高稳定度激光光源温度控制算法研究和实现

论文摘要

高稳定度激光光源在光纤通信、无线激光通信和光纤损耗测量等领域有着广泛的应用。由于半导体激光器的参数具有明显的温度相关性,其工作状态对环境温度的变化十分敏感,故本文高稳定度激光光源温度控制系统将从半导体激光器理论模型出发,基于传统温度控制技术,优化传统PID（Proportion-Integral-Differential）控制算法,通过神经网络整定PID参数来提高系统的温度控制精度,结合负反馈技术来实现提高半导体激光器的工作温度稳定以及输出光功率的稳定性的目的。传统PID控制具有实现简单、直观和较好的鲁棒性等优点,但是PID重要参数的设定过分依赖传统经验指导,并且传统的众多PID参数整定方法受到使用场景的限制、被控制对象具有非线性和时变特性时,传统PID控制无法达到最优状态。神经网络具有很强的自学习能力和非线性处理能力,在控制领域获得了广泛应用,将单神经元网络与PID控制结合形成单神经元网络整定PID参数控制系统,并应用于半导体激光器温度控制系统中,来提高半导体激光器工作温度控制精度和半导体激光器输出光功率稳定性。本文主要针对传统PID控制算法进行优化,提出了单神经元网络整定PID参数的控制算法,在提高温度控制精度和输出光功率稳定性的同时提升系统的动态性能,达到降低外界因素干扰的目的,提高系统的响应速度并保持稳定工作状态。本文将从工作原理、系统理论建模、单神经元网络控制规则的选择、控制算法优化、算法应用以及实验分析的角度完成相关研究与实现,具体包括以下几个部分:1.建立半导体激光器温度控制系统模型,完善半导体激光器制冷器的理论分析,为仿真基础PID算法仿真并为单神经元网络的设计打下基础。2.以负反馈控制原理与半导体激光器工作原理为基础,对传统PID控制算法进行分析优化,利用不同的控制规则对PID控制器的三个关键参数Kp、Ki、Kd进行整定,仿真结果表明,改进后的单神经元网络PID控制器具有良好的阶跃信号跟踪性能。3.完成实验系统搭建,针对关键模块进行优化,设计滑动均值滤波器减少电噪声和随机噪声对温度控制系统的影响,使系统的整体性能进一步提升。4.将设计算法应用于半导体激光器温度控制系统中,测量温度控制精度、半导体激光器长期和短期的输出光功率稳定度,经实验验证,对比分析数据得出结论:本文所设计的单神经元网络PID温度控制算法的温控精度约为0.001℃,半导体激光器输出光功率长期（8小时）波动范围约为±0.01dB,短期稳（15分钟）波动范围小于±0.005dB。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 硕士研究生期间完成的工作
•   1.4 论文的主要内容及结构安排
• 第二章 半导体激光器的工作特性与建模分析
•   2.1 半导体激光器工作原理
•   2.2 半导体激光器的阈值特性
•   2.3 半导体激光器的温度特性
•   2.4 半导体激光器长期稳定度劣化因素分析
•   2.5 半导体激光器温度控制精度要求
•   2.6 半导体激光器建模分析
•   2.7 半导体激光器损坏机制研究
•   2.8 本章小结
• 第三章 半导体激光器温度控制系统算法仿真
•   3.1 数字基础PID控制原理及仿真
•     3.1.1 基本PID控制原理
•     3.1.2 位置式PID控制原理
•     3.1.3 增量式PID控制原理
•     3.1.4 数字基础PID控制算法仿真及分析
•   3.2 神经元权值更新PID控制原理及仿真分析
•     3.2.1 单神经元网络模型
•     3.2.2 Hebb控制规则自适应PID控制及仿真分析
•     3.2.3 Delta控制规则自适应PID控制及仿真分析
•     3.2.4 基于二次性能指标控制算法的自适应PID控制及仿真分析
•   3.3 本章小结
• 第四章 半导体激光器温度控制系统设计
•   4.1 半导体激光器温度控制系统
•     4.1.1 中控芯片选型
•     4.1.2 电桥电路信号放大分析
•     4.1.3 串口通信程序设计
•     4.1.4 TEC工作原理及响应频率分析
•     4.1.5 滑动平均滤波器设计
•     4.1.6 半导体激光器温度控制系统整体框图
•   4.2 实验验证与分析
•     4.2.1 实验环境与实验步骤
•     4.2.2 参数固定的基础PID控制算法实验验证及分析
•     4.2.3 整定参数PID控制算法实验验证及分析
•   4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 论文工作总结
•   5.2 后期工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周根弟

导师: 张明伦

关键词: 高稳定激光光源,激光器,自动温度控制,神经网络,反馈控制

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 北京邮电大学

分类号: TP273;TN248.4

总页数: 75

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