Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в технологических, медицинских, метрологических, других лазерных установках и установках для научных исследований.
Известен способ управления параметрами излучения лазера [1], заключающийся в том, что выделяют электрический сигнал, пропорциональный мощности излучения, сравнивают его с опорным электрическим сигналом и изменяют мощность излучения в соответствии с величиной разности между опорным сигналом и сигналом, пропорциональным мощности излучения, при этом мощность накачки увеличивают пропорционально этой разности, если опорный сигнал больше сигнала, пропорционального мощности излучения, и уменьшают, если опорный сигнал меньше сигнала, пропорционального мощности излучения.
Система управления для осуществления указанного способа содержит устройство для формирования сигнала, пропорционального мощности излучения, например светодительную пластину и фотоприемник, источник опорного электрического сигнала, модулятор мощности излучения, содержащий элемент с управляемой прозрачностью (например, электрооптический, акустооптический, механический и др.) и лазер.
Для таких систем управления с непрерывным методом регулирования характерна высокая точность стабилизации выходной мощности излучения. Управление осуществляется изменением прозрачности модулятора, при этом часть мощности излучения, превышающая уровень, заданный опорным сигналом, поглощается, отражается или рассеивается.
Недостаток указанного технического решения - большие потери мощности в процессе управления и в связи с этим низкий КПД.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ управления параметрами излучения лазера [2], заключающийся в том, что задают опорный сигнал, пропорциональный номинальной величине выходного параметра (например, энергии генерации в импульсе, средней или импульсной мощности излучения и др.), выделяют сигнал, пропорциональный величине выходного параметра, и управляют мощностью накачки в соответствии с величиной ошибки между опорным сигналом и выделенным сигналом, при этом мощность накачки увеличивают пропорционально этой разности, если опорный сигнал больше сигнала, пропорционального величине выходного параметра, и уменьшают, если опорный сигнал меньше сигнала, пропорционального величине выходного параметра.
Система управления для осуществления указанного способа содержит задатчик выходного параметра, измеритель выходного параметра, электронный регулятор, модулятор и газоразрядную трубку. На выходе модулятора формируются импульсно - периодические разряды, которые подаются на газоразрядную трубку, а от светоделительной пластинки лазерное излучение направляется на измеритель выходного параметра, сигнал с которого поступает на один из входов электронного регулятора. На второй вход регулятора от задатчика выходного параметра подается опорное напряжение. При возникновении разности потенциалов между опорным напряжением и напряжением измерителя выходного параметра электронный регулятор обеспечивает изменение формируемых модулятором импульсно-периодических разрядов, а следовательно, и мощности накачки. При этом характер изменения формируемых модулятором импульсно-периодических разрядов определяется величиной разности между заданным и измеренным сигналами. Если опорный сигнал больше сигнала, пропорционального величине выходного параметра, обеспечиваются увеличение мощности накачки пропорционально разности между заданным и измеренным сигналами и уменьшение мощности накачки, если опорный сигнал меньше сигнала, пропорционального величине выходного параметра. Процесс управления осуществляется до тех пор, пока величина выходного параметра не будет равна заданному значению выходного параметра.
Импульсно-периодический закон формирования лазерного излучения, реализованный в системах с широтно-импульсным методом регулирования, характеризуется значительными отклонениями текущей величины выходной мощности лазера от заданного номинала и, как следствие, высокой динамической ошибкой регулирования. Это связано с тем, что в интервалах времени подачи импульса на вход лазера выходная мощность превышает требуемую величину, а при отсутствии управляющих импульсов выходная мощность лазера меньше требуемой величины. То есть при импульсно-периодическом управлении лазером изменение выходной мощности носит пульсирующий (колебательный) характер. Однако в этом случае практически малы потери энергии, так как управление параметрами излучения лазера осуществляется с помощью ключевых элементов.
Недостатком указанного технического решения является невысокая точность управления параметрами излучения лазера при высоком КПД работы лазера.
Техническим результатом изобретения является повышение точности регулирования параметров излучения лазера до уровня, характерного для непрерывного метода управления, при сохранении высокого КПД, свойственного широтно-импульсному методу управления.
