CN103064447B - 基于窄域论的激光器pid温控参数近似三维整定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，在对激光二极管温度进行PID温控时，考虑到控制精度以及系统开销，提出一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，并优化性能指标函数中的跟踪误差项，在指标函数中引入跟踪误差的微分项，提出一种基于第一维E和第二维EC变量建立近似第三维语言变量ECC的近似算法，通过引入第三维变量ECC，建立模糊规则进行控制(其中E表示测量值与给定值的偏差，EC表示E的偏差，ECC表示EC的偏差)；对拟合数据测量，进行模糊推理：通过优化模糊规则进行模糊判决，并进行模糊控制。

Description

基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法

技术领域

本发明涉及一种基于窄域论的激光器温度控制参数近似三维整定算法，尤其涉及一种激光器温度控制系统中PID参数的近似三维整定方法。

背景技术

随着宽带产业的迅速发展，激光通信在体现其独特的优势的同时也遇到了一些技术上的难题，随着中继距离越来越长，通信速率越来越高，温度已经成为其性能瓶颈之一。激光器温度的变化会导致阈值电流、输出功率、输出波长的变化，这些都将导致激光器寿命变短、电光转换效率变低等，从而导致激光器的性能不稳定。

半导体激光器(LD)对于电流冲击和工作温度变化的承受力较差。由于存在非辐射复合损耗、自由载流子的吸收等损耗机制，使得其外微分量子效率只能达到20％～30％。这样，很大部分的注入电功率将转化为热能，从而引起半导体激光器温度升高。由温度产生的微小电流将致使光功率输出发生极大的变化，器件参数(如激射波长，噪声性能，模式跳动)也会随之发生变化，这些变化直接危及器件的正常使用。因此，在实际应用中需要对半导体激光器(LD)的温度进行控制，使其能够工作在恒定的温度下，避免对器件的危害。

为了达到对半导体激光器(LD)进行温度控制的目的，目前已提出了多种半导体激光器恒温控制的研究方法，采用较多的是PID(P：比例，I：积分，D：微分)控制。但常规PID控制器不能在线整定参数，针对非线性、时变复杂系统和模型不确定的系统，其PID参数整定非常困难或者根本无法整定。在工程界，PID控制参数多依赖经验，移植性差，精度因控制者水平而存在很大差异。为此，有学者引入模糊控制规则环节，以实现对PID控制器参数的实时整定。

目前的模糊控制算法有二维模糊控制和三维模糊控制。传统的二维模糊控制是计算平面内的坐标值，计算量小，但温度控制精度在0.25℃，控制精确度低；传统的三维模糊控制是计算三维空间内的坐标值，温度控制精度在0.08℃，精度较高，但计算复杂度高。

目前国内生产的半导体激光器温控系统在温控精度(0.02℃)、分辨率(0.001℃)、稳定性(长期稳定性＜0.1℃)以及可靠性^[3]等方面都存在着很多不足，且控制算法有待优化；国外生产的半导体激光器(LD)温度控制器不仅精度较高(0.001℃)，稳定性好(长期稳定性＜0.005℃)，而且智能化程度较高，但是对技术严格保密，且价格高昂。传统的二维模糊控制控制精度低，无法满足下一代光通信高精度的要求。三维模糊控制则存在系统开销大缺点，难以广泛运用在激光通信中。此外，三维模糊控制运算复杂，推理时间长，因此除非对动态性要求比较高的场合，一般较少选用这类模糊控制器。而纯数字PID对数据要求高，在复杂系统中难以应用。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题，在对激光二极管温度进行PID温控时，提供一种基于窄域论的近似三维模糊控制参数整定方法。所述整定方法运算相对简单，控制精度高，系统成本较低。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，方法如下：

1、引入第三维变量ECC，建立模糊规则：在对激光二极管温度进行PID温控时，在对激光二极管温度进行PID温控时，考虑到控制精度以及系统开销，提出一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，并优化性能指标函数中的跟踪误差项，在指标函数中引入跟踪误差的微分项，提出一种基于第一维E和第二维EC变量建立近似第三维语言变量ECC的近似算法，使得对象的动态响应更加平稳，闭环系统的鲁棒性更强。由E与EC引入第三维变量ECC，建立模糊规则进行控制(其中E表示测量值与给定值的偏差，EC表示E的偏差，ECC表示EC的偏差)；

