模糊自適應PID在大功率半導體溫度控制中的應用

□ 尹振紅

一、引言

現代科學技術正在迅速發展，半導體激光器以其重量輕，體積小，價格低，功耗低，結構簡單，方便調試等特點，廣泛應用于激光測速，遠距離傳輸，激光雷達，激光制導跟蹤，激光通信等國防建設和國民經濟的各個領域。但是，其輸出波長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，其溫度和使用的時間變化可以使輸出功率產生漂移，所以我們要對半導體激光器的溫度進行控制，使其盡量工作在恒定溫度下，這樣溫度控制是非常必要的。當然，進行恒溫控制的方法也有很多，本文主要對大功率半導體激光器的溫度實現傳統PID和模糊自適應PID，并對其進行仿真分析，利用模糊控制來提高系統的魯棒性，利用傳統PID來提高系統的控制精度。

二、半導體激光器的溫度控制系統

雖然半導體激光器是一種高效率的電子-光子轉換器件，但是因為各種非輻射復合損耗、自由載流子吸收等損耗機制的存在，使其外微分量子效率只能達到20% ～30%，這表明有大量注入的電功率將轉化為熱量，引起激光器溫度升高。半導體的溫度升高會使閾值增加，輸出功率減小;當注入電流相等時，溫度高的激光器對應的正向壓降也大，這會給恒流源的設計帶來不便;所以對半導體進行溫度控制十分必要，這里采用半導體制冷器(TEC，Thermoelectric Cooler)對半導體進行制冷和溫度控制。

半導體溫度控制框圖如圖1所示，把半導體激光器，制冷器和測量變送環節作為廣義環節，由實驗方法得出廣義環節的數學模型

圖1 半導體溫度控制框圖

三、溫度控制系統仿真分析

(一)傳統PID控制系統。在控制系統中引入比例部分，它可以快速成比例地反映控制系統的偏差信號e(t)，然后最快地產生控制作用，使偏差向最小的方向變化。隨著比例系數的增加，穩定誤差逐漸減小，但這時它的動態性能會變差，會產生比較嚴重的振蕩，會使超調量增加;引入積分部分可以消除靜差，積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，時間常數Ti越大其積分作用越弱，而時間常數Ti越小其積分作用越強;隨著積分時間常數Ti的減小，靜差也在減小;但過小的積分常數會使系統振蕩劇烈，甚至使系統失去穩定性;引入微分部分可以改善系統的穩定性和動態響應速度，它可以預測將來，能反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號值發生過大的改變之前給系統提供一個有用的早期修正信號，進而使系統的動態響應速度加快，使調節時間減小，圖2為傳統PID控制框圖。

圖2 傳統PID控制框圖

根據不同的被控對象，調整比例積分微分參數，可以得到很好的控制效果，這種方法簡單，調控參數方便，一直是應用比較廣泛的算法，但是對于時變系統它的控制功能會變差，而且它不具備在線調整比例積分微分參數的功能，不能夠在不同偏差和不同偏差變化下進行PID參數的自整定。

圖3 模糊自適應PID控制框圖

(二)模糊自適應PID控制系統。模糊自適應PID控制的主要思路是:在系統運行時不斷檢測偏差和偏差變化率，根據比例積分微分三個參數和以上兩個參數的模糊關系在線調整比例積分微分，使其滿足偏差和偏差變化率不同時對控制參數的不同要求。模糊自適應PID控制框圖如圖3所示，其子系統Subsystem框圖如圖4所示。

(三)傳統PID控制與模糊自適應PID控制仿真。傳統PID控制系統與模糊自適應PID控制系統在單位階躍下的仿真曲線如圖5所示，模糊自適應PID明顯比傳統PID控制的超調量小了，相應時間變小，具有良好的動態和靜態性能。

圖4 Subsystem仿真結構圖

圖5 傳統PID控制與模糊自適應PID控制仿真曲線

［1］馬驍宇，王俊，劉素平．國內大功率半導體激光器研究及應用現狀［J］．紅外與激光工程，2008

［3］安龍華．LD抽運固體激光器控制系統的研究與開發［D］．西安理工大學，2007

［4］姚建銓．我國全固態激光技術研發情況及發展趨勢［J］．光學與光電技術，2007

［5］張娜．大功率半導體激光器穩恒控制系統研究與設計［D］．吉林大學，2003