激光器电源高精度温度控制器系统与算法研究.docx

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1、激光器电源高精度温度控制器系统与算法研究 激光器电源的高精度温度限制器 系统与算法的探讨 激光器电源的高精度温度限制器系统与算法的探讨 摘 要 激光器是二十世纪最重要的独创之一，激光器的运用极大地变更了人们的生活方式。但是在实际生产生活中，在稳定性、耐用性等方面对激光器要求极为苛刻，特殊是在温度限制系统方面。温度的微小偏差会导致激光器输出的波长以及频率受到影响，从而影响正常运用。一般来说，温度变更1摄氏度，波长变更0.2-0.3nm，因此须要实现对激光器电源温度的高精度限制。 本文主要设计了一种高精度温度限制系统。在算法方面，本设计采纳了模糊PID限制算法，该算法兼具了模糊限制的强抗干扰实力以

2、及PID限制算法消退稳态误差两者的优点。同时，该算法通过了在MATLAB软件SIMULINK工具箱进行系统仿真论证。最终依据仿真结果，搭建了以STM32为限制核心的温度限制系统，并且通过精密调整TEC的电流大小和方向，实现了对温度的高精度限制。 关键词：激光器; STM32; 模糊限制; PID限制 The Research of Algorithm and Programming on Temperature Control System of Laser Diode Abstract Laser is one of the most important inventions of the

3、20th century, and it has vastly changed peoples lifestyle. However, its extremely demanding in terms of stability and durability in actual production, especially the temperature control systems. In addition, even though the little change of temperature will alter the output of lasers wavelength and

4、frequency, then affecting normal use of laser. According to the data, for each degree Celsius of the temperature of the laser, 0.2-0.3nm of the wavelength will alter. Therefore, it is necessary to control the temperature of laser diode with high-precision. This paper presents a high-precision temper

5、ature control system of the laser. In algorithm and programming, the laser uses the fuzzy PID control algorithm, which has both the strong anti-interference ability of fuzzy control and the advantages of PID control algorithm. To take it a step further, the algorithm has been demonstrated in the SIM

6、ULINK toolbox of MATLAB software. Finally, according to the result of simulation, a temperature control system with STM32 as the control core was set up, and the precise control of the current and direction of the TEC was achieved high-precision temperature control. Keywords: Laser; STM32; fuzzy con

7、trol; PID control 书目 1 前言 1 1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求 1 1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题 1 1.3本设计应解决的主要问题 2 2激光器电源温度限制系统算法的探讨 2 2.1 PID限制原理理论 2 2.2 智能限制 4 2.3系统算法设计 9 3温度限制系统的设计 10 3.1温控系统总体框架 10 3.2温度系统硬件总体介绍 11 3.3单片机软件处理模块设计 13 4系统仿真 15 4.1 MATLAB及SIMULINK的简介 15 4.2系统仿真过程 15 总结和展望 18 参考文献 20 谢 辞 21 附 录 22 1 前言

8、20世纪90年头末，伴随着工业革命以及Internet的逐步普及，各大工业领域旺盛发展，其中，光纤通信行业在整个领域中呈现发展迅猛的状态，光电子行业的旺盛对经济、科研、军事、医疗等各个领域起着不行替代的作用，工业的发展越来越离不开激光器。其中由砷化镓、砷化镉、硫化锌等半导体材料作为工作物质的半导体激光器受到人们的大力欢迎，其效率可以达到20-40%，同时它具有转换效率高、集成度高、体积小、价格低等优点，成为了信息技术领域中必不行少的核心器件，并且它被广泛应用于光纤通信、光盘、激光雷达等1。 半导体激光器是将电子转化为光子的器件，在工作过程中经常会伴有各种非辐射以及各种载流子的损耗。这种损耗会导

9、致激光器电源温度上升，系统温度的上升进而导致激光器的输出波长以及光损耗等各个方面受到严峻影响。在目前量产的半导体激光器中，在电流恒定且环境湿度恒定的状况下，激光器电源系统温度每上升一度，激光器输出的波长会大约增加0.2-0.3nm2。同时，由于激光器工作过程中热损耗很大，这种损耗大约占总功耗的50%-70%，若没有刚好地温度下降措施，会导致芯片温度快速上升，造成系统不稳定以及寿命降低，所以给激光器电源一个稳定并且快速的温度限制系统特别重要。在目前激光器的发展中，由于温度限制精度的限定，激光器的应用在将来还有广泛的空间。因此，须要不断设计并试验，不断提高激光器温度的限制精确度。1.1本设计的目的