2、对拟合数据测量，进行模糊推理：根据温度数据拟合后提供的数据，在每次测量时，E、EC、ECC的变化曲线基本相同。所以得知以下的对应关系：当ECC处于B区间时，对应E、EC的PB+PS区间；当ECC处于ZE区间时，对应E、EC的ZE区间；当ECC处于S区间时，对应E、EC的NB+NS区间，那么对于模糊控制规则的再次建立，即在相应的区间对原来的K_p，ΔTi，ΔTd调节强度的基础上加强，其中T_d表示微分作用，T_i表示积分作用，Kp表示调节器放大系数；B代指大，PB代指正方向大的偏差，PS代指正方向小的偏差，ZE代指零，S代指小、NB代指负方向大的偏差、NS代指负方向小的偏差，ΔTi代指积分作用变化量，ΔTd代指微分作用变化量。

由E、EC、ECC的运算简化后，得出E、EC、ECC的变化趋势基本相同。通过省略ECC的实际运算，在E、EC的基础上估计ECC的区间，优化模糊规则表。

简化原理：

1)、当ECC处于B区间时，E处于PB区间，EC处于PS区间。反之，当E、EC处于PB+PS区间时，ECC处于B区间，为了抑制EC快速增加，减小系统的震荡，所以要加大K_p值，由于积分作用不宜过大，防止产生超调，所以微减小Ti值，保持Td值不变，其中Ti代指积分作用、Td代指微分作用；

2)、当ECC处于ZE区间时，E处于ZE区间，EC处于ZE区间。反之，当E、EC处于ZE区间时，ECC处于ZE区间，整个系统处于比较稳定且误差中等大小的区间，为了保持稳定的速度趋近零误差区域，所以K_p、Ti、Td保持不变；

3)、当ECC处于S区间时，E处于NB区间，EC处于NS区间。反之，当E、EC处于NB+NS区间时，ECC处于S区间，此时，EC缓慢变化，E的变化振幅较小，此时以保持系统稳定为主，为了防止产生超调，微减小K_p、Ti、Td值，如此Δ减小，零误差区域上下震荡减小，能够更快的使E接近小误差区域，Δ代指PID参数修正量；

3、通过优化模糊规则进行模糊判决，并进行模糊控制。

本发明的有益效果在于：

对于PID参数，响应速度快，超调量小，震荡小的参数，成本低，系统开销小；对于控制精度，高于二维模糊控制，能接近三维模糊控制精度；对于响应时间，优于三维模糊控制。

附图说明

图1是本发明系统总体框图

图2是本发明本发明实施方式流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1所示：基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，方法为：引入第三维变量ECC，建立模糊规则；对拟合数据测量，进行模糊推理；优化模糊规则进行模糊判决，并实现模糊控制。

如图2所示，本发明所述基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，包括以下具体实施步骤：

1、温度-电阻关系数据采集：采用灵敏度高，体积小，具有负温度系数的NTC热敏电阻，利用测温电路将电阻的变化转换为电压的变化。通过对电压变化的记录，就能较为准确地知道被测物的温度变化；

通过温度变化采集数据，定义如下变量：

E：测量值与给定值的偏差，EC：E的偏差，ECC：EC的偏差，

T_d：微分作用，T_i：积分作用，Kp：调节器的放大系数，

调节器的比例带，Δ：PID参数修正量，

ΔT_d：微分作用变化量，ΔTi：积分作用变化量；

2、求解E、EC、ECC：根据温度数据，求解E、EC、ECC；选取等级与量化：为E、EC、ECC以及PID参数论域选取5个等级量化；

1)、E：设E的基本论域为[0.0080，0.2820]，同时选定偏差语言变量E的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为：Ai(i＝1，2，3，4，5)

2)、EC：设EC的基本论域为[0.0160，0.5640]，同时选定偏差语言变量EC的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Bi(i＝1，2，3，4，5)

