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基于新型模糊PID控制单元的LD精密温控研究

更新时间：2019-12-25 15:39:58 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：模糊PID控制 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为改善温度波动对光通信用半导体激光器性能的影响,设计了基于三维语言变量的高精度跟踪误差温度控制系统。为减小系统成本,利用运算放大器AD620和OP07等器件设计了温度采集系统,并采用最小二乘法拟合温度数据,从而建立温度—电阻关系模型,预测温度变化趋势;加入第三维模糊语言变量,结合窄域论以适当压缩E、EC、ECC的论域,采用模糊规则设定方法,建立新型三维模糊PID规则表并求解得出模糊查询表。结果表明:当预设温度为25℃时,温控系统超调量为0.97℃,最大下冲量出现在第17s,其值为0.69℃;工作51s后,LD系统进入稳定状态,温度保持为25±0.05℃;在第150~210s内,其温度值标准差为0.020 4℃。同时,该系统实现了对半导体激光器0~75℃的大范围精密温控,温控精度为±0.05℃。该系统能够实现对半导体的高效制冷、加热控制,具有响应时间快和系统开销小的优势,能对控制参数实现自整定。


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基于新型模糊PID控制单元的LD精密温控研究.pdf 2M

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第
卷
第
期
３
光学 精密工程  
ꢀ
２５  
ꢀ
Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．３  
ꢀ
ꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀꢀꢀꢀ  
ꢀ ꢀꢀ ꢀꢀꢀ  
Ｏ ｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ  
ꢀ ꢀ ꢀ ｇ  
ꢀ ｐ  
ｇ
年
月
ꢀ ꢀ  
２０１７  
３
Ｍａｒ．２０１７  
ꢀ ꢀ  
（ ）  
１００４９２４Ｘ２０１７０３０６４８０８  
－
文章编号  
ꢀ
－
－
基于新型模糊  
控制单元的  
精密温控研究  
ＰＩＤ  
ＬＤ  
１
＊
张克非  
２
，
涛
２
２
，
苏良闯  
２
，
蒋
，
邵
龙
叶 涛  
ꢀ
ꢀ
ꢀ
（ ，  
西南科技大学 计算机科学与技术学院 四川 绵阳  
１．  
；
６２１０１０  
，
西南科技大学 理学院 四川 绵阳  
２．  
）
６２１０１０  
： ，  
摘要 为改善温度波动对光通信用半导体激光器性能的影响 设计了基于三维语言变量的高精度跟踪误差温度控制系  
。
，
为减小系统成本 利用运算放大器  
，
等器件设计了温度采集系统 并采用最小二乘法拟合温度数据  
，
统
和
ＡＤ６２０ ＯＰ０７  
— ， ； ，  
从而建立温度 电阻关系模型 预测温度变化趋势 加入第三维模糊语言变量 结合窄域论以适当压缩  
、 、  
Ｅ ＥＣ ＥＣＣ  
的论  
， ，  
域 采用模糊规则设定方法 建立新型三维模糊  
。 ：  
规则表并求解得出模糊查询表 结果表明 当预设温度为  
，
时
ＰＩＤ  
２５ ℃  
，
，
其值为  
１７ｓ  
；
，
，
系统进入稳定状态 温度保持为  
温控系统超调量为  
最大下冲量出现在第  
工作  
后
０．９７℃  
０．６９℃  
５１ｓ ＬＤ  
同时 该系统实现了对半导体激光器 的大范  
０ ７５ ℃  
～
；
，
内 其温度值标准差为  
。
，
在第  
２５±０．０５ ℃  
１５０ ２１０ｓ  
～
０．０２０４ ℃  
ꢀ
，
围精密温控 温控精度为  
。
、 ，  
该系统能够实现对半导体的高效制冷 加热控制 具有响应时间快和系统开销小的  
±０．０５ ℃  
，
优势 能对控制参数实现自整定  
。
：
；
；
词 光通信 半导体激光器 模糊  
ꢀ
；
温度控制  
ＰＩＤ  
关
键
ꢀ
：
：
文献标识码  
Ａ
：
／
中图分类号  
ＴＰ２７３  
ꢀꢀ  
ｄｏｉ１０．３７８８ Ｏ ＰＥ ．２０１７２５０３ ．０６４８  
ꢀꢀ  
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ ｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
ｐ
ｐ
ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｏｖｅｌｆｕｚｚ ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ － ꢀ  
ꢀ
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ｙ
１
＊
２
２
２
２
，
，
，
，
ＺＨＡＮＧ Ｋｅｆｅｉ ＪＩＡＮＧＴａｏ ＳＨＡＯＬｏｎ ＳＵ Ｌｉａｎ ｃｈｕａｎ ＹＥＴａｏ  
ｇ
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（
，
１．Ｓｃｈｏｏｌｏ Ｃｏｍ ｕｔｅｒａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ  
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，
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，
；
Ｍｉａｎ ａｎ ６２１０１０ Ｃｈｉｎａ  