10、、意义及应达到的技术要求 在实际生产生活中，大部分工业限制系统采纳PID限制系统或者模糊限制系统。但是由于实际生产往往具有许多不确定的因素，上述两种限制模式均存在肯定的局限性，例如PID限制器较难建立精确的数学模型，模糊限制难以消退稳态误差。在这种状况下，设计一种新型的限制系统，对限制理论实际应用发展有着特别重要的意义。1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题 国内外许多公司、学校以及探讨所都致力于提升激光器输出波长的稳定性及系统的耐用性，并不断改善半导体激光器的温度限制系统的核心限制算法。目前，国外如WAVELENGTH、THORLABS等公司生产的激光器温度限制系统辨别率可以达到0.00

11、1摄氏度，长期稳定性限制在0.005摄氏度以内，并且具有性能高、价格低等特点3。相比之下，国内生产的激光器温度限制系统测温精度只能达到0.02摄氏度左右，辨别率较低，须要大力改进，同时半导体激光器系统的工作稳定性、牢靠性、算法等方面都须要改善，才能让激光器得到更加广泛的应用。半导体激光器发光原理是依据固体的能带理论，通过肯定的激励使得能带与杂质能级之间产生受激反射作用，采纳载流子复合发光的方式4。这种发光方式导致了半导体激光器在工作时会产生较多热量，而这部分热量假如没有得到刚好得散发，将会影响系统主控板的温度，导致系统不稳定，从而导致LD的输出功率和波长受到影响，除此之外，也影响设备的运用年限

12、。故为了能够让半导体激光器输出稳定在目标输出波长，须要精确限制激光器LD二极管的温度，在温度出现波动能够刚好调整，严格削减LD输出工作波长的波动。因此，为了能够让半导体激光器得到更进一步的应用，须要致力于改善激光器的温度限制系统，依据自动限制理论，不断开发新算法，实现高精度温度限制。除此之外，提高半导体激光器温度限制精度、设计更优限制算法，不仅能够提高激光器的应用，同时也能促进信息、航空航天等领域的发展，同时对光通信等行业的进一步发展有着深远的学术价值。1.3本设计应解决的主要问题 本文主要对激光器温度限制算法的探讨，预期限制精度达到0.1摄氏度。本设计首先基于自动限制理论，设计温度限制模型，

13、在此基础上探讨目前工业上运用较多的PID算法、模糊限制算法，以及查阅文献了解目前温度限制系统的算法优化状况，通过分析各个算法的优缺点，以及结合工程上会出现的状况，设计了一种模糊PID限制算法。同时分析激光器在工程实际生产中可能会出现的一些干扰状况，最终在MATLAB中的SIMULINK工具下模拟仿真算法对温度模型的限制效果，并且通过实物调试，不断优化，从而实现对激光器电源的高精度温度限制，达到预期目标。 2激光器电源温度限制系统算法的探讨 （1）本文在充分了解恒温限制系统的限制需求后，通过查阅相关资料，并依据自动限制原理，设计半导体激光器温度限制系统，运用MATLAB软件功能下SIMULINK

14、功能建立仿真模型，并不断优化算法。经过仿真，不断优化参数，最终得到兼具调整时间较短，超调量小，无稳态误差的高精度温度限制系统，以保证激光器输出牢靠、稳定的波长。 （2）本设计采纳STM32f103作为主控芯片，运用半导体TEC的制冷和加热功能调整系统温度，依据设定温度以及实际温度，单片机输出限制信号变更TEC工作的电流大小和方向，不断对激光器电源温度系统的温度进行调整至设定温度，确保激光器处于正常的输出状态。本设计主要探讨PID算法、模糊限制算法及模糊PID算法，运用传递函数的形式，分析他们各自的限制精度以及优缺点，最终确定最优的传递函数。2.1 PID限制原理理论 在平常生产中，为了提高生产