3)、ECC：设ECC的基本论域为[0.0340，0.3400]，同时选定偏差语言变量ECC的论域为x＝{-1，0，1}，模糊子集为：Ci(i＝1，2，3)

量化等级	-1	0	1
				变化范围	0.0340～0.1000	0.1060～0.2380	0.2320～0.3400

4)、ΔKp：设ΔKp的基本论域为[-12，12]，同时选定偏差语言变量K_p的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Di(i＝1，2，3，4，5)

5)、ΔTi：对ΔTi论域的量化，设ΔTi的基本论域为[0.0083，0.0740]，同时选定偏差语言变量ΔTi的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Hn(n＝1，2，3，4，5)

6)、ΔTd：对ΔTd论域的量化，设ΔTd的基本论域为[0.1245，0.1927]，同时选定偏差语言变量ΔTd的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Dm(m＝1，2，3，4，5)

3、建立隶属关系函数：定义变量各模糊集的三角隶属函数，将数据E、EC、ECC、PID参数根据量化等级及隶属度函数对其进行模糊化处理：

1)、E：语言变量论域上的模糊子集一般由隶属函数μ(x)或模糊赋值表来描述。采用三角集合的模糊隶属函数。对E选取5个语言值：PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)。同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

E语言变量隶属度表：

2)、EC：对EC选取5个语言值：PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)。同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

EC语言变量隶属度表：

3)、ECC：对ECC选取3个语言值：B(大)、ZE(零)、S(小)。同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ECC语言变量隶属度表：

4)、ΔKp：对ΔKp选取5个语言值：PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)。同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ΔKp模糊子集隶属函数

5)、ΔTi：对ΔTi选取5个语言变量值：NS(负小)、NB(负大)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)。与此同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ΔTi模糊子集隶属函数

6)、ΔTd：对ΔTd选取5个语言值：NS(负小)、NB(负大)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)。与此同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ΔTd模糊子集隶属函数表

4、首先利用二维模糊控制，根据模糊规则设定方法建立E、EC二维模糊控制表，再利用窄域论，加入第三维语言变量，适当压缩E、EC、ECC的论域，考虑ECC的影响，改进模糊规则表，建立近似三维模糊规则表，从而引入第三维模糊语言变量；

根据数据拟合后提供的数据，在每次测量时，E、EC、ECC的变化曲线基本相同。所以得知以下的对应关系：当ECC处于B区间时，对应E、EC的PB+PS区间；当ECC处于ZE区间时，对应E、EC的ZE区间；当ECC处于S区间时，对应E、EC的NB+NS区间，那么对于模糊控制规则的再次建立，即在相应的区间对原来的K_p，ΔTi，ΔTd调节强度的基础上加强。

1)、K_p的模糊规则：

未加ECC之前的规则表：

添加ECC，加强之后的规则表：

2)、ΔT_i的模糊控制规则：

未添加ECC之前的规则表：

添加ECC，加强之后：

3)、ΔT_d的模糊控制规则

未加入ECC之前的规则表：

加入ECC之后的规则表：

5、建立模糊查询表

K_p的查询表：

ΔTi的查询表：

ΔTd的查询表：

6、进行PID控制：输入PID参数，对实时反映的E、EC、ECC模糊化并根据规则表对PID参数进行微调整定后，重复实施此步骤；

7、实验结果分析，记录温度变化，响应速度，温度控制精度。

根据以上的模糊查询表，来在线整定PID的参数，便能更好地实现温度控制。本次测试环境温度23.5摄氏度，预设温度25℃。根据图1可以看出，经控制后，温度最终稳定在24.8℃～25.1℃范围内。温控精度为0.1℃。

以上为近似三维模糊控制的算法实验结果，它与传统的二维和三维模糊控制算法的比较结果如下表：

三种温控算法结果比较表格：

Claims (7)

