高精度半导体激光器自稳温控系统_图文(精)

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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