遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DFB激光器溫控系統(tǒng)

摘 要： 針對DFB激光器溫度控制系統(tǒng)普遍存在的非線性和延遲性等問題，提出了基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，采用微處理器作為系統(tǒng)的處理器核心設(shè)計(jì)了溫度控制系統(tǒng)，并利用鉑電阻、TEC半導(dǎo)體制冷器、溫度敏感器和溫控執(zhí)行器作為控制單元，再通過構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正模型分析被控對象的物理特性，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)控制律的映射，同時(shí)利用遺傳算法的快速搜索能力訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)。最后，對設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該系統(tǒng)的溫度控制精度為±0.002 ℃，控制范圍為5～70 ℃，超調(diào)量低于8%，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和寬范圍的控制效果，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： DFB激光器； 遺傳算法； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 溫度控制

中圖分類號(hào)： TN249?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）15?0164?03

Abstract： To solve the problems of nonlinearity and delay property existing in DFB laser temperature control system， the composite control structure based on genetic algorithm and neural network is proposed. In the system， the microprocessor as the system core processor is used to design the temperature control system， and the Pt resistance， TEC semiconductor refrigerator， temperature sensor and temperature control actuator are used as the control units. The neural network positive model was constructed to analyze the physical characteristics of the controlled object. The neural network control is used to map the control laws， and the fast searching ability of genetic algorithm is used to train the weight coefficient of neural network. The designed system was verified with the experiment. The results show that the temperature control accuracy of the system is ±0.002 ℃， the range of temperature control is 5～70 ℃， the overshoot is less than 8%， the designed system can realize the control effect of high precision and wide range， and has better engineering application value.

Keywords： DFB laser； genetic algorithm； neural network； temperature control

0 引 言

激光檢測技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在許多工業(yè)領(lǐng)域，其中分布式（DFB）激光器的波長能夠有效匹配甲烷和一氧化碳等氣體的吸收峰，所以在很多領(lǐng)域利用它來檢測氣體的濃度。DFB激光器的波長主要與電流和溫度有關(guān)，當(dāng)電流保持不變時(shí)，DFB的波長與溫度的變化關(guān)系[1?3]為0.2～0.3 nm/℃。因此，為了提高氣體的檢測精度，必須確保DFB激光器發(fā)光的波長準(zhǔn)確且穩(wěn)定，需要對它的溫度進(jìn)行精確控制[4?7]。

國內(nèi)外有很多生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)都在研究如何在較寬的溫度范圍內(nèi)提高DFB激光器的溫度控制精度。目前，國外的產(chǎn)品一般能夠在-50～100 ℃的環(huán)境下正常工作，且控制精度不低于0.001 ℃。國內(nèi)的產(chǎn)品一般只能在常溫下工作，控制精度[8]僅為0.05～0.1 ℃。本文針對DFB激光器溫度控制系統(tǒng)普遍存在的非線性和延遲性等問題，利用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在較寬的范圍內(nèi)對溫度進(jìn)行高精度穩(wěn)定控制的效果。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案

設(shè)計(jì)的基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DFB激光器溫度控制系統(tǒng)主要由鉑電阻、恒流源、信號(hào)調(diào)整、驅(qū)動(dòng)電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、控制器、LED顯示和上位機(jī)等組成，總體框圖如圖1所示。

激光器的溫度變化由溫度傳感器鉑熱電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)整和A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)送給微處理器，與上位機(jī)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較計(jì)算得到偏差，再將該偏差信號(hào)由數(shù)字控制器處理和調(diào)整之后，經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)入執(zhí)行器件，對被控對象加熱或者制冷，從而將DFB激光器的溫度控制在特定值。

1.2 溫度測量和處理

采用鉑電阻Pt100作為系統(tǒng)的溫度傳感器，它具有工作溫度范圍大和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。給鉑電阻加載恒定的微小電流（1 mA左右），再通過測量鉑電阻兩端的電壓來獲取溫度信號(hào)。對電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，使用的芯片為ICL7109，分辨率高達(dá)244 ppm，能夠直連微處理器，轉(zhuǎn)換的速度為30次/s。在微處理器的控制下，電壓信號(hào)由多路開關(guān)經(jīng)ICL7109實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，參考溫度的信號(hào)由上位機(jī)和電位器分壓得到。

在微處理器上對實(shí)際溫度與參考溫度進(jìn)行比較，它們的差值由微處理器上設(shè)定的控制算法進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832處理和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件工作。這里的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為雙極性輸出，可以提供正向和反向的電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)加熱或者制冷。

1.3 TEC驅(qū)動(dòng)

采用熱電制冷器（TEC）作為系統(tǒng)的溫度控制執(zhí)行器件。根據(jù)珀耳帖效應(yīng)，當(dāng)給TEC通過不同方向的電流時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)TEC的制冷或加熱，而調(diào)節(jié)它的電流大小即可改變它的加熱或者制冷的輸出大小[9]。為了快速地控制TEC的電流，采用MAX1968型的控制芯片，它能夠直接控制電流，具有消除浪涌電流和減小噪聲干擾的優(yōu)點(diǎn)。它內(nèi)置有基準(zhǔn)電壓源，當(dāng)電壓大于基準(zhǔn)值時(shí)，實(shí)現(xiàn)加熱的效果；相反，實(shí)現(xiàn)制冷的目的。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)控制

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正模型

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由前述的分析來設(shè)計(jì)DFB激光器的溫度控制系統(tǒng)，并用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。選取初始種群為60個(gè)染色體，其中每個(gè)染色體均有25個(gè)權(quán)系數(shù)，它們的變化范圍為[[-2，4]]，進(jìn)化代數(shù)的最大值為40代。實(shí)驗(yàn)室溫度的初始值為20 ℃，設(shè)定期望的DFB激光器溫度值分別為5 ℃，15 ℃，40 ℃和70 ℃，從零時(shí)刻啟動(dòng)溫度控制過程，得到不同目標(biāo)溫度控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3～圖6所示。

從圖3～圖6中可以看出，基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法可以使得DFB激光器的實(shí)際溫度達(dá)到預(yù)期設(shè)定的溫度值。對于低于室溫的溫度控制，超調(diào)量為8%，控制精度為±0.002 ℃；對于高于室溫的溫度控制，沒有超調(diào)量，控制精度為±0.001 7 ℃。因此，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)DFB激光器工作溫度的精確控制，穩(wěn)定度較高。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的DFB激光器溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)使用微處理器、鉑電阻和TEC半導(dǎo)體制冷器分別作為處理器、溫度敏感器和溫控的執(zhí)行器件，通過構(gòu)建復(fù)合控制結(jié)構(gòu)，能夠使得系統(tǒng)的輸出達(dá)到期望值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)DFB激光器溫度的高精度和穩(wěn)定控制，控制精度和控制范圍分別能夠達(dá)到±0.002 ℃和5～70 ℃，超調(diào)量低于8%，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

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