1.一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，其特征在于：方法如下：

(1)、引入第三维变量ECC，建立模糊规则：在对激光二极管温度进行PID温控时，考虑到控制精度以及系统开销，提出一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，并优化性能指标函数中的跟踪误差项，在指标函数中引入跟踪误差的微分项，提出一种基于第一维E和第二维EC变量建立近似第三维语言变量ECC的近似算法，使得对象的动态响应更加平稳，闭环系统的鲁棒性更强；由E与EC引入第三维变量ECC，建立模糊规则进行控制，其中E表示测量值与给定值的偏差，EC表示E的偏差，ECC表示EC的偏差；

(2)、对拟合数据测量，进行模糊推理：根据温度数据拟合后提供的数据，在每次测量时，E、EC、ECC的变化曲线基本相同，所以得知以下的对应关系：当ECC处于B区间时，对应E、EC的PB+PS区间；当ECC处于ZE区间时，对应E、EC的ZE区间；当ECC处于S区间时，对应E、EC的NB+NS区间，那么对于模糊控制规则的再次建立，即在相应的区间对原来的Kp，ΔTi，ΔTd调节强度的基础上加强，其中T_d表示微分作用，T_i表示积分作用，Kp表示调节器放大系数；B代指大，PB代指正方向大的偏差，PS代指正方向小的偏差，ZE代指零，S代指小、NB代指负方向大的偏差、NS代指负方向小的偏差，ΔTi代指积分作用变化量，ΔTd代指微分作用变化量；

由E、EC、ECC的运算简化后，得出E、EC、ECC的变化趋势基本相同；通过省略ECC的实际运算，在E、EC的基础上估计ECC的区间，优化模糊规则表；

(3)、通过优化模糊规则进行模糊判决，并进行模糊控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，其特征在于：所述方法(2)中，E、EC、ECC的运算简化，简化原理为：

(1)、当ECC处于B区间时，E处于PB区间，EC处于PS区间；反之，当E、EC处于PB+PS区间时，ECC处于B区间，为了抑制EC快速增加，减小系统的震荡，所以要加大K_p值，由于积分作用不宜过大，防止产生超调，所以微减小Ti值，保持Td值不变，其中Ti代指积分作用、Td代指微分作用；

(2)、当ECC处于ZE区间时，E处于ZE区间，EC处于ZE区间；反之，当E、EC处于ZE区间时，ECC处于ZE区间，整个系统处于比较稳定且误差中等大小的区间，为了保持稳定的速度趋近零误差区域，所以K_p、Ti、Td保持不变；

(3)、当ECC处于S区间时，E处于NB区间，EC处于NS区间；反之，当E、EC处于NB+NS区间时，ECC处于S区间，此时，EC缓慢变化，E的变化振幅较小，此时以保持系统稳定为主，为了防止产生超调，微减小K_p、Ti、Td值，如此Δ减小，零误差区域上下震荡减小，能够更快的使E接近小误差区域，Δ代指PID参数修正量。

3.一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，其特征在于：包含如下具体实施步骤：

(1)、温度-电阻关系数据采集：采用灵敏度高，体积小，具有负温度系数的NTC热敏电阻，利用测温电路将电阻的变化转换为电压的变化，通过对电压变化的记录，就能较为准确地知道被测物的温度变化；

通过温度变化采集数据，定义如下变量：

E：测量值与给定值的偏差，EC：E的偏差，

ECC：EC的偏差，T_d：微分作用，

T_i：积分作用，Kp：调节器的放大系数，

调节器的比例带，Δ：PID参数修正量，

ΔT_d：微分作用变化量，ΔTi：积分作用变化量；

(2)、求解E、EC、ECC：根据温度数据，求解E、EC、ECC；选取等级与量化：为E、EC、ECC以及PID参数论域选取5个等级量化；

(3)、建立隶属关系函数：定义变量各模糊集的三角隶属函数，将数据E、EC、ECC、PID参数根据量化等级及隶属度函数对其进行模糊化处理；

(4)、首先利用二维模糊控制，根据模糊规则设定方法建立E、EC二维模糊控制表，再利用窄域论，加入第三维语言变量，适当压缩E、EC、ECC的论域，考虑ECC的影响，改进模糊规则表，建立近似三维模糊规则表，从而引入第三维模糊语言变量；