15、效率以及削减人力成本，同时完成困难繁琐精密的工作，常常会应用自动限制系统来提高效益。在自动化限制系统中，有反馈限制、前馈限制、依次限制等方式，其中PID限制系统是前馈限制系统是实际生产中特别常用的一种限制系统，其限制全称为比例积微分限制5。依据PID系统的属性，它的算法较为简洁且鲁棒性好，同时又因为它具有牢靠性高的优点，故PID算法深受研发人员的青睐，被广泛运用于精度要求不高的工业限制中。在实际的应用领域中，PID限制系统的设计一般都是在微限制器或者计算机的条件下进行，依据限制要求，调整PID限制器的三个参数，调整并优化限制系统。2.1.1 PID限制原理介绍 PID限制系统是闭环限制中的一种

16、，系统运行时依据被控对象反馈限制信号进行调整，其结构主要由PID限制器、执行器、受控对象等部分组成，其详细流程图如图2-1所示。其中PID限制器由比例环节、积分环节、微分环节三个环节线性叠加组成。在设计过程中，通过不断验证并优化这三个环节的参数，达到稳定性、快速性、精确性三个要求的最优效果。 图2-1 PID限制流程图 PID属于线性限制器的一种，一般以偏差值作为输入信号，其中偏差值e(t)由期望值r(t)和实际输出y(t)相减得到 et=rty(t) 微限制器将获得的偏差值进行比例、积分、微分运算，计算完成后将获得的三个值进行线性组合构成限制量，输出到被控对象，以改善系统的动态性能，其限制算

17、法可以表示为： ut=et+01etdt+TDde(t)dt 表示为传递函数的形式为： Gs=U(s)E(s)=KP(1+1TIs+TDs) 其中，Kp为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数。 比例调整作用：比例调整起到了信号放大的作用，在限制过程中，比例限制部分加快系统响应速度。在系统偏差产生的时候，比例环节的运用使被控量朝着偏差减小的方向调整，使系统能够稳定地输出所需信号。比例系数太小会导致系统调整力度较小，在出现较大干扰的状况下，无法刚好复原设定值，调整时间较长；而增大比例系数可以增加系统的灵敏度，但是过大的比例系数会增加系统震荡次数，导致系统稳定性大幅降低。同时，仅靠比例环

18、节几乎很难达到系统志向的限制状态，在系统只存在比例环节限制的时候，系统会存在稳态误差，动态性能较低。积分调整作用：积分环节在限制过程中主要起到一个消退稳态误差的作用。积分环节的运用能够提高系统的无差度，但是积分调整与比例环节存在一个90度的相位滞后，会使得系统稳定性相对降低。在设备工作过程中，系统不断比较设定温度值于系统温度值，只要二者存在偏差，积分器便会始终作用。在积分调整的运用中，需留意积分环节会使调整器和调整反应速度降低。微分调整作用：微分环节具有超前调整的实力，它的相位比比例限制超前90度，能够预知系统偏差的改变趋势，能够较好地缩小系统地调整时间，当系统偏差速度改变的时候，微分环节朝偏

19、差速度减小的方向起作用。2.1.2 PID限制算法的改进 由于计算机只能处理量，故计算时须要对PID算法进行数字化处理，系统运行中须要不断对e(t)进行累积，会造成系统计算量过大，因此须要将位置式PID算法优化为增量式PID算法，即： un=KPen+TTIen+TDTenen1 增量式PID算法不仅能够削减处理器的计算量，同时由于该算法的限制量只是由最近几次采样值确定，因此增量式PID限制算法能够较为精确地推断系统当前地状态，进一步的能够获得较好的输出状态。并且当系统不稳定，处理器计算存在误差或计算精度较低时，由于输入参数只是最近几次采样值的偏差，故对限制对象的影响较小，动态性能提升，使得系

