【摘 要】
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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﹣Programmable Gate Array,FPGA)嵌入式系统开发平台,设计了
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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﹣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﹣积分﹣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﹣砰控制和PID控制温度的方案,利用砰﹣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﹣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。
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