基于模糊PID控制的半导体激光器温度控制的仿真研究

第３４卷第２期　２０１４年４月　辽宁工业大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　、，０Ｉ．３４．ＮＯ．２　Ａｐｒ．２０１４　基于模糊ＰＩＤ控制的半导体激光器温度控制　的仿真研究　王忠康，张摘艳，赵海多，李林扬　（辽宁工业大学电气工程学院，辽宁锦州　１２１００１）　要：对基于模糊ＰＩＤ控制的半导体激光器温度控制系统进行了研究，通过Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对其进行了　仿真，并将其与基于ＰＩＤ控制的半导体激光器温度控制系统进行了对比。仿真结果表明　模糊ＰＩＤ控制的超调量　在１５％Ｐ￣，响应更快。　关键词：仿真模糊ＰＩＤ；温度控制；半导体激光器　　●中图分类号：ＴＰ３５；ＴＰ３８　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—３２６１（２０１４）０２－００７９－０３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｌａｓｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＷＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇ—ｋａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙａｎ，ＺＨＡＯ　Ｈａｉ－ｄｕｏ，ＬＩ　Ｌｉｎ－ｙａｎｇ　（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ　１２１００１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌａｓｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，ｗａｓ　ｃａｒｄｅｄ　ｏｕｔ　ａｎｄ　ｈｅｒｅｂｙ，　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＰＩＤ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｉｔｓ　ｓｕｐｅｒ　ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ　ｖａｌｕｅ　ｂｅｉｎｇ　ｗｉｈｉｔｎ　１　５％，ａｎｄ　ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ　ｆａｓｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｕｚｚｙ　ＰＩＤ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｌａｓｅｒｓ　过去３Ｏ多年来，高压直流输电事业在我国发展　迅速，已经成为一种重要的电力传输手段。直流输　电的发展离不开直流测量技术，传统的直流电流测　量方法基于的是电磁感应原理，对于绝缘的要求比　较高，从而导致结构复杂、造价高【ｌ。４】。而有源式　光纤直流电流传感器能很好地决这些问题，在现在　投运的直流输电线路中得到了很好的体现，在＋８００　导致其阂值电流升高，从而输出光功率会下降【１¨。　所以，要想保证半导体激光器正常工作，就必须实　现精确、快速的温度控制。本文建立了基于模糊ＰＩＤ　控制的半导体激光器温度控制系统的模型，并对其　进行了仿真。　１　温度对激光器输出光功率的影响　半导体激光器的阈值电流特性受温度的影响　很大。不同器件结构和材料体系的半导体激光器对　于温度变化的敏感度不同，但是当温度升高时，其　阈值电流或阈值电流密度都会升高，温度与其阈值　电流的关系可以由公式（１）来表示。　ｋＶ特高压直流输电工程中其优势更加突出【５　】。　