20、统的抗干扰实力得到提高。参数整定是PID限制中最核心的部分，也是PID算法中最困难的部分，不同的参数整定方法干脆反应系统的调整精度及品质。其中整定方法中较为常用的主要有动态特性参数法、临界比例度法、阅历试凑法等，在实际应用中，须要被控量的输出波形，多次调试直到获得较满足的限制参数6。2.2 智能限制 智能限制代表着工业的发展水平，从二十世纪中叶以来，自动限制理论经验了“经典限制理论”、“现代限制理论”、“大系统理论”和“智能限制理论”四大阶段，并且在工程中得到广泛运用7。随着工业4.0的普及和机器人更多地取代人类的工作，智能限制的蓬勃发展是当今社会发展的必定趋势。智能限制是一门新兴的多学科限制

21、技术，由于它限制精度更高、限制更加智能，在成熟的限制系统中得到越来越多的运用。智能限制包含了模糊限制、神经网络限制、专家限制、遗传算法等多种限制技术，在工程中依据限制需求选择合适的智能限制算法，并且依据实际限制效果不断调整，更进一步提高生产效率与生产质量。2.2.1模糊限制 在实际的生产过程中，工程设备经常会出现未知的、不确定的、不规则的干扰，因此常规的限制模型是难以适应这种模式的。但依据生活的各种不规则之中又存在着一些确定的关系。模糊限制是在建立模糊模型的基础上，依据fuzzy理论，将确定性领域扩大到模糊领域，运用模糊语言及模糊推理手段，实现系统稳定输出的限制算法8。其中，系统模糊模型须要运

22、用到模糊语言和规则描述学问，依据人的手动决策运用语言加以描述并总结成ifthen语句，它们反映了一个系统的动态特性并且影响着系统的性能指标。在传统的限制系统中，限制器的设计要基于确定的参数的数学模型，运用模型对实际工程进行模拟，但是在实际生产运作中，存在许多来自外界的，不确定的干扰，这些经常使我们的限制系统变得不稳定，建立精确的数学限制模型显得非常困难。因此，设计一种模糊限制的数学限制模型有着特别大的意义。一般来说，模糊限制系统由模糊限制器、输入输出接口装置、广义对象以及传感器四部分组成，其基本结构图如图2-2所示。图2-2 模糊限制系统基本结构图 模糊限制器：模糊限制器以模糊推理为基础，在系

23、统中起模糊决策的作用，是整个模糊限制算法中最核心的组成成分，它的主要部分是微型计算机或微型限制器，在系统运行中起着数据处理的作用。在实际的工程运用中，可以跟据限制精度选择合适的限制器，限制器可以是单片机，本设计中运用的是STM32单片机。输入输出接口装置：获得传感器传回的数字信号，依据模糊计算规则，将详细数据进行模糊化处理得到模糊输入信号，并传送到模糊限制器进行处理运算后，输出限制信号，最终通过执行器限制被控对象。广义对象：广义对象由被控对象和执行机构两大部分构成。其中被控对象通常带有各种不确定干扰，这些干扰会导致输出的不稳定。执行机构的作用为依据传感器获得的被控对象的改变，快速、精确将被控对

24、象调整为正常状态。传感器：传感器是获得被控对象参数的一种装置，将获得到的测量信息进行处理、传输和存储等，通常将非电量转化为电信号。在各种类型的限制过程中，传感器起着至关重要的作用，它读取系统当前状态的精确性将干脆影响系统的限制精度。模糊限制系统须要实际的工程阅历建立模糊规则，并依据工厂中工程师的限制决策建立模糊决策，这个模型的建立须要长期的积累，因此，模糊限制系统的限制质量很大一部分取决于模糊规则的制定以及最终的模糊决策。2.2.2模糊限制器 在模糊限制系统的设计过程中，核心部分是模糊限制器的设计，该限制器仿照人工限制的工作方式大大提高了限制质量。在工作过程中，它起到将输入信号进行模糊化处理，

25、以及进行模糊推理合成和解模糊的作用，其基本结构图如图2-3所示。功能详细实现过程，首先是将传感器得到的以及计算机获得的精确量数字信号转化为模糊量信息；然后跟据在工程实际生产中研发人员的限制阅历或者策略对模糊量信息进行模糊推理及模糊处理，再由系统输出接口输出限制的精确量信息；最终输出的精确量限制信息传送给执行器作用于被控对象，使限制系统正常工作。 图2-3 模糊限制器基本结构图 模糊限制器的输入变量的维数影响着系统的限制精度，在实际工程中，模糊限制器输入维度越高能够干脆使得系统限制精度越高，在此状况下，模糊规则的设计及模糊决策的设计会更困难，比较难实现。因此在一般状况下，研发人员选用二维模糊限制

