高精度半导体激光器自稳温控系统_图文(精)

电子科技
高精度半导体激光器自稳温控系统
中国工程物理研究院流体物理研究所(绵阳621900 江孝国祁双喜王伟
摘要文章介绍了一套精密的温度控制系统, 该控制系统采用PID 控制器的原理, 对发热功率为10～30W 的半导体激光器的控制效果良好, 控温的稳定度可小于±0. 1°C 。

关键词PID 控制器热电偶冷却器参数整定半导体激光器在民用及国防上的重要作用已得到广泛的应用, 但半导体激光器在工作时产生的大量热量, 不仅会使器件温度升高, 造成器件的性能下降, 严重者甚至烧毁半导体激光器, 因此, 激光器的散热是重要的, 为了保证器件性能的稳定及寿命, 将器件工作温度在一定的范围内以较高的稳定度稳定在比较低的水平上也同样重要[1]。

本文针对这种高精度的要求, 研制了一套精密的半导体激光器的温度控制系统。

该温度控制系统采用了传统的PID 调节原理, 针对系统的热传导特性, 在参数整定方面作了相应的改进, 达到了很好的控制效果, 不仅超调量小, 并且进入稳定区的时间短, 抗干扰能力也比较强。

该温度控制系统应用于10～30W 的发热负载的温度控制时, 可以在18～25
图1PID 控制原理
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。

由上可知, 要构成一个PID 控制器, 需要确定
K p 、T i 、T d 三个参数; 确定这三个参数的过程称为
PID 参数整定; 并且, 三个参数直接影响系统的控制
性能。

°C 的温度范围内达到小于±0. 1°C 的稳定度, 起到了良好的控制作用。

本文主要介绍半导体温度控制器的PID 参数整定及改进等方面的工作。

2PID 参数的整定
毫无疑问,PID 控制器的参数的整定应该根据实际系统的特性来进行, 一般有凑试法[2]及Ziegler 2Nichols 经验公式法[3]等。

凑试法主要是根据实际系统在现场以
闭环的方式进行运行的情况, 由研究人员根据其丰富的经验来确定各参数的值, 并进行不断的调整, 最后达到良好的综合控制效果, 这种方法需要研究人员具有相关的丰富经验并通过现场实验来达到, 并不总是能够满足灵活的控制要求的。

Ziegler
2Nichols 经验公式法则要先进一步, 它主要是
1PID 原理简介[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:
V (t =K p e (t +
t
T i
d τ+T d
e (τ
dt
(1
其中:K p 为比例系数; T i 为积分系数; T d 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, 得到了一个误差量e (t , 误差量e (t 经比例、积分、微分运算
针对带有纯时间延迟的一阶近似模型提出的, 该延迟环节的模型为:
G (s =
1+s T
-sL
(2
在实际的整定中, 它首先要求测量出系统的阶跃响应, 如图2所示, 其次根据响应曲线求出图示的K 、L 、T 等系统的特性参数, 并假设α=KL /T , 再根
后通过线性的组合而得到受控系统的控制输入量
56(312 中国自动化http ://www. automation. com. cn 《电子技术》2002年第5期
据表1的计算式计算出相应的PID 参数。

这种方法有较大的优点, 对于半导体激光器温控系统而言, 它是一个具有较大延迟的温度控制系统, 具有适用于Ziegler 2Nichols 公式法的特性, 并且该系统的实际阶跃响应曲线容易测量, 如图2所示; 其次, 不须经过大量的现场实验调试, 符合温控系统中半导体激光器件对调试工作条件的要求。

系统实际参数的整定结果见表1的本系统的PID 参数一栏所示。

表1Ziegler 2Nichols 设定算法[3]
控制器类型
K p
v (t =K [βS -y (t ]+
-T d
dt
T i
d τ
e (τ0
(3
其主要目的是减小超调量, 并将系统的超调量控制在10%或20%内, 因此引入系数β, 根据不同的超调量及系统的特性, 系数β的计算方法不一样, 本例中, 是按照小于10%的要求计算的, 具体的计算式为β=(533L ～86T /(577L ～34T [3]。