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ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏ ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ  
ꢀ ꢀ ꢀ  
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，
２．Ｓｃｈｏｏｌｏ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏ ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ  
ｇｙ  
，
，
）
Ｍｉａｎ ａｎ ６２１０１０ Ｃｈｉｎａ  
ｙ ｇ  
ꢀ
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ｆ
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ꢀ ꢀ  
ꢀ
， ：  
Ｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎ ａｕｔｈｏｒ Ｅｍａｉｌｚｈａｎ ｋｅｅｉｉｋｅ １６３．ｃｏｍ  
＠
＊
－
ｐ
ｇ
ꢀ
ｇ ｆ ｊ  
：
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏｉｍ ｒｏｖｅｔｈｅｉｍ ａｃｔｏｆｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｏｎ ｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｕｓｅｄｆｏｒ  
ꢀ ｐ ꢀ ｐ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ  
ꢀ
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ꢀ
ꢀ
ꢀ
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，
ｏｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｈｉｈ ｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｓｔｅｍ ｂ ｔｒａｃｋｉｎ ｅｒｒｏｒｂａｓｅｄｏｎ３Ｄ  
ꢀ ｇ ꢀｙ ꢀｙ ꢀ ꢀ  
ｐ
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－
ｐ
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ｇ
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，
，
ｌｉｎｕｉｓｔｉｃｖａｒｉａｂｌｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｎｅｄ．Ｔｏｌｏｗｅｒｔｈｅｓｓｔｅｍ ｃｏｓｔ ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ ａｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅ  
ꢀ ｙ ꢀ  
ｇ
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ｐ
，
ａｃｕｉｓｉｔｉｏｎｓｓｔｅｍ ｗａｓａｌｓｏｄｅｓｉｎｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｈｅｌ ｏｆｏｅｒａｔｉｏｎａｌａｍ ｌｉｆｉｅｒＡＤ６２０ａｎｄＯＰ０７ ａｎｄ  
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，
ｌｅａｓｔｓｕａｒｅｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｆｉｔｔｈｅｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｄａｔａ ｔｈｕｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎ ａｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  
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－
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；
ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉ ｍｏｄｅｌｔｏ ｒｅｄｉｃｔｔｈｅｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｔｒｅｎｄ ｔｈｅｎａｔｈｉｒｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｆｕｚｚ ｌｉｎｕｉｓｔｉｃ  
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ｙ
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，
，
ｖａｒｉａｂｌｅｗａｓａｄｄｅｄ ａｎｄａｆｔｅｒ ｒｏｅｒｌ ｃｏｍ ｒｅｓｓｉｎ ｔｈｅｄｏｍａｉｎｏｆＥ ＥＣａｎｄＥＣＣｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈ  
