[發(fā)明專利]基于窄域論的激光器PID溫控參數(shù)近似三維整定方法

有效

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• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103064447A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張克非;劉志勤;吳林;王蘋;張寧;謝立果;蘇曉亮;錢天聞
• 申請（專利權(quán)）人: 西南科技大學(xué)
• 主分類號: G05D23/19
• 分類號: G05D23/19;G05B11/42;H01S5/024
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于窄域論的激光器溫度控制參數(shù)近似三維整定算法，尤其涉及一種激光器溫度控制系統(tǒng)中PID參數(shù)的近似三維整定方法。

背景技術(shù)

隨著寬帶產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，激光通信在體現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢的同時也遇到了一些技術(shù)上的難題，隨著中繼距離越來越長，通信速率越來越高，溫度已經(jīng)成為其性能瓶頸之一。激光器溫度的變化會導(dǎo)致閾值電流、輸出功率、輸出波長的變化，這些都將導(dǎo)致激光器壽命變短、電光轉(zhuǎn)換效率變低等，從而導(dǎo)致激光器的性能不穩(wěn)定。

半導(dǎo)體激光器(LD)對于電流沖擊和工作溫度變化的承受力較差。由于存在非輻射復(fù)合損耗、自由載流子的吸收等損耗機制，使得其外微分量子效率只能達到20％～30％。這樣，很大部分的注入電功率將轉(zhuǎn)化為熱能，從而引起半導(dǎo)體激光器溫度升高。由溫度產(chǎn)生的微小電流將致使光功率輸出發(fā)生極大的變化，器件參數(shù)(如激射波長，噪聲性能，模式跳動)也會隨之發(fā)生變化，這些變化直接危及器件的正常使用。因此，在實際應(yīng)用中需要對半導(dǎo)體激光器(LD)的溫度進行控制，使其能夠工作在恒定的溫度下，避免對器件的危害。

為了達到對半導(dǎo)體激光器(LD)進行溫度控制的目的，目前已提出了多種半導(dǎo)體激光器恒溫控制的研究方法，采用較多的是PID(P：比例，I：積分，D：微分)控制。但常規(guī)PID控制器不能在線整定參數(shù)，針對非線性、時變復(fù)雜系統(tǒng)和模型不確定的系統(tǒng)，其PID參數(shù)整定非常困難或者根本無法整定。在工程界，PID控制參數(shù)多依賴經(jīng)驗，移植性差，精度因控制者水平而存在很大差異。為此，有學(xué)者引入模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)對PID控制器參數(shù)的實時整定。

目前的模糊控制算法有二維模糊控制和三維模糊控制。傳統(tǒng)的二維模糊控制是計算平面內(nèi)的坐標值，計算量小，但溫度控制精度在0.25℃，控制精確度低；傳統(tǒng)的三維模糊控制是計算三維空間內(nèi)的坐標值，溫度控制精度在0.08℃，精度較高，但計算復(fù)雜度高。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)在溫控精度(0.02℃)、分辨率(0.001℃)、穩(wěn)定性(長期穩(wěn)定性＜0.1℃)以及可靠性^[3]等方面都存在著很多不足，且控制算法有待優(yōu)化；國外生產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器(LD)溫度控制器不僅精度較高(0.001℃)，穩(wěn)定性好(長期穩(wěn)定性＜0.005℃)，而且智能化程度較高，但是對技術(shù)嚴格保密，且價格高昂。傳統(tǒng)的二維模糊控制控制精度低，無法滿足下一代光通信高精度的要求。三維模糊控制則存在系統(tǒng)開銷大缺點，難以廣泛運用在激光通信中。此外，三維模糊控制運算復(fù)雜，推理時間長，因此除非對動態(tài)性要求比較高的場合，一般較少選用這類模糊控制器。而純數(shù)字PID對數(shù)據(jù)要求高，在復(fù)雜系統(tǒng)中難以應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題，在對激光二極管溫度進行PID溫控時，提供一種基于窄域論的近似三維模糊控制參數(shù)整定方法。所述整定方法運算相對簡單，控制精度高，系統(tǒng)成本較低。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述基于窄域論的激光器PID溫控參數(shù)近似三維整定方法，方法如下：

1、引入第三維變量ECC，建立模糊規(guī)則：在對激光二極管溫度進行PID溫控時，在對激光二極管溫度進行PID溫控時，考慮到控制精度以及系統(tǒng)開銷，提出一種基于窄域論的激光器PID溫控參數(shù)近似三維整定方法，并優(yōu)化性能指標函數(shù)中的跟蹤誤差項，在指標函數(shù)中引入跟蹤誤差的微分項，提出一種基于第一維E和第二維EC變量建立近似第三維語言變量ECC的近似算法，使得對象的動態(tài)響應(yīng)更加平穩(wěn)，閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性更強。由E與EC引入第三維變量ECC，建立模糊規(guī)則進行控制(其中E表示測量值與給定值的偏差，EC表示E的偏差，ECC表示EC的偏差)；

2、對擬合數(shù)據(jù)測量，進行模糊推理：根據(jù)溫度數(shù)據(jù)擬合后提供的數(shù)據(jù)，在每次測量時，E、EC、ECC的變化曲線基本相同。所以得知以下的對應(yīng)關(guān)系：當ECC處于B區(qū)間時，對應(yīng)E、EC的PB+PS區(qū)間；當ECC處于Z區(qū)間時，對應(yīng)E、EC的Z區(qū)間；當ECC處于S區(qū)間時，對應(yīng)E、EC的NB+NS區(qū)間，那么對于模糊控制規(guī)則的再次建立，即在相應(yīng)的區(qū)間對原來的K，ΔTi，ΔTd調(diào)節(jié)強度的基礎(chǔ)上加強(其中T_D表示微分作用，T_I表示積分作用，Kp表示調(diào)節(jié)器的放大系數(shù))。

由E、EC、ECC的運算簡化后，得出E、EC、ECC的變化趨勢基本相同。我們通過省略ECC的實際運算，在E、EC的基礎(chǔ)上估計ECC的區(qū)間，從而優(yōu)化模糊規(guī)則表。

簡化原理：