由此可见, 改进的Ziegler 2Nichols 方法不仅在参数上, 还在算法上与原
PID 算法有较大的变化, 须重新编程完成。

PID 参数T i
T d
β
P PI PID
1/α0. 9α1. 2/α0. 63350. 65
3L 2L 2. 82. 8
L /2
本系统的PID 参数改进后的PID 参数
0. 70. 7
0.
0293
图2温度控制系统的阶跃响应曲线
3PID 参数及算法的改进
由上述方法整定的参数一般能够达到控制的目的, 但有时在控制过程中存在一些不如意的地方, 如超调量过大、进入稳定区的时间过长, 甚至抗干扰能
力不足等; 我们早先研制的系统存在一定的超调[4], 并且不太适用于宽范围的
控制要求, 如热负载发生一定的变化时, 就达不到所要求的控制效果, 因此, 有必要改进控制的能力。

3. 1PID 参数的改进
图3PID 参数整定及积分分离控制原理框图
3. 2. 2积分饱和抑制方法[2]
在PID 控制器中, 其中一项
T i
根据资料[3]的显示, 改进的Ziegler 2Nichols 方法整定的参数控制效果比直接由Ziegler 2Nichols 方法整定的参数要好, 并且, 它不要求进行更多的系统特性参数测试, 因此, 我们选用该方法并且稍作一些
修改, 最后的结果见表1的改进后的PID 参数一栏, 其中的系数β是超调量小
于10%的情况下的数值。

3. 2PID 算法的改进3. 2. 1PID 控制器结构的改变
d τ与误差
e (τ的积分有关, 称为积分项。

在实际的控制过程中, 如果由于负载
变化引起误差发生突变, 导致正常控制量V (t 超过实际控制量的最大值V max , 由
于实际控制量受到系统输出能力的限制, 其变化跟不上受控量的变化, 必然使误差比正常情况下更长时间地维持在正数, 这样, 使积分项得到很大的积累, 即使受控量大于设定值出现负误差, 但由于积分项的积累, 还必须经过较长一段时间才能使控制量小于最大值, 进入正常的控制范围, 在受控量的变化上表现为超调。

对于半导体激光器温度控制系统而言, 存
(313
57
改进的Ziegler 2Nichols 方法要求如下的PID 控制器结构:
《电子技术》2002年第5期
中国传感器http ://www. sensor. com. cn
在这种由于参数选择及算法选择不当而引起的超调现象, 并且半导体激光器的工作温度不允许超过一定值, 过大的超调是需要克服的一种现象。

我们选择积分分离法来抑制积分饱和现象的发生。

其核心思想是:在开始时, 不进行积分, 当误差达到一定值后, 按正常算法计算控制量, 可防止系统上电时积累过多的积分, 造成过大的控制量; 同时, 也能够在系统进入饱和区后由于较少的积分积累而很快地退出饱和区, 减少超调量。

结合改进的Ziegler 2Nichols 方法及积分饱和的抑制方法, 本温度控制器算法原理框图如图3所示。

器达到了很好的控制性能, 图4中的各图显示了在室温的环境及在18～25°C 的控温要求下对10～30W 的热负载的实际控制效果; 可以看出, 在热负载基本稳定的情况下, 本温控系统的超调较小, 能够平稳地进入平衡控制区, 且温控稳定度较高, 而图4(e 显示了热负载从10W 突变到30W 的控制情况, 温度变化范围只有约1°C 的大小, 可见达到了很好的抑制干扰的控制效果。

图中横座标为时间, 单位为秒。

5结束语
本文研究的PID 控制器结合了改进的Zielger 2Nichols PID 参数的整定方法及采用了积分分离法来抑制超调现象的发生,
该控制器完全达到了设计
4实验结果
经过多次的调试后, 该半导体激光器温度控制(a 环境温度25. 5°C , 设定温度17. 87°
C
(b 环境温度25. 7°C , 设定温度19. 83°
C
(c 环境温度26. 3°C , 设定温度19. 84°
C
(d 环境温度26. 5°C , 设定温度24. 79°
C
(e 环境温度26. 1°C , 设定温度24. 84°C ; 负载功率从10W 突变到30W
图4温控系统的实际控制效果
58(314 中国自动化http ://www. automation. com. cn 《电子技术》2002年第5期
电子科技
新型单键密码楼梯灯
五邑大学(广东江门529020 陈业仙
摘要文章主要论述利用常用的CD4017为核心组成的一个简单实用的单键密码楼梯灯。

