系統在4 min之內即可達到目標溫度，并且穩態誤差也在0.1 ℃之內，符合系統的控制要求。

5 結束語

以TMS320F2808數字信號處理芯片為控制核心，設計了一種基于模糊PID控制的半導體激光器溫度控制系統。分別對系統的硬件、控制算法及軟件進行了設計，并對系統進行了仿真與實驗。實驗結果表明，系統能在4 min內達到預設溫度，且系統穩定后的控制精度小于0.1 ℃，控制性能要優于基于傳統PID控制算法的溫度控制系統，具有很好的實用價值和廣闊的應用前景。

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