王忠康　殷冬冬　朱修超

摘 要：溫度對(duì)半導(dǎo)體激光器的工作特性有很大的影響，所以對(duì)于半導(dǎo)體激光器溫度控制的精度、響應(yīng)速度要求都比較高。雖然人們已經(jīng)提出了很多控制方法，并且在個(gè)別場(chǎng)合已有應(yīng)用，但是要實(shí)現(xiàn)精度、更快響應(yīng)速度的控制還有很多需要解決。本文對(duì)近幾年有關(guān)半導(dǎo)體激光器溫度控制的方法，及一些改進(jìn)措施進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，以供從事半導(dǎo)體激光器溫度控制研究的人員參考。

關(guān)鍵詞：溫度控制；半導(dǎo)體激光器；PID控制；模糊控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.124

0 引言

半導(dǎo)體激光器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，具有很好的應(yīng)用前景。但是半導(dǎo)體激光器的閾值電流、輸出功率和輸出光波長(zhǎng)都很容易受到溫度的影響[1-2]，所以，半導(dǎo)體激光器的使用一般都伴隨著對(duì)其溫度的控制。就目前諸文獻(xiàn)顯示表明，對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度控制一般使用的執(zhí)行器件是半導(dǎo)體制冷器（TEC）[3]，半導(dǎo)體制冷器是一種集制冷與制熱于一體的電流驅(qū)動(dòng)溫度控制裝置。對(duì)于半導(dǎo)體激光器的溫度控制就是實(shí)現(xiàn)對(duì)TEC的精確控制。

1 PID溫度控制方法

半導(dǎo)體激光器溫度控制使用最廣泛的控制方法就是PID控制。PID控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。它是一種線性控制器，根據(jù)給定值和實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其數(shù)學(xué)模型可由下式表示[4]：

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1[5]：

文獻(xiàn)[6]中選用ADI公司的TEC專用控制器ADN8830和TI公司生產(chǎn)的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812分別做為主控芯片，來實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器PID溫度控制，并進(jìn)行了對(duì)比。兩種溫度控制方法的精度都可達(dá)到±0.125℃，但基于TMS320F2812的溫控方法達(dá)到穩(wěn)定需要的響應(yīng)時(shí)間是180S，而基于ADN8830的控制方法80S就能達(dá)到平衡狀態(tài)，并且該方法體積小、功耗低。

文獻(xiàn)[7]中選用單片機(jī)PIC16F877A作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)PID控制，在-40-55℃寬范圍內(nèi)半導(dǎo)體泵浦頭溫度控制精度可達(dá)±0.2℃，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間為2min，并且通過三年的野外使用表明系統(tǒng)穩(wěn)定正常。

文獻(xiàn)[8]中選用了Maxim公司推出的專用TEC驅(qū)動(dòng)器芯片MAX1968作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)PID控制。該系統(tǒng)在環(huán)境溫度為40℃，設(shè)定溫度為25℃時(shí)，控制精度為±0.02℃。文獻(xiàn)[9]中選用了Maxim公司推出另一款TEC專用驅(qū)動(dòng)芯片MAX1978，這款芯片是在MAX1968的基礎(chǔ)上集成了TEC驅(qū)動(dòng)電路，控制精度可達(dá)到±0.005℃。

PID控制能很好的實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的溫度控制，有較高的控制精度和響應(yīng)速度，易于與PC機(jī)通訊，可完成人機(jī)接口、實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法和數(shù)據(jù)處理，因此，這種控制方法廣泛的被人們使用。

2 模糊控制方法

模糊控制器中，大多數(shù)是選取偏差值e以及它的偏差變化率de/dt作為模糊控制器的輸入變量，而把控制量u作為模糊控制器的輸出變量，因此，它是一個(gè)二維模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2：

這樣就確定了模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)，由圖2可知，經(jīng)采樣獲得的輸入量與期望得到的輸出量，由此得到偏差信號(hào)e和偏差變化率de/dt，這兩種信號(hào)是準(zhǔn)確量，它們作為兩個(gè)輸入信號(hào)送入模糊控制器，經(jīng)過模糊化，兩個(gè)輸入信號(hào)變成模糊量集合E和EC，再根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)建立的模糊規(guī)則求出模糊關(guān)系，然后，再由模糊關(guān)系依據(jù)輸入給出相應(yīng)的輸出U，這就是推理合成。最后，再模糊判決得到精確的控制量[10]。