关键词单键密码楼梯灯目前, 仍有很大一部分商品房, 尤其是早期的商品房没有设置公用梯灯, 有些家庭不得不自己安装楼梯灯, 市面上较流行使用的是一种用钥匙开启的带锁延时楼梯灯, 这种方法可以有效避免别人滥用自家的电灯, 但是仍存在不少缺点, 例如:由于钥匙必须带在身上, 容易丢失; 这种锁头一般质量较差, 暴露在室外容易氧化生锈而失效, 且外观笨重, 影响美观; 这种开关一般没有指示灯, 在晚上没有灯光时找钥匙以及开关的位置都颇为不便; 另外这种开关一旦启动后必须达到延时时间才能自动关闭。

本文设计的密码延时开关, 无需任何钥匙, 只要掌握密码, 便可对梯灯进行任意的开关动作, 且设有指示灯, 方便操作, 并且可以随时变更密码。

本设计电路简单, 成本低廉, 适于大批量生产, 并且可推广应用到其他类似的保密要求不是很高的电子密码锁等方面, 达到用一个公用的控制器控制各自电器的目的。

图1控制器的框图
利用这一个高电平来启动与之相联的亮灯延时电
路, 这样, 通过选择不同的输出端, 则可达到密码控制的作用。

这里, 我们还考虑了几种情况:第一, 如果输入错误或忘记了自己已按了多少次按键时, 电路应有自动复位的措施, 也就是对按键有监视电路; 第二, 当输入密码正确时, 电路应稍作延时才启动, 这样可以增加猜码的难度; 第三, 电路启动后, 计数器应及时复位, 但不会影响亮灯延时电路的继续工作, 但这时再按一次按键即可立即中断亮灯延时电路的工作, 使梯灯组熄灭, 故CD4017的第一次按键输出(Y1 保留作此用途, 即只有第2至第9按键共八个状态可供设为密码, 第10次按键回复至复位状态; 第四, 户内须设置一个直接启动亮灯延时电路的按钮, 无须输入密码。

1. 2电路原理图及工作原理
本电路由电源电路、密码电路、输入电路和亮灯延时控制电路组成, 如图2所示:电源电路由降压电容C 1、整流二极管D 1和D 2、滤波电容C 2和C 3、限
业出版社. 1995. 5:102～107
2陈汝全、林水生、夏利. 实用微机与单片机控制技术. 成
1电路组成及原理
1. 1系统框图与原理
楼梯灯控制器组成框图如图1所示, 主要由
CD4017接收按键进行十进制计数, 在相应的输出端产生一个高电平, 启动电灯延时电路, 从而达到密码控制的目的。

CD4017是CMOS 十进制计数器, 在计数器的
输入端每输入一个低电平, 计数器进行加1计数, 即对应的输出端输出高电平, 而其它输出端为低电平
, 的控制要求, 并且抑制超调能力强, 进入稳定控制区的时间短, 可以在较大的控制范围内正常进行工作, 比原系统的性能有大大的提高, 非常适合用于大功率的半导体激光器的温度控制。

都:电子科技大学出版社,1998. 11:13～34
3薛定宇. 控制系统计算机辅助设计———MA TLAB 语言及
参考文献
应用. 北京:清华大学出版社,1998. 3(4版 ,253～260
4江孝国、王婉丽、祁双喜. 高精度PID 温度控制器. 电子与
1黄德修、刘雪峰. 半导体激光器及其应用. 北京:国防工
自动化. 2000(5 :13～15
《电子技术》2002年第5期中国传感器http ://www. sensor. com. cn (315 59。