ꢀｐ ｐ ｙ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ꢀ
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ｐ
ｇ
ꢀ
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ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
ｔｈｅｎａｒｒｏｗｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒ ａｎｅｗｔ ｅｆｕｚｚ ＰＩＤｒｕｌｅｔａｂｌｅｗａｓｃｒｅａｔｅｄｂ ａｄｏｔｉｎ ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｕｚｚ  
ｙｐꢀ ｙ  
ꢀｙ ｐ ｇ ꢀ ꢀ  
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－
ｙ
－
ꢀ
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ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
：
；
：
修订日期  
２０１６１２２２．  
收稿日期  
２０１６１１１４  
－ －  
ꢀꢀ  
－
－
：
基金项目 四川省科技厅科技服务业示范重点资助项目  
（
）；  
四川省大学生创新创业训练计划资助  
Ｎｏ．２０１６ＧＦＷ０１４４  
ꢀꢀ  
（
）；  
西南科技大学大学生创新基金资助项目  
（
）
项目  
Ｎｏ ．２０１５１０６１９０４４  
Ｎｏ．ＣＸ１６０６１  
－
， ：  
张克非 等 基于新型模糊  
控制单元的 精密温控研究  
ＬＤ  
第
期
３
ＰＩＤ  
ꢀꢀꢀꢀ  
６４９  
，
ｒｕｌｅｓｅｔｔｉｎ ｔｈｕｓｗｏｒｋｉｎ ｏｕｔｔｈｅｆｕｚｚ ｕｅｒ ｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｓｅｃｉｆｉｅｄ  
ｙｑ  
ꢀｐ  
ꢀ
ｇ
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ｇ
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ｙ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
，
ｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｉｓ２５ ℃ ｏｖｅｒｓｈｏｏｔｏｆｔｈｅｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｓｔｅｍ ｗｉｌｌｂｅ０．９７ ℃ ｗｉｔｈａｍａｘｉｍｕｍ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀ ꢀ ꢀꢀ  
ｐ
ｐ
ꢀ
ꢀ
；
，
，
ｉｍ ｕｌｓｅｏｆ０．６９ ℃ ｏｃｃｕｒｒｉｎ ａｔ１７ｓ ａｆｔｅｒ５１ｓ ＬＤ ｓｓｔｅｍ ｅｎｔｅｒｓｉｎｔｏａｓｔａｂｌｅｓｔａｔｅ ｗｉｔｈａ  
ꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀꢀ  
ｐ
ｇ
ꢀ
ꢀ
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；
，
ｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｍａｉｎｔａｉｎｅｄａｔ２５±０．０５ ℃ ｄｕｒｉｎ ｔｈｅｔｉｍｅ ｅｒｉｏｄｏｆ１５０ ２１０ｓ ｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆ  
ꢀ ꢀ ꢀｐ ꢀ ꢀ  
ｐ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
～
ꢀ
ꢀ
，
，
ｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｖａｌｕｅｉｓｋｅｔａｔ０．０２０４ ℃．Ｔｈｅｓｓｔｅｍ ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ ａｃｈｉｅｖｅｓｈｉｈ ｒｅｃｉｓｉｏｎ  
ꢀ ꢀ ｐꢀ ꢀ ꢀｙ ꢀ ｇ ꢀｐ  
ｐ
ꢀ
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ꢀ
ꢀ
ꢀ
，
ｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｖｅｒｔｈｅｄｉｏｄｅｌａｓｅｒｗｉｔｈｉｎａｌａｒｅｒａｎｅｏｆ０ ７５ ℃ ｗｉｔｈａｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ  
ꢀꢀ ｇꢀ ｇꢀ ꢀ ～ ꢀꢀ  
ｐ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｐ
ꢀ
，
ｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆ±０．０５℃．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｈｅｓｓｔｅｍｃａｎａｃｈｉｅｖｅｈｉｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃ ｃｏｏｌｉｎ ａｎｄｈｅａｔｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ  
ꢀｙ ꢀ ｇ  
ｐ
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ꢀ
ꢀ