模糊控制技術(shù)應(yīng)用于家電產(chǎn)品已是很普遍的現(xiàn)象，但半導(dǎo)體激光器的溫度控制使用這種方法還很少見，目前的文獻(xiàn)中沒有發(fā)現(xiàn)做出實(shí)物系統(tǒng)的，大多都是基于simulink進(jìn)行的仿真。文獻(xiàn)[11]中對(duì)這種控制方法使用simulink進(jìn)行了仿真，單純的模糊控制與控制目標(biāo)沒有超調(diào)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較短，響應(yīng)時(shí)間大約為4s，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1.5%。文獻(xiàn)[12]中同樣對(duì)這種控制方法進(jìn)行了仿真，結(jié)論同樣是沒有超調(diào)，響應(yīng)時(shí)間3s，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1.5%。

模糊控制不存在PID方法存在的積分飽和現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)過程表明，模糊控制較PID控制不僅被控對(duì)象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，具有更快的響應(yīng)、更小的超調(diào)和很強(qiáng)的魯棒性，而且在對(duì)象模型發(fā)生較大改變的情況下，也能獲得較好的控制效果[13]。

3 模糊PID控制

自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可控式PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。參數(shù)可控式PID完成對(duì)系統(tǒng)的控制，模糊控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)的自動(dòng)校正[14]。

模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個(gè)重要組成部分。計(jì)算機(jī)根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號(hào)，計(jì)算實(shí)際位置和理論位置的偏差e以及當(dāng)前的偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對(duì)模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。結(jié)構(gòu)如圖：

文獻(xiàn)[15]對(duì)模糊PID控制進(jìn)行了仿真，與PID控制進(jìn)行了對(duì)比，相對(duì)與PID控制，模糊PID控制具有更小的超調(diào)量、更快的響應(yīng)速度。并且使用MSP430F149作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體激光器溫度的模糊PID控制，控制精度達(dá)到了±0.02℃，最大超調(diào)量0.5%，響應(yīng)時(shí)間15s左右。

文獻(xiàn)[16]中使用TMS320F2812芯片作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體激光器溫度的模糊PID控制，設(shè)置溫度為25℃時(shí)控制精度可達(dá)±0.1℃，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為100s，超調(diào)量不大于0.5℃。很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)半導(dǎo)體激光器溫度的控制。

4 基于自抗擾控制器（ADRC）的控制方法

自抗擾控制器（ADRC）采取了PID誤差反饋控制的核心理念。自抗擾控制器主要由三部分組成：跟蹤微分器（tracking differentiator），擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器（extended state observer）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（nonlinear state error feedback law）。自抗擾控制器（ADRC）作為一種非線性控制，能實(shí)時(shí)估計(jì)出對(duì)象模型攝動(dòng)和不確定外擾，并采用特殊的非線性反饋結(jié)構(gòu)予以自動(dòng)補(bǔ)償，是“不變性原理”和“內(nèi)模原理”的進(jìn)一步發(fā)展，具有實(shí)用性強(qiáng)，精度高，魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，能較好地解決非線性系統(tǒng)的控制問題[17]。

自抗擾控制器很少被用于半導(dǎo)體激光器的溫度控制，文獻(xiàn)[18]將這種控制方法用于半導(dǎo)體激光器的溫度控制進(jìn)行了仿真，并且與PID控制進(jìn)行了對(duì)比。相對(duì)于PID控制，這種控制方法沒有超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差小，但是響應(yīng)速度慢，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。

5 分段控制模式

文獻(xiàn)[19]中提到了一種新的控制方法，來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的溫度控制。該文獻(xiàn)中使用分段控制的模式，將全部控制空間劃分為三個(gè)部分，分別是極限控制區(qū)域、比例控制區(qū)域和自適應(yīng)控制區(qū)域。在自適應(yīng)過程中采用二級(jí)計(jì)數(shù)器自行調(diào)整控制參數(shù)，從而大大提高了控制精度。這種控制模式不需要對(duì)控制對(duì)象及外界環(huán)境建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，使設(shè)計(jì)難度大大降低，控制精度大大提高，使設(shè)計(jì)的可移植性得到改善?？刂凭瓤蛇_(dá)±0.1℃，超調(diào)量小，響應(yīng)速度快。

6 總結(jié)

從目前相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)來看，對(duì)于半導(dǎo)體激光器的溫度控制已經(jīng)達(dá)到很高的控制精度和很快的響應(yīng)速度，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于控制要求越來越高，半導(dǎo)體激光器溫度控制仍有研究的必要，以滿足新環(huán)境下的技術(shù)要求。

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