基于模糊PID控制的外腔半导体激光稳频系统研究

汪洋 汪宇航 苏颖 张倩 程育昊

摘 要： 研究了一套基于模糊比例、积分、微分（PID）控制算法的外腔半导体激光器稳频系统，能够根据外界环境的变化，自动调节参数.通过Matlab软件进行建模和仿真，证明了该方法的有效性.

关键词： 外腔半导体激光器; 模糊比例、积分、微分（PID）控制算法; 稳频

中图分类号： TN 248  文献标志码： A  文章编号： 10005137（2019）04038304

Abstract： A fuzzy proportion，integral，differential（PID） control algorithm was proposed for the external cavity laser to achieve better frequency stability.The Matlab stimulation results demonstrated that the fuzzy PID control algorithm performed more effectively for the frequency control of external cavity laser.

Key words： external cavity laser; fuzzy proportion，integral，differential（PID） control algorithm; frequency stabilization

0 引 言

由于外腔半导体激光器能够输出相对稳定的频率，在多数光学实验中常常被作为稳定的光源，确保光学实验的准确性.然而外界大气的变化、腔体内部温度的变化、注入电流的变化以及外界振动等，都会影响外腔半导体激光器长期输出稳定的频率，从而出现频率漂移现象[1].

目前，国内外在稳频的研究方面获得了许多成果.较为成熟实用的稳频方法可分为：直接电控稳频、光反馈稳频以及混合稳频[2].此外，还包括一些新的方法，如：利用泵浦电流的周期性进行时空调制[3]，以及将外腔半导体激光器非均匀地集成到芯片中[4].

基于传统比例、积分、微分（PID）控制算法通过提前设定参数以及计算误差信号实现反馈调节[5].然而，传统的PID控制算法的执行效率较低.模糊PID控制算法是改进了传统的PID控制算法，通过引入模糊逻辑算法，使参数能够随外界环境的变化而自动调节，具有自适应的特点.本文作者在现有外腔半导体激光器PID稳频的基础上，创新性地引入模糊控制算法，从而提高了外腔半导体激光器的稳频性能.

1 系统模型

1.1 系统结构模型

根据外腔半导体激光器衍射光栅的种类不同可分为Littrow结构和Littman结构[6].对于Littrow型外腔，当衍射光栅有微小的转动时，输出光的方向也会随光栅的转动而改变.由于 Littrow结构简单易实现，通常被用于光学实验.本研究的外腔半导体激光器稳频系统由基本的Littrow结构、光学锁相环以及模糊PID调节电路组成，如图1所示.光学锁相环将光栅的反射光频率与预设定的光频率进行比较，把频率差值送入模糊PID调节电路.调节电路的输出信号来控制压电陶瓷，使其产生位移，进而改变光栅的角度，实现激光的稳频.

1.2 模糊PID控制算法

2 仿真结果

由于外腔系统中的光栅转动受到压电陶瓷膨胀力、器件阻尼力以及惯性力等作用的影响，稳频过程为动态非线性关系，假设该系统为三阶系统，利用Matlab软件对传统PID控制算法和模糊PID控制算法进行仿真，结果如图3所示.

图3中，红色曲线代表传统PID控制算法的外腔半导体激光器系统响应，蓝色曲线代表模糊PID控制算法的外腔半导体激光器系统响应.分析蓝色曲线可知：起初系统输出频率一直小于设定值，初始误差较大，因此取较大的Kp和较小Ki，Kd，以加快系统的响应速度.当系统输出快要到达设定的频率值时，减小Kp，增大Kd，抑制超调的产生.当系统出现正向超调并且输出频率持续增大时，取较小的Ki和较大的Kd，使输出频率尽快回落.当系统的输出频率开始减小并再次趋向设定值时，增大Kd来抑制负方向的超调.当系统出现负向超调并且超调持续增大时，继续增大Kd.当负向超调开始减小时，应当减小Kd，增大Kp，加快系统响应速度.如此重复上述操作，可使系统快速趋于稳定.

对比红、蓝两条曲线可知：模糊PID控制算法比传统PID控制算法的超调量小，而且系统能更快到达所设定的稳定状态.当系统达到稳定后，增加一个微小的干扰噪声来测试两种算法的抗干扰能力.由图3可知：在外加噪声的干扰下，基于模糊PID控制算法比基于传统PID控制算法的系统的超调量小，且恢复稳定状态所需的时间也更短.

3 結 论

本文作者研究了基于模糊PID控制算法的外腔半导体激光稳频方法，该方法具备超调量低、调节时间短、曲线平滑、稳健性好等优点.同时模糊PID控制算法可以更好地抑制因外界环境的微小干扰所导致的激光器频率漂移现象，是外腔半导体激光稳频的理想控制算法，该方法对外腔半导体激光器的应用具有一定价值.

参考文献：

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[8] 袁秀平，李鹤一.基于MATLAB的電液伺服系统自适应模糊PID仿真 [J].上海师范大学学报（自然科学版），2006，35（3）：43-46.

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（责任编辑：包震宇）