目前，影响有源式光纤直流电流传感器应用的　是高压侧供电问题，半导体激光器激光供能以光纤　传输能量，很好地解决了绝缘等问题［９－　】。对于半　导体激光器，当工作时间增加，半导体激光器的温　度也会逐渐的升高，注入电流不变，温度升高将会　收稿日期：２０１３－１１－２０　基金项目：辽宁省教育厅基金项目（Ｌ２０１２２２９）　作者简介：王忠康（１９８６－），男，河南濮阳人，硕士生。　张艳（１９７９－），女，河南信阳人，教授，博士。　Ｉｔｈ＝Ｉ，ｈ（　）・ｅｘｐ（Ｔ—　）／　（１）　８０　辽宁工业大学学报（自然科学版）　第３４卷　式中：　为阈值电流，正为室温，　为半导体激光　器的特征温度。　在某一特定温度下，当注入电流，＜，ｆｈ时半导体　激光器的输出光功率Ｐ基本为零：当Ｉ＞Ｉｔｈ时，输　出光功率Ｐ与注入电流，呈正比关系。由图１可看　出，由于温度升高半导体激光器的阈值电流也会升　小的不同通过模糊控制器对　、　、　３个参数进　行调节。模糊ＰＩＤ控制器由模糊控制器和参数可调　的ＰＩＤ控制器构成，数字ＰＩＤ控制算法的表达式如　式（２）所示：　ｎ－Ｉ　Ｕ（ｎ）＝Ｋｐｅ（ｎ）＋Ｋ，ＥＰ（ｆ）＋Ｋｅ【８（　）一Ｐ（　一１）】（２）　ｉ＝Ｏ　高，导致Ｐ－Ｉ特性曲线也随着温度变化平移。由此　可见，温度对于半导体激光器的影响很大【ｌ¨。　式中：　，１）为ｎ个采样时刻控制器的输入量，　）　为第ｎ个采样时刻控制器的输出量。　、　、　分　别是ＰＩ【）控制器的比例、积分、微分因子。　３模糊控制器原理　３．１模糊变量　对模糊控制器的设计中，将偏差ｌ　ｅ　ｌ与偏差变　化率ｌ　ｌ设定为模糊控制器的输入，ＰＩＤ控制器　的３个参数作为输出。设定输入输出的模糊语言值　』，ｍＡ　图１卜Ｉ曲线图　２模糊ＰＩＤ温度控制模型　半导体激光器的温度控制电路必须能实现对　半导体激光器的制冷和制热　。　为｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，，　简记为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝。输入　输出变量隶属函数的构造是模糊控制的关键所在，　这里输入输出的隶属函数采用三角形隶属函数。　３．２模糊控制规则　基于模糊ＰＩＤ控制的半导体激光器温度控制系　统是由模糊ＰＩＤ控制器对半导体制冷器（ＴＥＣ）实现　控制，其结构如图２所示。　通常不同的偏差Ｉ　ｅ　Ｉ和偏差变化率Ｉ　Ｐｃ　ｌ控　制器参数　、　、　的整定要求不同，控制规律如　下：当Ｉ　ｅ　ｌ比较小时，为满足系统具有较好的稳定　性，则　和　均应取的大些。同时，考虑系统抗　干扰性能，并为了避免系统在设定值出现振荡，　当Ｉ　ｅｃ　Ｉ较大时　可以取得小些，当Ｉ　ｅｃ　ｌ较小时　可取得大些；当Ｉ　ｅ　Ｉ中等大小时，为了使系统　的超调量变的更小，　应取的小些。在这种情况下，　硒取值的大小对系统的影响会很大，　的取值要适　当；当ｌ　ｅ　Ｉ比较大时，为了使系统能更快地达到稳　图２模糊ＰＩＤ控制结构图　定状态，应取较大的　和较小的　，同时为了不　当半导体激光器工作温度变化时，通过温度传　感器采集信号，与设定温度进行比较得出误差ｅ传　产生较大的超调，应该对积分作用加以限制，通常　取Ｋ￣＝０Ｅ　引。　送给模糊ＰＩＤ控制器，通过控制器的运算得出控制　信号，进行温度的校正，从而使半导体激光器的温　度达到稳定状态。Ｉ　ｅ　Ｉ和ｌ　ｅｃ　Ｉ为模糊ＰＩＤ控制器　的输入，模糊ＰＩＤ控制器可以根据Ｉ　ｅ　Ｉ和ｌ　ｅｃ　ｌ大　模糊控制器通过总结工程技术人员的实际操　作经验和技术知识建立模糊控制表，根据之前介绍　的思想设计而成的△　、ＡＫｉ、ＡＫｄ的模糊控制规则　表如表１所示。　表１　ＡＫｐ、Ａ　、Ａ　的模糊控制规则表　第２期　王忠康等：基于模糊ＰＩＤ控制的半导体激光器温度控制的仿真研究　¨　，　¨　８１　４半导体激光器温度控制的仿真　半导体激光器的温度控制具有很大的热惯性，　本文将半导体制冷器的传递函数看作是一个一阶　惯性环节，这里以文献【１４】中给出的传递函数为例　进行研究，传递函数如式（３）所示。　控制实现了半导体激光器的温度控制，仿真结果表　明，模糊ＰＩＤ有快的响应速度和更小的超调量。应　用于电力系统中的半导体激光器对可靠性和输出　光功率都有很高的要求，模糊ＰＩＤ控制以其优越的　控制性能，能给整个系统带来更高的可靠性和控制　精度。　’　¨　呛　０　Ｇ（　）＝　（３）　参考文献：　［１】谷定燮．我国发展特高压输电的前景［Ｊ］．高电压技术，　在对该系统仿真模型的搭建中，本文用到了　ＭＡＴＬＡＢ中Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境和ＦＵｚＺＹ工具箱，　以单位阶跃信号作为输入代替设定温度，建立了常　规ＰＩＤ与模糊ＰＩＤ控制的模型如图３所示，进行了　仿真实验。　Ｊ　广　帖　图３模糊ＰＩＤ控制仿真图　５　仿真结果　本文对基于模糊ＰＩＤ控制的半导体激光器温度　控制系统进行了仿真，并将仿真结果与常规ＰＩＤ控　制的仿真结果进行了对比，对比结果如图４。　／、　一。《　鼋　，一一。　ｆ　｝　０　５　１０　１５　２。　２５　３０　３５　柏４５　５０　图４模糊ＰＩＤ与常规ＰＩＤ仿真图的比较　由图４可以看出，模糊ＰＩＤ控制和常规ＰＩＤ控　制都能实现对半导体激光器温度的稳定控制，模糊　ＰＩＤ控制的响应时间只需１６　Ｓ，超调量只有１５％，　相对于常规ＰＩＤ控制，模糊ＰＩＤ控制有更快的响应　速度和更小的超调量，使控制系统性能更优越。　６结束语　近３Ｏ年来直流输电的发展很迅速，而高压直　流输电检测设备的核心技术被少数国外企业垄断，　亟需一批国内的自主产权的设备，激光供能的光纤　直流电流传感器很有发展前景。本文使用模糊ＰＩＤ　２００２，２８（３）：２８—３０．　【２】车孝轩．直流输电技术的动向与未来［Ｊ］．高电压技术，　１９９６，２２（３）：９１—９４．　【３】詹奕，尹项根．高压直流输电与特高压交流输电的比较　研究［Ｊ］．高电压技术，２００１，２７（４）：４４—４６．　［４】张艳，李红斌．用于ＨＶＤＣ极线电流测量的光纤电流传　感器［Ｊ］．高压电器，２００６，４２（４）：２９３—２９４，２９７．　［５】张艳，李红斌，张曦，等．一种用于高压直流输电系统　的有源式光纤直流电流传感器［Ｊ］．仪器仪表学报，２００８，　２９（７）：１３８２—１３８６．　【６】Ｐｏｕｌｉｃｈｅｔ　Ｐ，Ｃｏｓｔａ　Ｆ，Ｌａｂｏｕｒｅ　Ｅ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎｅｗ　ｈｉ【ｇｈ—ｃｕｒｒｅｎｔ　ｌａｒｇｅ－ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ＤＣ　ａｃｔｉｖｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｒｏｂｅ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００５，５２（１）：２４３—２５４．　【７】黄攀，高新华，谢善益，等．变压器中性线直流电流监　测系统的设计和应用［Ｊ］．电力系统自动化，２００７，３ｌ（１）：　９６—９９．　［８】高锡明，张鹏，贺智．直流输电线路保护行为分析［Ｊ】．　电力系统自动化，２００５，２９（１４）：９６—９９．　［９邱红辉，李立伟，段雄英，等．用于激光供能电流互感　９】器的低功耗光电传输系统［Ｊ］．电力系统自动化，２００６，２０：　７２—７６．　［１０】涂以鹏，许文海，杨明伟，等．激光供能在光电互感器　中的应用［Ｊ］．仪器仪表学报，２００５，２１（ｓ２）：１５８—１６０，　ｌ６３．　［１１】蔡伯荣．半导体激光器　】．北京：电子工业出版社，　１９９５．　［１２】冯云松，沈佳，路远，等．基于帕尔帖效应的动态红外　迷彩的机理与实现［Ｊ］．红外与激光工程，２０１２（７）：　ｌ６９５—１６９９．　㈣　王睨，陈剑虹，杨佳丽，等．基于模糊ＰＩＤ控制的　ｌｎＧａＡｓ光电探测器的温控系统［Ｊ】．计算机测量与控制，　２０１２（６）：１５ｌ８—１５２０，１５２６．　【１４】张娜，于永力，田小建，等．半导体激光器恒温控制理　论与应用［Ｊ】．吉林大学学报：理学版，２００２，４０（３）：　２８４－２８７．　责任编校：孙林