激光器电源的高精度温度控制器系统与算法的研究.docx

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1、激光器电源的高精度温度控制器系统与算法的研究摘要激光器是二十世纪最重要的发明之一，激光器的使用极大地改变了人们的生活方式。但是在实际生产生活中，在稳定性、耐用性等方面对激光器要求极为苛刻，特别是在温度控制系统方面。温度的极小偏差会导致激光器输出的波长以及频率受到影响，从而影响正常使用。一般来说，温度改变1摄氏度，波长改变0.2-0.3nm,因此需要实现对激光器电源温度的高精度控制。本文主要设计了一种高精度温度控制系统。在算法方面，本设计采用了模糊PlD控制算法，该算法兼具了模糊控制的强抗干扰能力以及PlD控制算法消除稳态误差两者的优点。同时，该算法通过了在MATLAB软件SIMULlNK工具箱

2、进行系统仿真论证。最后根据仿真结果，搭建了以STM32为控制核心的温度控制系统，并且通过精密调节TEe的电流大小和方向，实现了对温度的高精度控制。关键词：激光器；STM32;模糊控制；PlD控制TheResearchofAlgorithmandProgrammingonTemperatureControlSystemofLaserDiodeAbstractLaserisoneofthemostimportantinventionsofthe20thcentury,andithasvastlychangedpeopleslifestyle.However,itsextremelydemandin

3、gintermsofstabilityanddurabilityinactualproduction,especiallythetemperaturecontrolsystems.Inaddition,eventhoughthelittlechangeoftemperaturewillaltertheoutputoflaserswavelengthandfrequency,thenaffectingnonnaluseoflaser.Accordingtothedata,foreachdegreeCelsiusofthetemperatureofthelaser,0.2-0.3nmofthewa

4、velengthwillalter.Therefore,itisnecessarytocontrolthetemperatureoflaserdiodewithhigh-precision.Thispaperpresentsahigh-precisiontemperaturecontrolsystemofthelaser.Inalgorithmandprogramming,thelaserusesthefuzzyPIDcontrolalgorithm,whichhasboththestronganti-interferenceabilityoffuzzycontrolandtheadvanta

5、gesofPIDcontrolalgorithm.Totakeitastepfurther,thealgorithmhasbeendemonstratedintheSIMULINKtlboxofMATLABsoftware.Finally,accordingtotheresultofsimulationtemperaturecontrolsystemwithSTM32asthecontrolcorewassetup,andtheprecisecontrolofthecurrentanddirectionoftheTECwasachievedhigh-precisiontemperatureco

6、ntrol.Keywords:Laser;STM32;fuzzycontrol;PIDcontrol目录1前言11.1 本设计的目的、意义及应达到的技术要求11.2 本设计在国内外的发展概况及存在的问题11.3 本设计应解决的主要问题22激光器电源温度控制系统算法的研究22.1 PID控制原理理论22.2 智能控制42.3 系统算法设计93温度控制系统的设计103.1 温控系统总体框架103.2 温度系统硬件总体介绍113.3 单片机软件处理模块设计144系统仿真164.1 MATLAB及SIMULlNK的简介164.2 系统仿真过程164.3 展望194.4 献204.5 214.6 221

7、刖三20世纪90年代末，伴随着工业革命以及Imernet的逐步普及，各大工业领域繁荣发展，其中，光纤通信行业在整个领域中呈现发展迅猛的状态，光电子行业的繁荣对经济、科研、军事、医疗等各个领域起着不可替代的作用，工业的发展越来越离不开激光器。其中由碑化像、部化镉、硫化锌等半导体材料作为工作物质的半导体激光器受到人们的大力欢迎，其效率可以达到20-40乳同时它具有转换效率高、集成度高、体积小、价格低等优点，成为了信息技术领域中必不可少的核心器件，并且它被广泛应用于光纤通信、光盘、激光雷达等口。半导体激光器是将电子转化为光子的器件，在工作过程中常常会伴有各种非辐射以及各种载流子的损耗。这种损耗会导致

8、激光器电源温度上升，系统温度的上升进而导致激光器的输出波长以及光损耗等各个方面受到严重影响。在目前量产的半导体激光器中，在电流恒定且环境湿度恒定的情况下，激光器电源系统温度每升高一度，激光器输出的波长会大约增加0.2-0.3nml同时，由于激光器工作过程中热损耗很大，这种损耗大约占总功耗的50%-70队若没有及时地温度下降措施，会导致芯片温度快速升高，造成系统不稳定以及寿命降低，所以给激光器电源一个稳定并且快速的温度控制系统非常重要。在目前激光器的发展中，由于温度控制精度的限定，激光器的应用在未来还有广泛的空间。因此，需要不断设计并实验，不断提高激光器温度的控制精确度。LI本设计的目的、意义及

9、应达到的技术要求在实际生产生活中，大部分工业控制系统采用PID控制系统或者模糊控制系统。但是由于实际生产往往具有很多不确定的因素，上述两种控制模式均存在一定的局限性，例如PlD控制器较难建立精确的数学模型，模糊控制难以消除稳态误差。在这种情况下，设计一种新型的控制系统，对控制理论实际应用发展有着非常重要的意义。1. 2本设计在国内外的发展概况及存在的问题国内外很多公司、学校以及研究所都致力于提升激光器输出波长的稳定性及系统的耐用性，并不断改善半导体激光器的温度控制系统的核心控制算法。目前，国外如WAVELENGTHTHORLABS等公司生产的激光器温度控制系统分辨率可以达到0.001摄氏度，长

