模糊自適應(yīng)PID在大功率半導(dǎo)體溫度控制中的應(yīng)用

□ 尹振紅

一、引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)正在迅速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器以其重量輕，體積小，價(jià)格低，功耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便調(diào)試等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光測(cè)速，遠(yuǎn)距離傳輸，激光雷達(dá)，激光制導(dǎo)跟蹤，激光通信等國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。但是，其輸出波長(zhǎng)隨著溫度的變化而變化，一方面影響激光器的使用壽命，另一方面，其溫度和使用的時(shí)間變化可以使輸出功率產(chǎn)生漂移，所以我們要對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度進(jìn)行控制，使其盡量工作在恒定溫度下，這樣溫度控制是非常必要的。當(dāng)然，進(jìn)行恒溫控制的方法也有很多，本文主要對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器的溫度實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PID和模糊自適應(yīng)PID，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，利用模糊控制來(lái)提高系統(tǒng)的魯棒性，利用傳統(tǒng)PID來(lái)提高系統(tǒng)的控制精度。

二、半導(dǎo)體激光器的溫度控制系統(tǒng)

雖然半導(dǎo)體激光器是一種高效率的電子-光子轉(zhuǎn)換器件，但是因?yàn)楦鞣N非輻射復(fù)合損耗、自由載流子吸收等損耗機(jī)制的存在，使其外微分量子效率只能達(dá)到20% ～30%，這表明有大量注入的電功率將轉(zhuǎn)化為熱量，引起激光器溫度升高。半導(dǎo)體的溫度升高會(huì)使閾值增加，輸出功率減小;當(dāng)注入電流相等時(shí)，溫度高的激光器對(duì)應(yīng)的正向壓降也大，這會(huì)給恒流源的設(shè)計(jì)帶來(lái)不便;所以對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行溫度控制十分必要，這里采用半導(dǎo)體制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行制冷和溫度控制。

半導(dǎo)體溫度控制框圖如圖1所示，把半導(dǎo)體激光器，制冷器和測(cè)量變送環(huán)節(jié)作為廣義環(huán)節(jié)，由實(shí)驗(yàn)方法得出廣義環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

圖1 半導(dǎo)體溫度控制框圖

三、溫度控制系統(tǒng)仿真分析

(一)傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)。在控制系統(tǒng)中引入比例部分，它可以快速成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，然后最快地產(chǎn)生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數(shù)的增加，穩(wěn)定誤差逐漸減小，但這時(shí)它的動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差，會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的振蕩，會(huì)使超調(diào)量增加;引入積分部分可以消除靜差，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，時(shí)間常數(shù)Ti越大其積分作用越弱，而時(shí)間常數(shù)Ti越小其積分作用越強(qiáng);隨著積分時(shí)間常數(shù)Ti的減小，靜差也在減小;但過(guò)小的積分常數(shù)會(huì)使系統(tǒng)振蕩劇烈，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性;引入微分部分可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，它可以預(yù)測(cè)將來(lái)，能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，并能在偏差信號(hào)值發(fā)生過(guò)大的改變之前給系統(tǒng)提供一個(gè)有用的早期修正信號(hào)，進(jìn)而使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度加快，使調(diào)節(jié)時(shí)間減小，圖2為傳統(tǒng)PID控制框圖。

圖2 傳統(tǒng)PID控制框圖

根據(jù)不同的被控對(duì)象，調(diào)整比例積分微分參數(shù)，可以得到很好的控制效果，這種方法簡(jiǎn)單，調(diào)控參數(shù)方便，一直是應(yīng)用比較廣泛的算法，但是對(duì)于時(shí)變系統(tǒng)它的控制功能會(huì)變差，而且它不具備在線調(diào)整比例積分微分參數(shù)的功能，不能夠在不同偏差和不同偏差變化下進(jìn)行PID參數(shù)的自整定。

圖3 模糊自適應(yīng)PID控制框圖

(二)模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)。模糊自適應(yīng)PID控制的主要思路是:在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不斷檢測(cè)偏差和偏差變化率，根據(jù)比例積分微分三個(gè)參數(shù)和以上兩個(gè)參數(shù)的模糊關(guān)系在線調(diào)整比例積分微分，使其滿足偏差和偏差變化率不同時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求。模糊自適應(yīng)PID控制框圖如圖3所示，其子系統(tǒng)Subsystem框圖如圖4所示。

(三)傳統(tǒng)PID控制與模糊自適應(yīng)PID控制仿真。傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)與模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)在單位階躍下的仿真曲線如圖5所示，模糊自適應(yīng)PID明顯比傳統(tǒng)PID控制的超調(diào)量小了，相應(yīng)時(shí)間變小，具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。

圖4 Subsystem仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 傳統(tǒng)PID控制與模糊自適應(yīng)PID控制仿真曲線

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