半导体激光器温控系统辨识与控制方法的研究
本文选题:半导体激光器 + FPGA ; 参考:《湖北工业大学》2015年硕士论文
【摘要】:为了实现对半导体激光器温度的高精度控制,利用热电制冷器、热敏电阻与相应的散热装置,结合可编程逻辑门阵列(Field㧟Programmable Gate Array,FPGA)嵌入式系统开发平台,设计了一套半导体激光器温度控制实验系统。具体涉及到的研究内容包括如下:首先,提出了一种基于时间常数测量热敏电阻阻值来实现温度测量的方法,并充分利用FPGA的硬件逻辑功能,实现了宽范围高精度的温度检测。实际的测量范围为10°C~50°C,在覆盖有效利用范围内测量分辨率达到0.0031°C。其次,应用热力学分析方法,对实验系统进行了理论分析,建立了该温控实验系统数学模型与相应的传递函数。在取得了半导体激光器温度数据的条件下,根据模型参数的特点,提出了一种结合阶跃响应实验曲线,应用非线性曲线最小二乘拟合进行模型参数的辨识方法。在此基础上,利用模型参数进行了系统仿真。仿真拟合结果与实验结果的比对表明:仿真拟合曲线与实验曲线结果一致,拟合的模型参数具有较高的预测精度。这些结论的模型参数为进一步温度控制算法所涉及的参数优化提供了理论依据。最后,在结合传统比例㧟积分㧟微分温度控制方法的基础上,根据热电制冷器温度控制非对称性的特点,提出了一种热平衡开关式制冷制热的方法。按照此方法改进了热电制冷器驱动方式,针对不同环境与目标温度,设置了两种不同的工作模式。在不同工作模式下,提出了一种结合砰㧟砰控制和PID控制温度的方案,利用砰㧟砰控制的特点实现温控系统快速响应。同时,结合特征辨识的模型参数,利用数字PID算法实现温度的微调整。实验结论与理论分析验证了,在热平衡开关制冷制热的方法下,结合砰㧟砰控制和PID控制的温度控制方案的可行性,温度控制精度优于±0.025°C。
[Abstract]:In order to control the temperature of semiconductor laser with high precision, the embedded system development platform is developed by using thermoelectric cooler, thermistor and the corresponding heat dissipation device, combining with the programmable logic gate array (FPGA), the programmable gate array (PLGA) and the programmable gate array (FPGA). An experimental system for temperature control of semiconductor lasers is designed. The specific research contents are as follows: firstly, a method of temperature measurement based on time constant measurement of thermistor resistance is proposed, and the hardware logic function of FPGA is fully utilized to realize wide range and high precision temperature detection. The actual measurement range is 10 掳C ~ (50 掳C) and the resolution is 0.0031 掳C within the range of effective use. Secondly, the thermodynamic analysis method is used to analyze the experimental system theoretically, and the mathematical model and the corresponding transfer function of the temperature control experimental system are established. Under the condition that the temperature data of semiconductor laser are obtained and according to the characteristics of the model parameters, a method of identifying the model parameters by using the least square fitting of the nonlinear curve is proposed, which combines the experimental curve of step response. On this basis, the model parameters are used to simulate the system. The comparison of the simulation results with the experimental results shows that the simulated fitting curve is consistent with the experimental curve, and the fitted model parameters have high prediction accuracy. The model parameters of these conclusions provide a theoretical basis for the optimization of the parameters involved in the further temperature control algorithm. Finally, in combination with traditional proportions? Points? On the basis of the differential temperature control method, according to the characteristics of temperature control asymmetry of thermoelectric chiller, a heat balance switch refrigeration heating method is proposed. According to this method, the driving mode of thermoelectric cooler is improved, and two different working modes are set for different environment and target temperature. In different working modes, a combined bang? Pop control and PID control temperature scheme, using bang? The characteristic of bang control realizes the quick response of temperature control system. At the same time, the digital PID algorithm is used to realize the micro-adjustment of temperature in combination with the model parameters of feature identification. The experimental results and theoretical analysis verify that, under the method of heat balance switch refrigeration and heating, combined with bang? The temperature control scheme of bang control and PID control is feasible, and the precision of temperature control is better than 卤0.025 掳C.
【学位授予单位】:湖北工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TN248.4
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,本文编号:1915652
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