26、器进行系统限制9。 2.2.2模糊PID限制技术 传统的PID能够消退稳态误差，并且具有简洁、稳定性好等优点，但是它不能在线整定参数，故它无法很好地适应非线性、时变系统。而模糊限制能够对计算机获得的数据进行模糊化处理，但是它很难消退系统的稳态误差，模糊限制的设计缺乏系统性，动态品质较差，难以达到高精度的限制要求。在高精度的工业限制中，假如将PID与模糊限制算法相结合，二者所形成地模糊参数自整定PID限制器便很好地解决了上述问题。此过程须要依据限制阅历，建立模糊限制的隶属度函数对增量式PID的三个参数进行整定。模糊PID的限制思路：首先依据温度传感器传回的系统温度以及系统预先设定好的温度进行处理

27、，得到温度差e(t)以及温度差改变率d（e），然后通过模糊pid算法，选取较为合适的KP、KD、KI，并给出输出限制量，实现对系统温度的限制。详细实现过程如下： （1）创建模糊PID限制器 在模糊PID限制中，输入信号e(t)为： et=rty(t) 误差改变率d（e）： de=etet1 本设计首先假设误差e(t)论域为(-3,3)，即误差e(t)的详细值只可取在-3到3之间，然后将温度差划分模糊等级为 NB(负大),NM(负中),NS(负小),ZO(适中),PS(正小)，PM(中), PB(正大) 左右对称的7级。其次步对温度差改变率d（e）作同样的操作，将d（e）论域设为(-1,1)，模

28、糊等级 NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB 。则获得输入量的表为： 论域 模糊等级 e(t) （-3，3） NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB d（e） （-1，1） NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB 表2-1 输入量与模糊等级表 对于Kp, Ki, Kd三个输出量的表为： 论域 模糊等级 Kp （0，10） ZO,PS PM,PB TI （0，10） ZO,PS PM,PB TD （0，10） ZO,PS PM,PB 表2-2 输出量与模糊等级表 （2）建立隶属度函数 隶属度函数是用于表征模糊集合的数学工具。隶属函数的设计有许多种，一般有高斯型、一般钟型、梯型、三角形等类

29、型，不同的隶属度函数对限制效果产生不同的影响10。本设计依据专家阅历法采纳三角形隶属度函数，函数关系如图2-4所示： 图2-4 三角形隶属度函数规则图 （3）创建模糊规则表 依据上述步骤所建立的三角型隶属度函数，创建误差与误差改变率的模糊规则表，详细如表2-3所示。 KP、KI、KD E(t) NB NM NS ZO PS PM PB d（e） NB PB、ZO、PS PB、PS、PS PM、PB、PM PS、PB、PB PM、PB、PM PB、PS、PS PB、ZO、PS NM PB、ZO、PS PB、PS、PS PM、PB、PM PS、PB、PB PM、PB、PM PB、PS、PS PB、

30、ZO、PS NS PB、ZO、PS PM、ZO、PM PS、PM、PB ZO、PB、PB PS、PM、PB PM、ZO、PM PB、ZO、PS ZO PB、ZO、PS PM、ZO、PM PS、PM、PB ZO、PB、PB PS、PM、PB PM、ZO、PM PB、ZO、PS PS PB、ZO、PS PM、ZO、PM PS、PM、PB ZO、PB、PB PS、PM、PB PM、ZO、PM PB、ZO、PS PM PB、ZO、PS PM、PS、PS PM、PB、PM PS、PB、PB PM、PB、PM PB、PB、PS PB、ZO、PS PB PB、ZO、PS PM、PS、PS PM、PB、PM