根据数据拟合后提供的数据，在每次测量时，E、EC、ECC的变化曲线基本相同，所以得知以下的对应关系：当ECC处于B区间时，对应E、EC的PB+PS区间；当ECC处于Z区间时，对应E、EC的Z区间；当ECC处于S区间时，对应E、EC的NB+NS区间，那么对于模糊控制规则的再次建立，即在相应的区间对原来的K_p，ΔTi，ΔTd调节强度的基础上加强；

(5)、建立模糊查询表；

(6)、进行PID控制：输入PID参数，对实时反映的E、EC、ECC模糊化并根据规则表对PD参数进行微调整定后，重复实施此步骤；

(7)、实验结果分析，记录温度变化，响应速度，温度控制精度。

4.根据权利要求3所述的一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，其特征在于：具体步骤(2)根据温度数据，求解E、EC、ECC；为E、EC、ECC以及PID参数论域选取5个等级量化的具体方法如下：

(1)、E：设E的基本论域为[0.0080，0.2820]，同时选定偏差语言变量E的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为：Ai(i＝1，2，3，4，5)

(2)、EC：设EC的基本论域为[0.0160，0.5640]，同时选定偏差语言变量EC的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Bi(i＝1，2，3，4，5)

(3)、ECC：设ECC的基本论域为[0.0340，0.3400]，同时选定偏差语言变量ECC的论域为x＝{-1，0，1}，模糊子集为：Ci(i＝1，2，3)

(4)、ΔKp：设ΔKp的基本论域为[-12，12]，同时选定偏差语言变量K_p的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Di(i＝1，2，3，4，5)

(5)、ΔTi：对ΔTi论域的量化，设ΔTi的基本论域为[0.0083，0.0740]，同时选定偏差语言变量ΔTi的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Hn(n＝1，2，3，4，5)

(6)、ΔTd：对ΔTd论域的量化，设ΔTd的基本论域为[0.1245，0.1927]，同时选定偏差语言变量ΔTd的论域为x＝{-2，-1，0，1，2}，模糊子集为Dm(m＝1，2，3，4，5)

。

5.根据权利要求3所述的一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，其特征在于：具体步骤(3)中定义变量各模糊集的三角隶属函数，将数据E、EC、ECC、PID参数根据量化等级及隶属度函数对其进行模糊化处理的具体方法如下：

(1)、E：语言变量论域上的模糊子集一般由隶属函数μ(x)或模糊赋值表来描述，采用三角集合的模糊隶属函数，对E选取5个语言值：PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)，同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

E语言变量隶属度表：

(2)、EC：对EC选取5个语言值：PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)，同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

EC语言变量隶属度表：

(3)、ECC：对ECC选取3个语言值：B(大)、ZE(零)、S(小)，同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ECC语言变量隶属度表：

(4)、ΔKp：对ΔKp选取5个语言值：PB(正大)、PS(正小)、ZE(零)、NS(负小)、NB(负大)，同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ΔKp模糊子集隶属函数

(5)、ΔTi：对ΔTi选取5个语言变量值：NS(负小)、NB(负大)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)，与此同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ΔTi模糊子集隶属函数

(6)、ΔTd：对ΔTd选取5个语言值：NS(负小)、NB(负大)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)，与此同时确定各语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数μ(e)；

ΔTd模糊子集隶属函数表

6.根据权利要求3所述的一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，其特征在于：具体步骤(4)利用二维模糊控制，根据模糊规则设定方法建立E、EC二维模糊控制表，再利用窄域论，加入第三维语言变量，适当压缩E、EC、ECC的论域，考虑ECC的影响，改进模糊规则表，建立近似三维模糊规则表的具体方法如下：

(1)、K_p的模糊规则：

未加ECC之前的规则表：

添加ECC，加强之后的规则表：

(2)、ΔT_i的模糊控制规则：

未添加ECC之前的规则表：

添加ECC，加强之后：

(3)、ΔT_d的模糊控制规则

未加入ECC之前的规则表：

加入ECC之后的规则表：

7.根据权利要求3所述的一种基于窄域论的激光器PID温控参数近似三维整定方法，其特征在于：具体步骤(5)建立模糊查询表如下：

K_p的查询表：

ΔTi的查询表：

ΔTd的查询表：

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