Примеры замкнутых сули

Для стабилизации мощности излучения может быть применена ООС, изменяющая мощность лазера либо коэффициент пропускания света акустооптической ячейки по сигналу приращения мощности, снимаемому с фотоприемника [5−7,21−36].

Для стабилизации частоты излучения может быть использовано воздействие, управляющее положением одного из зеркал, а для стабилизации частоты лазера — изменение его температуры. Например, если конструкция лазера основана на металлических стержнях, которые задают расстояние между зеркалами, то изменение температуры этих стержней вызовет изменение расстояний между зеркалами, что можно использовать для управления частотой [5—7].

Изменение температуры может быть выполнено только путем нагрева, например, вследствие прохождения электрического тока по активному сопротивлению. В этом случае охлаждение осуществляется естественным путем за счет контакта с более холодным воздухом или массивным основанием устройства. Такая стабилизация возможна, если предписанная температура намного выше температуры окружающей среды. Также можно использовать охлаждение за счет различных эффектов (например, за счет микрохолодильника на эффекте Пельтье). Такой элемент может не только охлаждать, но и нагревать, причем нагревает он намного эффективнее, чем охлаждает [5−7].

В лазерных системах важнейшими параметрами их функционирования являются средние значения частоты на некотором интервале. Чаще всего точность поддержания нужной частоты реализуется вплоть до постоянного значения разности фаз двух лазеров. Применяются также понятия «мгновенная частота» и «мгновенная фаза» как специальным образом определенные непрерывные функции времени [37].

Для стабилизации частоты излучения применяются системы частотной автоподстройки (ЧАП). В такой системе разность фаз не должна влиять на сигнал обратной связи.

Для обеспечения строгого равенства частот двух лазеров в прецизионных СУЛИ применяются системы фазовой автоподстройки частоты (ФАП). Их характерная особенность — нулевая ошибка по средней частоте. Это объясняется тем, что фаза сигнала определяется как интеграл по времени от частоты. В таких системах разность фаз активно участвует в формировании сигнала обратной связи.

Соединение управляемого генератора (лазера) и фазового детектора дает интегратор. Поэтому для того, чтобы образовать систему фазовой автоподстройки частоты лазеров, достаточно для формирования обратной связи использовать фазовый детектор, но при этом также необходимо обеспечить устойчивость и достаточно широкий диапазон удержания системы в равновесном состоянии, иначе система не будет работать.

Системы управления режимом работы полупроводникового лазера занимают особое место: доля электронной части в них значительна и определяет надежность, качес тво и долговечность всей системы, чрезвычайно высокие требования к качеству этой части относят их к классу прецизионной техники [5, 18].

Обобщенная функциональная схема СУЛИ показана на рис. 1.1. Этой схеме соответствует структурная схема, показанная на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Обобщенная функциональная схема СУЛИ.

Рис. 1.2. Обобщенная функциональная схема СУЛИ.

Для анализа работы системы и для синтеза се элементов необходимо использовать нс только ТАУ, но и теорию сигналов. Различные способы прсдставления сигналов и их обработки хорошо освещены в литературе [37−40]. На объект действует множество факторов, влияющих на его выходное состояние, как показано на рис. 1.3. В случае лазерной системы это означает, что изменения интересующего параметра (например, частоты) излучения зависят от многих неизвестных факторов. Наряду с ними на объект воздействует управляющий сигнал м (/), который также влияет на выходной сигнал. Именно он обеспечивает возможность управления заданным параметром.

Рис. 1.3. Объект и сигналы, действующие на него:

м (0 — входной сигнал (управление): у (0 — выходной сигнал; /;,(/) — неконтролируемое возмущение В самом общем случае выходной сигнал у (/) зависит от управления и{() и возмущений Л, нелинейно:

Для линейного объекта это уравнение может быть упрощено до вида.

или.

где

Поэтому для линейного объекта структурная схема может быть представлена рис. 1.4, где все возмущения сведены к эквивалентному совокупному значению. Система с отрицательной обратной связью имеет вид, показанный на рис. 1.5.

Рис. 1.4. Линейный объект и его сигналы:

/"(/) — результат действия всех неконтролируемых возмущений Выходная величина у (1) никогда не известна в точности, имеется возможность лишь се оценки с помощью какого-нибудь датчика, который привносит свой шум измерения /?(0, что отмечено в структурной схеме.

Шум измерений в некоторых случаях можно не принимать в расчет, поскольку по умолчанию предполагается, что он много ниже, чем измеряемая величина, иначе создание системы стабилизации невозможно.

Рис. 1.5. Система с объектом и отрицательной обратной связью.

Рис. 1.6. Упрощенная структурная схема СУЛИ.

Внешние параметры к_1(ь /до

Рис. 1.7. Система с оптимизирующей петлей

Если требуется только стабилизация выходного параметра, то задание <�г) равно нулю, две компоненты регулятора могут быть сведены в единый регулятор, как показано на рис. 1.6. Если контур обратной связи неустойчив, то регулятор следует изменить для обеспечения требуемых статических и динамических свойств замкнутой системы. Если объект изменяет свои параметры в ходе своего функционирования, то единовременный расчет регулятора недостаточен, в этом случае применяются адаптивные системы, которые имеют дополнительный контур регулирования коэффициентов регулятора, как показано на рис. 1.7.

Наиболее удобной для анализа (и наиболее полной) является структура, показанная на рис. 1.5, которая преобразуется к расчетной структуре, приведенной на рис. 1.8. Эта структура отличается тем, что в ней выделяются элементы нс по функциональному назначению, а по их математической модели (и внутри элементов записываются нс названия, а передаточные функции).

Рис. 1.8. Расчетная структурная схема СУЛИ.

Такая структурная схема получается не простой заменой названия элементов их передаточными функциями: сигналы во временной области следует заменить их преобразованиями Лапласа и ввести обозначения промежуточных сигналов. Поэтому структура рис. 1.8 — это графическая запись системы уравнений: