半導體激光器溫度控制綜述

王忠康　殷冬冬　朱修超

摘 要：溫度對半導體激光器的工作特性有很大的影響，所以對于半導體激光器溫度控制的精度、響應速度要求都比較高。雖然人們已經(jīng)提出了很多控制方法，并且在個別場合已有應用，但是要實現(xiàn)精度、更快響應速度的控制還有很多需要解決。本文對近幾年有關半導體激光器溫度控制的方法，及一些改進措施進行了簡單的介紹，以供從事半導體激光器溫度控制研究的人員參考。

關鍵詞：溫度控制；半導體激光器；PID控制；模糊控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.124

0 引言

半導體激光器在各個領域的應用越來越廣泛，具有很好的應用前景。但是半導體激光器的閾值電流、輸出功率和輸出光波長都很容易受到溫度的影響[1-2]，所以，半導體激光器的使用一般都伴隨著對其溫度的控制。就目前諸文獻顯示表明，對半導體激光器的溫度控制一般使用的執(zhí)行器件是半導體制冷器（TEC）[3]，半導體制冷器是一種集制冷與制熱于一體的電流驅(qū)動溫度控制裝置。對于半導體激光器的溫度控制就是實現(xiàn)對TEC的精確控制。

1 PID溫度控制方法

半導體激光器溫度控制使用最廣泛的控制方法就是PID控制。PID控制是比例、積分、微分控制的簡稱。它是一種線性控制器，根據(jù)給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制。其數(shù)學模型可由下式表示[4]：

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1[5]：

文獻[6]中選用ADI公司的TEC專用控制器ADN8830和TI公司生產(chǎn)的32位定點DSP芯片TMS320F2812分別做為主控芯片，來實現(xiàn)對半導體激光器PID溫度控制，并進行了對比。兩種溫度控制方法的精度都可達到±0.125℃，但基于TMS320F2812的溫控方法達到穩(wěn)定需要的響應時間是180S，而基于ADN8830的控制方法80S就能達到平衡狀態(tài)，并且該方法體積小、功耗低。

文獻[7]中選用單片機PIC16F877A作為主控芯片，實現(xiàn)PID控制，在-40-55℃寬范圍內(nèi)半導體泵浦頭溫度控制精度可達±0.2℃，系統(tǒng)達到穩(wěn)定的響應時間為2min，并且通過三年的野外使用表明系統(tǒng)穩(wěn)定正常。

文獻[8]中選用了Maxim公司推出的專用TEC驅(qū)動器芯片MAX1968作為主控芯片，實現(xiàn)PID控制。該系統(tǒng)在環(huán)境溫度為40℃，設定溫度為25℃時，控制精度為±0.02℃。文獻[9]中選用了Maxim公司推出另一款TEC專用驅(qū)動芯片MAX1978，這款芯片是在MAX1968的基礎上集成了TEC驅(qū)動電路，控制精度可達到±0.005℃。

PID控制能很好的實現(xiàn)半導體激光器的溫度控制，有較高的控制精度和響應速度，易于與PC機通訊，可完成人機接口、實現(xiàn)較復雜的控制算法和數(shù)據(jù)處理，因此，這種控制方法廣泛的被人們使用。

2 模糊控制方法

模糊控制器中，大多數(shù)是選取偏差值e以及它的偏差變化率de/dt作為模糊控制器的輸入變量，而把控制量u作為模糊控制器的輸出變量，因此，它是一個二維模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2：

這樣就確定了模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)，由圖2可知，經(jīng)采樣獲得的輸入量與期望得到的輸出量，由此得到偏差信號e和偏差變化率de/dt，這兩種信號是準確量，它們作為兩個輸入信號送入模糊控制器，經(jīng)過模糊化，兩個輸入信號變成模糊量集合E和EC，再根據(jù)專家經(jīng)驗建立的模糊規(guī)則求出模糊關系，然后，再由模糊關系依據(jù)輸入給出相應的輸出U，這就是推理合成。最后，再模糊判決得到精確的控制量[10]。

模糊控制技術應用于家電產(chǎn)品已是很普遍的現(xiàn)象，但半導體激光器的溫度控制使用這種方法還很少見，目前的文獻中沒有發(fā)現(xiàn)做出實物系統(tǒng)的，大多都是基于simulink進行的仿真。文獻[11]中對這種控制方法使用simulink進行了仿真，單純的模糊控制與控制目標沒有超調(diào)，達到穩(wěn)態(tài)的時間較短，響應時間大約為4s，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1.5%。文獻[12]中同樣對這種控制方法進行了仿真，結(jié)論同樣是沒有超調(diào)，響應時間3s，穩(wěn)態(tài)誤差大約為1.5%。

模糊控制不存在PID方法存在的積分飽和現(xiàn)象。實驗調(diào)節(jié)過程表明，模糊控制較PID控制不僅被控對象參數(shù)變化適應能力強，具有更快的響應、更小的超調(diào)和很強的魯棒性，而且在對象模型發(fā)生較大改變的情況下，也能獲得較好的控制效果[13]。

3 模糊PID控制

自適應模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可控式PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。參數(shù)可控式PID完成對系統(tǒng)的控制，模糊控制系統(tǒng)實現(xiàn)對PID的3個參數(shù)的自動校正[14]。

模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個重要組成部分。計算機根據(jù)所設定的輸入和反饋信號，計算實際位置和理論位置的偏差e以及當前的偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，最后對模糊參數(shù)進行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。結(jié)構(gòu)如圖：

文獻[15]對模糊PID控制進行了仿真，與PID控制進行了對比，相對與PID控制，模糊PID控制具有更小的超調(diào)量、更快的響應速度。并且使用MSP430F149作為主控芯片實現(xiàn)了對半導體激光器溫度的模糊PID控制，控制精度達到了±0.02℃，最大超調(diào)量0.5%，響應時間15s左右。

文獻[16]中使用TMS320F2812芯片作為主控芯片實現(xiàn)了對半導體激光器溫度的模糊PID控制，設置溫度為25℃時控制精度可達±0.1℃，系統(tǒng)的響應時間為100s，超調(diào)量不大于0.5℃。很好的實現(xiàn)了對半導體激光器溫度的控制。

4 基于自抗擾控制器（ADRC）的控制方法

自抗擾控制器（ADRC）采取了PID誤差反饋控制的核心理念。自抗擾控制器主要由三部分組成：跟蹤微分器（tracking differentiator），擴展狀態(tài)觀測器（extended state observer）和非線性狀態(tài)誤差反饋控制律（nonlinear state error feedback law）。自抗擾控制器（ADRC）作為一種非線性控制，能實時估計出對象模型攝動和不確定外擾，并采用特殊的非線性反饋結(jié)構(gòu)予以自動補償，是“不變性原理”和“內(nèi)模原理”的進一步發(fā)展，具有實用性強，精度高，魯棒性強等特點，能較好地解決非線性系統(tǒng)的控制問題[17]。

自抗擾控制器很少被用于半導體激光器的溫度控制，文獻[18]將這種控制方法用于半導體激光器的溫度控制進行了仿真，并且與PID控制進行了對比。相對于PID控制，這種控制方法沒有超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差小，但是響應速度慢，響應時間長。

5 分段控制模式

文獻[19]中提到了一種新的控制方法，來實現(xiàn)半導體激光器的溫度控制。該文獻中使用分段控制的模式，將全部控制空間劃分為三個部分，分別是極限控制區(qū)域、比例控制區(qū)域和自適應控制區(qū)域。在自適應過程中采用二級計數(shù)器自行調(diào)整控制參數(shù)，從而大大提高了控制精度。這種控制模式不需要對控制對象及外界環(huán)境建立復雜的數(shù)學模型，使設計難度大大降低，控制精度大大提高，使設計的可移植性得到改善。控制精度可達±0.1℃，超調(diào)量小，響應速度快。

6 總結(jié)

從目前相關研究人員設計的半導體激光器的溫度控制系統(tǒng)來看，對于半導體激光器的溫度控制已經(jīng)達到很高的控制精度和很快的響應速度，但是隨著技術的發(fā)展，對于控制要求越來越高，半導體激光器溫度控制仍有研究的必要，以滿足新環(huán)境下的技術要求。

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