基于模糊自适应PID的SLD光源温控方法研究

　　1　系统结构及模型分析

　　1.1　光源数字化控制系统

　　超辐射发光二极管(SLD)是目前光纤陀螺中普遍采用的光源,因其输出功率高、光谱宽度宽、稳定性好、光束方向性好、相干性好的优良特性,特别适用于具有最小互易结构的干涉型光纤陀螺。目前,光纤陀螺系统中大多采用8脚标准蝶形封装形式的SLD光源,其内部一般封装发光管管芯、控制和稳定光源管芯温度的半导体制冷器、检测光源管芯温度变化的热敏电阻以及用来散热的热沉。由于SLD光源特殊的装配结构,制冷器的温度需经过热沉传递到管芯,有一定的滞后;而管芯的温度变化与热敏电阻检测到的温度变化也不完全同步,用传统的控制方法不能预测出温度的变化方向,因而光源动态控温性能差,控温精度受到限制,所以引入数字化光源控制系统,其典型结构如图1所示。

　　光源数字化控制系统主要包括数字式恒流源和数字式温控电路。对于温度控制电路,温度采样电路采集到的温度信号经A/D转换器转换成数字信号送入单片机处理,利用数字PID控制算法进行参数调整,然后再通过D/A转换器反馈回去对制冷器进行温度控制。

1.2　温控对象模型

　　SLD光源内部的半导体制冷器是利用帕尔帖效应制成的制冷器件,光源管芯安装在制冷器上,通过改变流过制冷器的电流的方向和大小来调节光源的温度。由于半导体制冷器制冷和制热不影响光源的温度控制模型,下面以半导体制冷器对光源管芯制冷为例来分析制冷器的控制模型。

　　若流入光源管芯的热量速率为Qi,光源管芯向周围散发的热量速率为Qo,其中Qi

　　另外,当半导体制冷器在温度控制电路作用下进行制冷或加热时,SLD光源内热敏电阻进行温度的传感和采集,由于热敏电阻对温度信号的传输具有一定的滞后,所以热敏电阻可看作一个一阶惯性环节附加一个纯滞后环节的对象,其传递函数可表示为:

　　2　模糊自适应PID算法

　　在工业控制过程中,常采用PID算法对被控对象进行控制。常规PID控制容易实现,稳态无静差,控制精度高,但是对于非线性、大滞后、参数时变性的控制对象,常规PID控制器难以获得满意的控制效果。模糊控制不需要获知对象的精确数学模型,根据控制规则去调整控制参数,适应性更强,但单纯模糊控制的稳态精度不高。若将模糊控制与PID控制结合设计模糊PID控制器,有望获得满意的控制效果。

　　模糊自适应PID控制作为模糊PID控制的一种,是以误差e和误差变化ec作为输入,利用模糊控制规则在线对PID参数kp,ki,kd进行修改,以满足不同的误差e和误差变化率ec对控制器参数的不同要求,从而使被控对象具有良好的动态、静态性能,其结构如图2所示。