基于模糊PID控制理论的半导体激光器温控系统的研究

摘要

半导体激光器(LD)广泛用于干涉测量、全固态激光器(DPSSL)等领域。众所周知,温度对LD的输出波长有很大影响,研究结果表明:温度每变化1℃,LD的中心波长漂移约0.3nm。因此,严格控制LD的工作温度很有必要。本文以中小功率LD的温度为研究对象,以MCS-51系列单片机作为控制器,采用半导体制冷器(TEC)作为温度控制的执行元件,研制了一种高稳定度LD温度控制系统。论文主要包括以下五方面内容:第一,分析了温度对LD输出特性的影响,介绍了LD温度控制技术的研究现状。第二,提出了基于自动控制理论的LD温度控制系统研究方案,并对该方案进行了可行性分析。第三,以模糊PID控制理论为基础,设计了模糊PID控制器作为LD温度控制系统的核心,其设计方法是:首先,以临界比例度法确定PID参数的初始值;其次,以LD设定温度与测量温度之间的偏差和偏差变化作为控制器的输入,根据PID各个参数与偏差和偏差变化率之间的模糊关系,利用模糊控制原理实时调整PID控制中的比例系数、积分时间和微分时间;最后,输出数字控制量并经D/A转换、功率放大后驱动TEC工作,从而达到控制激光器工作温度的目的。第四,设计了硬件系统和软件系统,并进行了系统的抗干扰设计。第五,建立了LD温度控制实验系统,用该系统对输出功率为1W的LD进行了温度控制实验研究。研究结果表明:LD的温度在10℃～40℃温控范围内可以任意设定,控温稳定度优于0.2℃,调节时间大约是3分钟。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 半导体激光器简介

1.2 温度对LD 特性的影响

1.3 LD 温度控制器的研究现状

1.4 课题的主要研究内容

2 模糊 PID 控制理论

2.1 PID 控制原理

2.2 数字PID 控制器

2.2.1 位置式PID 控制算法

2.2.2 增量式PID 控制算法

2.3 模糊控制原理

2.3.1 模糊控制概述

2.3.2 模糊控制系统

2.3.3 模糊控制器结构

2.4 模糊PID 控制

2.4.1 常用的模糊PID 控制器

3 方案设计及可行性研究

3.1 闭环控制系统

3.2 LD 温度控制系统方案设计

3.3 方案可行性研究

4 模糊 PID 控制器的设计

4.1 模糊控制器的结构选择

4.2 模糊规则的选取

4.2.1 确定语言变量

4.2.2 确定语言值的隶属度函数

4.2.3 建立模糊控制规则

4.3 模糊推理和模糊判决

5 硬件设计

5.1 温度检测电路设计

5.1.1 温度传感器的选择

5.1.2 温度检测电路设计

5.2 温度信号的采集、控制与显示电路

5.2.1 A/D 转换电路

5.2.2 D/A 转换电路

5.2.3 显示电路

5.3 TEC 驱动电路

5.3.1 TEC 的工作原理

5.3.2 TEC 驱动电路设计

5.3.3 TEC 使用注意事项

5.4 硬件抗干扰设计

6 软件设计

6.1 软件概述

6.2 程序模块及流程图

6.2.1 主程序模块

6.2.2 采集与数字滤波模块

6.2.3 显示程序模块

6.2.4 模糊PID 控制算法程序

6.3 软件抗干扰技术

7 实验与总结

7.1 系统调试

7.2 实验过程与实验现象

7.3 实验结论

致谢

参考文献

在校学习期间所发表的论文