10、期稳定性控制在0.005摄氏度以内，并且具有性能高、价格低等特点3。相比之下，国内生产的激光器温度控制系统测温精度只能达到0.02摄氏度左右，分辨率较低，需要大力改进，同时半导体激光器系统的工作稳定性、可靠性、算法等方面都需要改善，才能让激光器得到更加广泛的应用。半导体激光器发光原理是根据固体的能带理论，通过一定的激励使得能带与杂质能级之间产生受激反射作用，采用载流子复合发光的方式4。这种发光方式导致了半导体激光器在工作时会产生较多热量，而这部分热量如果没有得到及时得散发，将会影响系统主控板的温度，导致系统不稳定，从而导致LD的输出功率和波长受到影响，除此之外，也影响设备的使用年限。故为了能够

11、让半导体激光器输出稳定在目标输出波长，需要精确控制激光器LD二极管的温度，在温度出现波动能够及时调整，严格减少LD输出工作波长的波动。因此，为了能够让半导体激光器得到更进一步的应用，需要致力于改善激光器的温度控制系统，根据自动控制理论，不断开发新算法，实现高精度温度控制。除此之外，提高半导体激光器温度控制精度、设计更优控制算法，不仅能够提高激光器的应用，同时也能促进信息、航空航天等领域的发展，同时对光通信等行业的进一步发展有着深远的学术价值。1.3本设计应解决的主要问题本文主要对激光器温度控制算法的研究，预期控制精度达到01摄氏度。本设计首先基于自动控制理论，设计温度控制模型，在此基础上研究目

12、前工业上使用较多的PlD算法、模糊控制算法，以及查阅文献了解目前温度控制系统的算法优化情况，通过分析各个算法的优缺点，以及结合工程上会出现的情况，设计了一种模糊PlD控制算法。同时分析激光器在工程实际生产中可能会出现的一些干扰情况，最后在MATLAB中的SlMULlNK工具下模拟仿真算法对温度模型的控制效果，并且通过实物调试，不断优化，从而实现对激光器电源的高精度温度控制，达到预期目标。2激光器电源温度控制系统算法的研究(1)本文在充分了解恒温控制系统的控制需求后，通过查阅相关资料，并根据自动控制原理，设计半导体激光器温度控制系统，运用MATLAB软件功能下Simulink功能建立仿真模型，并

13、不断优化算法。经过仿真，不断优化参数，最终得到兼具调节时间较短，超调量小，无稳态误差的高精度温度控制系统，以保证激光器输出可靠、稳定的波长。(2)本设计采用STM32flO3作为主控芯片，使用半导体TEC的制冷和加热功能调节系统温度，根据设定温度以及实际温度，单片机输出控制信号改变TEC工作的电流大小和方向，不断对激光器电源温度系统的温度进行调整至设定温度，确保激光器处于正常的输出状态。本设计主要研究PlD算法、模糊控制算法及模糊PlD算法，运用传递函数的形式，分析他们各自的控制精度以及优缺点，最终确定最优的传递函数。2.1 PID控制原理理论在平时生产中，为了提高生产效率以及减少人力成本，同

14、时完成复杂繁琐精密的工作，经常会应用自动控制系统来提高效益。在自动化控制系统中，有反馈控制、前馈控制、顺序控制等方式，其中PlD控制系统是前馈控制系统是实际生产中非常常用的一种控制系统，其控制全称为比例积微分控制51。根据PID系统的属性，它的算法较为简单且鲁棒性好，同时又因为它具有可靠性高的优点，故PlD算法深受研发人员的青睐，被广泛运用于精度要求不高的工业控制中。在实际的应用领域中，PTD控制系统的设计一般都是在微控制器或者计算机的条件下进行，根据控制要求，调节PlD控制器的三个参数，调整并优化控制系统。2.1.1 PlD控制原理介绍PID控制系统是闭环控制中的一种，系统运行时根据被控对象

15、反馈控制信号进行调节，其结构主要由PlD控制器、执行器、受控对象等部分组成，其具体流程图如图2-1所示。其中PlD控制器由比例环节、积分环节、微分环节三个环节线性叠加组成。在设计过程中，通过不断验证并优化这三个环节的参数，达到稳定性、快速性、准确性三个要求的最优效果。图2-1PID控制流程图PID属于线性控制器的一种，一般以偏差值作为输入信号，其中偏差值e(t)由期望值r(t)和实际输出y(t)相减得到e(t)=r(t)-y(t)微控制器将获得的偏差值进行比例、积分、微分运算，计算完成后将获得的三个值进行线性组合构成控制量，输出到被控对象，以改善系统的动态性能，其控制算法可以表示为：u(t)=

16、e(t)+Je(t)dt+Td表示为传递函数的形式为：,、U(三)1G(三)=焉=KP0+云+7s)其中，K,为比例系数，T;为积分时间常数，TO为微分时间常数。比例调节作用：比例调节起到了信号放大的作用，在控制过程中，比例控制部分加快系统响应速度。在系统偏差产生的时候，比例环节的运用使被控量朝着偏差减小的方向调整，使系统能够稳定地输出所需信号。比例系数太小会导致系统调整力度较小，在出现较大干扰的情况下，无法及时恢复设定值，调节时间较长；而增大比例系数可以增强系统的灵敏度，但是过大的比例系数会增加系统震荡次数，导致系统稳定性大幅降低。同时，仅靠比例环节几乎很难达到系统理想的控制状态，在系统只存在比例环节控制的时候，系统会存在稳态误差，动态性能较低。积分调节作用：积分环节在控制过程中主要起到一