－
ｙ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ｇ
ꢀ
，
，
ｏｖｅｒｔｈｅ ｄｉｏｄｅｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｅｓ ａｓ ｓｈｏｒｔｒｅｓｏｎｓｅｔｉｍｅ ｌｏｗ ｃｏｓｔａｎｄ ｓｅｌｆｔｕｎｉｎ  
ｇ
ꢀ
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ｇ ꢀ ꢀ  
ꢀ
ｐ
ꢀ
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－
ａｒａｍｅｔｅｒｓ．  
ｐ
： ； ； ；  
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ ｏｔｉｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ ｆｕｚｚ ＰＩＤ ｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ  
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｙ
ꢀ
ｐ
ꢀ
ｙ
ꢀ
［］  
６
等人 提出一种基于自适应近似控制法的  
Ｋｉｍ  
非线性反馈系统 实现了高效的跟踪性能 该方  
法主要从数学角度进行大量公式化推导以优化传  
，
。
引 言  
ꢀ ꢀ  
１
、 ，  
在超高速率 长距离的激光通信中 半导体激  
，
统控制方案 但缺少在实际系统中的应用  
。
（
， ）  
的高输出功率会造成通信  
ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅＬＤ  
光器  
ꢀ
，
综上 传统的二维模糊  
，
控制 难以实现  
ＰＩＤ  
，
模块温度升高 导致信号传输失真和激光器寿命  
超高速率长距离 激光 二 极 管 跟 踪 误 差 的 准确 控  
［］  
１
。
［
］
７８  
，
，
目前 工程 界 普 遍 采 用 比 例－积 分－微 分  
－
减短  
，
制
而三维模糊控制的时间复杂度较高 并且  
（
，
）
控
ＰｒｏｏｒｔｉｏｎＩｎｔｅｒａｔｉｏｎＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ ＰＩＤ  
ｐ
－
ｇ
－
，
需要利用实际数据建立模型 通过降阶等方法求  
。
制算法对激光器的温度进行控制  
，
以得到全部的输入变  
ＥＣＣ  
出偏差变化的变化率  
［］  
２
，
等人 采用 二 维 模 糊 控 制 器 输 入 变 量  
［］  
９
。
Ｌａｉ  
，
量
本文针对当前 跟踪误差控制的特点  
ＬＤ  
，
输出变量为  
ＰＩＤ  
为温度偏差  
和偏差变化  
Ｅ
ＥＣ  
，
基于窄域论和模糊控制原理 提出近似三维语言  
，
参数的修正量 构成一个双输入三输出的模糊控  
，
变量跟踪误差控制模型 进行  
控制参数理论  
ＰＩＤ  
。 ，  
制器 相比于三维模糊控制器 具有较高的响应  
， ，  
推导 并对参数进行优化整定 实现对半导体激光  
，
速度 适用于中小型功率  
，
温度控制系统中 但  
ＬＤ  
，
器温度的控制 控制精度达  
，
温控范围  
±０．０５ ℃  
。
在稳定性 上 要差 于三维 模 糊 控制 器 宋荣荣 等  
。
０ ７５ ℃  
～
［］  
３
人
考虑了模糊温度的差值及其差值变化率之间  
，
的模糊关系 在系统运行中通过不断检测差值及  
温度采集系统  
２
ꢀ
，
其变化率 根据模糊控制原理对  
的
个参数  
３
ＰＩＤ  
，
进行实时修改 以满足不同阶段对控制参数的不  
测温电路  
２．１  
ꢀ
，
同要求 从而使被控对象有良好的动态特性和静  
，
所示为温度采集系统 主要由惠斯通电  
图
１
［］  
４
。
态特性 陈晨等人 采用  
式
控制算法  
ＰＩＤ  
ＺＮ  
－
、
桥 高精密运算放大器  
以及  
等器件  
ＯＰ０７  
ＡＤ６２０  
，
对分布式反馈激光器进行了温控设计 精度达  
０．  
，
对于工业级应用尚存  
，
。
电阻 通过调节电阻  
设计实现 其中  
为
Ｒ
ＮＴＣ  
的大小 即可由稳压二极管  
３
６
，
但温控为  
０５ ℃  
５ ６０ ℃  
～
，
和
向惠  
Ｒ
２
Ｒ
ＴＬ４３１  
［］  
５
。
在限制 戴俊珂等人 设计的控温模块通过负温  
。
斯通电桥提供一个恒定的电压 由于惠斯通电桥  
（
度 系 数 热 敏 电 阻  
Ｎｅａｔｉｖｅ Ｔｅｍ ｅｒａｔｕｒｅ  
ꢀ
ｇ ｐ  
，
个电阻较大 可不考虑微小的电流变化对电  
中
４
，
）
采集温度值 通过三维自整定  
Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ＮＴＣ  
，
，
路造成的影响 故当  
，
电阻发生变化时 则  
ａ
ＮＴＣ  
， 、  
算法 并利用反馈回路实现闭环 实时  
模糊  
ＰＩＤ  
：
Ｕ
Δ
ａｂ  
和
ｂ
两点之间的电压差的变化值为  
，
控温 短 期 稳 定 度 达  
，
短 期 稳 定 度 达  
２
０．００８ ℃  
（
Ｖｏｕ Ｒ ＋Ｒ Ｒ ＋ ＲＲ  
６
）
Δ
ｔ
６
６
４
，
（）  
１
Ｕ ＝  
Δ
ａ
ｂ
（
）（  
）
２Ｒ ＋Ｒ Ｒ ＋Ｒ ＋ Ｒ  
Δ
， ，  
但其系统成本较高 尤其是在测温电路  
４
６
４
６
０．０１５ ℃  
：
，
Ｖｏｕ １０Ｖ  
Δ
。
变化的值  
，
中采用了更为精密的元器件 不利于产业化发展  
。
式中  
为
为
Ｒ６  
Ｒ
ｔ

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