31、PS、PB、PB PM、PB、PM PB、PS、PS PB、ZO、PS 表2-3 模糊限制规则表 2.3系统算法设计 系统首先通过温度传感器读回的模拟信号，进行AD转换，获得系统当前温度值与系统温度的设定值进行比较，通过微限制器计算得出温度偏差以及偏差改变率的精确量。将上述步骤获得的结果作为模糊限制器的输入，通过对此精确量进行模糊化，并经过微限制器预先储存好的模糊规则以及模糊运算等各个步骤，最终获得PID的三个限制参数；通过PID计算后，输出对TEC的限制量。算法系统框图如2-5所示。 图2-5 模糊自整定PID参数限制系统框图 2.3.1 模糊化 模糊PID限制系统中，模糊限制器的作用为输出

32、PID限制的三个参数，其工作过程运用的是模糊量数值。限制器通过对模糊量的运算合成等方式，实现对系统的限制，而计算机读取的数据为精确值，故须要对计算机的精确量进行模糊化处理。模糊化的详细过程首先是将系统中温度传感器采样到的值变成模糊语言变量的语言值。算法的隶属函数在大部分状况下，选用三角形、梯型、高斯型的分布，限制器输入数值的隶属度由隶属函数图确定。当我们通过给定元素的隶属度函数后，就完成了对输入信号的模糊化处理。对于已经完成模糊化的数字信号，进行下一步的模糊运算。 2.3.2模糊限制规则 模糊规则须要依据实际得限制阅历得到，在实际中由工厂工程师以及操作人员操作阅历总结得到，通过运用模糊语言的描

33、述得到模糊条件语句的集合，因此模糊规则干脆确定限制系统的品质，须要长期不断地积累。在工厂中，将工程师以及操作员地限制阅历进行策略化，然后将各种可能须要用到的模糊策略用模糊蕴涵关系“ifthen”集合起来，构成模糊规则限制表11。依据长期积累的模糊蕴涵关系，对（e）进行分析。当系统的（e）比较大时，为了减小系统的调整时间，应当选择较大的KP和较小的KD。同时为了减小系统的超调量，应当将微分调整减小为0。当（e）处于中等大小时，应当减小比例环节的作用，以削减系统的超调量。当（e）较小时，应当增大积分和微分调整的系数，以此提高系统的稳定性。2.3.3模糊运算 在模糊限制器的设计工作中，最重要的步骤为

34、确定语言限制规则，类似于ifthen语句。限制精度主要由限制规则确定，故依据限制精度须要选择合适的限制规则，由于在限制规则较多的状况下，限制系统的反应时间会有所增加，而推理的质量会有所下降。因此，在模糊限制器中模糊限制规则设计时，需依据限制要求选取恰当数量的限制规则，并且须要运用正确的限制形式。本设计依据限制需求采纳的模糊推理计算为两输入、三输出模糊限制器，输入为温度传感器传回的温度值与设定值温度的偏差（e）和偏差改变率d（e），经过限制器的模糊运算，输出PID算法部分的KP、KD、KI三个限制参数。在设计完成后，须要通过计算机仿真技术进行试验，检查限制精度是否达到限制需求。在实际应用中，为了

35、更好地减小系统地调整时间和自适应实力，通常依据系统的动、静态特性进行对算法的简化。3温度限制系统的设计 3.1温控系统总体框架 本设计以嵌入式单片机STM32F103作为闭环负反馈温度限制系统的限制核心，运用KEIL5软件进行编程，运用ADC数模转化器进行 A/D 转换获得温度传感器铂电阻PT100的采样温度，经过限制器的运算，最终输出限制TEC，实现激光器稳定的波长输出，硬件电路整体框图如图3-1所示。依据工程限制阅历，首先在微限制器中设计好模糊PID限制器，依据系统当前的状态对系统参数进行整定，并通过调整PWM占空比以及场效应管 MOSFET 的通断，最终达到变更温度调整器TEC的电流以及

36、方向的目的，使系统处于设定的温度值范围内，从而使半导体激光器处于正常工作状态，输出稳定的波长。 图3-1 硬件电路的整体框架图 3.2温度系统硬件总体介绍 本设计温度限制系统主要由嵌入式单片机stm32限制核心、温度传感器、TEC半导体、AD转换器、液晶显示五大部分组成，实物主控板如图3-2所示。 图3-2 实物主控板图 （1）嵌入式单片机stm32限制核心：采纳了stm32f103RCT6作为主控芯片。STM32F103RCT6是以cortex-M3为内核，内部嵌入了FLASH及RAM的高集成IC。STM32F103属于32位ARM中低端型微限制器，加入外部晶振后，最高晶振频率可以达到72M

37、Hz，时钟周期大约为0.014s，相比于51单片机机器周期更快，系统更稳定，符合激光器电源温度限制需求。（2）温度传感器：温度采样选取铂电阻PT100温度传感器，它是目前工程应用中高精度温度限制系统常用的温度传感器。在温度为零时PT100的电阻为100欧姆，随着温度上升阻值匀速增涨，PT100测温范围在零下200-正850摄氏度之间，测温精度可以达到0.05，满意激光器电源温度的限制需求，故本设计选用铂电阻PT100为温度传感器。（3）AD转换器：本设计中，AD转化器是将温度传感器所获得的模拟信号转化成为精确的数字量信号的器件，因此，AD转换器的牢靠性干脆影响温度限制的质量。在本设计采纳运用H

38、X711作为AD数模转化器，它是一款专为电子秤设计的模数转化器，该芯片集成了片内振荡器以及稳压电源等模块，具有强抗干扰实力，并且它可选择10kHz-80kHz的传送速率。（4）TEC半导体制冷器：TEC是精密温控中特别常用的材料，特殊是在PCR温控以及激光器上。TEC属于电流换能型器件，内部含有多对P型和N型组，构成多对电偶极子，依据珀尔贴效应，直流电通入TEC电流的方向不同使得在电偶节点处产生不同的能量转化，造成吸热或放热的现象，从而实现温控，如图3-3所示。它可以实现将限制系统调整在零下130度到正90度的温度范围内。图3-3 TEC工作原理图 （5）液晶显示：本设计采纳TFTLCD液晶显

39、示屏作为人机交互界面，液晶屏幕显示设定的温度以及实际温度以及调整温度限制，除此之外，可以干脆通过触控屏调整设定温度，便利快捷。设计中为了获得更精确的温度，运用了三个温度传感器。STM32读回的三个传感器的值进行运算，获得它们的平均值，作为系统的实时温度，液晶限制界面如图3-3所示。 图3-3 实物液晶界面图 3.3单片机软件处理模块设计 本设计软件部分采纳模块化编程的方法，运用C语言在keil5软件上进行编程，程序主要包括：主控程序模块、系统参数初始化程序、温度传感器值读取程序、液晶显示程序及模糊PID限制算法程序等。 核心的算法程序部分实现方式为：在程序中编写模糊关系对应限制表，并存储到单片

40、机中，系统每次读回的温度值首先与设定值作比较，然后通过模糊PID算法进行模糊化处理，接着查询限制表输出对应值，最终送至执行对象半导体TEC中去。在stm32的限制下，系统获得三个温度传感器的温度值，并且进行平均值计算，并将计算后的结果显示在液晶屏中，同时将此平均值与设定值进行比较，计算e（t）及d（e），将所求e（t）及d（e）作为模糊PID限制器的输入，经过stm32微限制器的模糊运算得到PID的Kp、TI、TD三个限制参数，通过PID计算后输出须要的限制值，并运用pwm限制方式限制TEC电路的电流方向以及电流大小，最终实现对激光器电源的高精度温度限制，此过程的限制算法流程图如图3-4所示。

41、 图3-4 算法流程图 3.4硬件PCB设计 本设计由于限制需求精度较高，故为了更好地提升系统的抗干扰实力，在充分考虑了电磁兼容的各个因素后，运用PCB绘制软件Altium Designer，依据原理图画出温度限制系统PCB版图，如图3-5所示。PCB板的应用大大提高了系统的抗干扰实力，并且提高了电路的稳定性以及设计的效率。 图3-5 温度限制系统硬件PCB图 4系统仿真 4.1 MATLAB及SIMULINK的简介 MATLAB是一款强大的数学计算软件，该软件同时具备了数学分析和仿真软件等强大的功能。Matlab的全称是matrixlaboratory，即矩阵试验室，应用了数学中矩阵的学问，

42、处理各种数据、统计规律、模拟各种模型，为数值分析、科学数据可视化等众多科学领域供应了一种强大的解决方案12。SIMULINK是MATLAB软件下一个特别常用的集成仿真环境，它被大量运用于非线性因素和随机因素的处理上， SIMULINK的动态建模、仿真、分析等功能，大大提升了科研开发的进度，受到了科研界、学校、工厂等各个领域的大力欢迎。4.2系统仿真过程 （1）新建一个模糊限制器 a. 启动Matlab，在吩咐行窗口输入fuzzy以启动Fuzzy Logic Designer。然后创建两个输入量，三个输出量。分别为偏差、偏差改变率、比例系数、积分时间常数和微分时间常数。最终编辑输入/输出量，如图

43、4-1所示。 图4-1 MATLAB界面设置输入输出图 （2） 划分模糊等级 运用Add MFs，添加七个模糊等级，并编辑每个模糊等级对应的隶属度函数，如图4-2所示。 图4-2 MATLAB设计模糊划分界面图 （3） 创建模糊规则表 在模糊PID限制算法中，最重要的部分就是模糊规则，此部分的仿真操作须要回到Fuzzy Logic Designer的主界面，运用Edit-Rules将模糊规则表输入至软件中，如图4-3所示。 如图4-3 MATLAB创建模糊规则表图 总结和展望 总结： 在传统的工业限制中，较多采纳纯模拟电路对系统温度进行限制，限制方式主要以PID限制为主。由于传统PID限制须要

44、给出确定参数，故传统的限制方法存在电路设计较为困难，同时由于系统存在许多不确定的干扰，导致系统限制精度较低，动态性能较差等较多不足。 在现代限制系统中一般以数字限制系统为主。数字限制系统是利用采样值以及离散微分方程进行求解的一种限制系统，与模拟限制系统相比较，限制精度更高、限制范围更广，同时基于数字信号本身的特性，数字限制系统具有较强的动态性能，能适应困难且多变的扰动。然而，数字限制系统比模拟限制系统困难。基于上述因素，本设计采纳现代限制理论与PID限制结合的方法，运用模糊限制理论对PID系统参数进行整定，从而对半导体激光器系统温度进行调整。模糊PID算法主要过程首先计算输入值与实际值的偏差，

45、然后依据模糊限制PID算法计算给出相应的限制量，最终通过限制stm32限制输出pwm波限制TEC实现加热或制冷。通过仿真表明，模糊PID限制技术可以大大削减系统的调整时间以及稳定误差，大大了提高系统的动态特性以及激光器的性能。展望： 本设计的仿真结果展示了模糊PID限制算法的可行性，也论证了此算法应用于激光器电源的可行性，但是由于在实际限制系统中存在许多的困难的非线性、不行预料的干扰量，而本文展示的算法只是对激光器电源简化模型的限制，故此算法的实际应用须要在实际应用中不断优化，在工厂的运用中不断优化模糊限制模型，提高实际应用中的限制精度。 参考文献 1 宋照华. 半导体激光器的探讨与设计D.中

46、国地质高校（北京）,2010：38-40. 2 李斌. 半导体激光二极管温度限制器和驱动电源设计与实现D.山西高校,2007：47-48. 3 Xuejie W,Yanjun L. Intelligent Temperature Control System Based on Fuzzy PIDC.2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment,2010. 4 艾淑平. 半导体激光器恒温限制单元的限制模式与算法探讨D.东北师范高校,2005：37-38 5 Cominos P，Munro N PI

47、D controllers ： Recent tuning methods and design to specificationJIEE Proc Control Theory，2002，149(1)：46-53 6 黄松林，PID 参数模糊自整定非线性系统仿真探讨，机械工程与自动化，2007，No.141:93-95 7 葛新成,胡永霞. 模糊限制的现状与发展概述J. 现代防卫技术,2008,03:51-55. 8 刘江涛. 基于PID参数模糊自整定的半导体激光器温度限制系统探讨D.河北工业高校,2007：35-40. 9 陈友桂. 数字化半导体激光二极管驱动电源和温度限制器的研制D.山西

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