Указанный технический результат достигается тем, что задают опорный сигнал, пропорциональный номинальной величине выходного параметра, выделяют сигнал, пропорциональный величине выходного параметра, формируют сигнал ошибки, пропорциональный разности между опорным и выделенным сигналами, и управляют параметрами излучения таким образом, чтобы уменьшить сигнала ошибки, при этом перед заданием опорного сигнала уменьшают зону непрерывного управления параметрами излучения, устанавливают пороговые сигналы, соответствующие границам зоны непрерывного управления параметрами излучения и определяющие значения положительной и отрицательной величине предельной ошибки, и формируют сигнал, пропорциональный величине дискретного изменения параметра излучения, сравнивают сигнал ошибки с пороговыми сигналами, пропорциональными положительной и отрицательной величине предельной ошибки, и при сигнале ошибки меньше порогового сигнала, пропорционального отрицательной величине предельной ошибки, увеличивают параметр излучения в соответствии с сигналом, пропорциональным величине дискретного изменения параметра излучения, и при сигнале ошибки больше порогового сигнала, пропорционального положительной величине предельной ошибки, уменьшают параметр излучения в соответствии с сигналом, пропорциональным величине дискретного изменения параметра излучения.
Для осуществления указанного способа в систему управления параметрами излучения лазера, содержащую последовательно соединенные задатчик выходного параметра, блок формирования разности, блок управления, блок управляемых модулей и последовательно соединенные устройство суммирования и измеритель выходных параметров, при этом N+1 выходов блока управляемых модулей соединены с N+1 входами устройства суммирования, а выход измерителя выходных параметров соединен с вторым входом блока формирования разности, введен блок переключения, первый вход которого соединен с выходом задатчика выходных параметров, а второй вход - с выходом блока формирования разности, а также N выходов блока переключения соединены соответственно со второго по (N+1)-й входами блока управляемых модулей.
В первом варианте реализации системы управления блок переключения содержит усилитель, с первого по (N+2)-й компараторы, с первого по (N+2)-й ключи, последовательно соединенные (N+1)-й ключ, управляющий вход которого соединен с выходом (N+1)-го компаратора, интегратор, сумматор, выход которого через с первого по N-й компаратор соединен с управляющими входами с первого по N-й ключ, последовательно соединенные (N+2)-й ключ, управляющий вход которого соединен с выходом (N+2)-го компаратора, и инвертор, выход которого соединен с входом интегратора, выход усилителя соединен с вторым входом сумматора, а блок управляемых модулей содержит с первого по (N+1)-й независимый лазерный модуль, причем выход задатчика выходных параметров соединен с входом усилителя, выход блока формирования разности соединен с входами N+1-го и N+2-го компараторов, выход блока управления соединен с входом первого лазерного модуля, выходы с первого по N-й ключ подключены соответственно к входам со второго по N+1)-й лазерный модуль, а выходы с первого по (N+1)-й лазерный модуль соединены соответственно с первого по (N+1)-й входы устройства суммирования.
Во втором варианте реализации системы управления блок переключения содержит усилитель, с первого по (N+2)-й компаратор, с первого по N-й ключ, последовательно соединенные реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, сумматор, выход которого через с первого по N-й компаратор соединен с управляющими входами с первого по N-й ключ, последовательно соединенные (N+1)-й компаратор, первый элемент И, выход которого соединен с прямым счетным входом реверсивного счетчика, последовательно соединенные (N+2)-й компаратор, инвертор, второй элемент И, выход которого соединен с обратным счетным входом реверсивного счетчика, выход усилителя соединен с вторым входом сумматора, выход генератора соединен с вторыми входами первого и второго элементов И, блок управляемых модулей содержит с первого по (N+1)-й независимые лазерные модули, причем выход задатчика выходных параметров соединен с входом усилителя, выход блока формирования разности соединен со входами N+1-го и N+2-го компараторов, выход блока управления соединен с входом первого лазерного модуля, выходы с первого по N-й ключ подключены соответственно ко входам со второго по (N+1)-й лазерный модуль, а выходы с первого по (N+1)-й лазерный модуль соединены соответственно с первого по (N+1)-й входы устройства суммирования.
В заявляемом техническом решении предлагается обеспечить регулирование параметра излучения лазера с помощью непрерывного управления в небольшом диапазоне изменения величины ошибки между требуемым и измеренным значением выходного параметра излучения лазера. При выходе величины ошибки из заданных пределов (отрицательной и положительной величине предельной ошибки) осуществляется дополнительное дискретное регулирование с помощью ключевых элементов.
На фиг. 1 изображена функциональная схема системы управления параметрами излучения лазера; на фиг. 2 - первый вариант реализации системы управления; а на фиг. 3 - второй вариант реализации системы управления.
Функциональную схему системы управления параметрами излучения лазера поясняет фиг. 1, на которой 1 - задатчик выходного параметра; 2 - блок формирования разности; 3 - блок управления; 4 - блок управляемых модулей; 5 - устройство суммирования; 6 - измеритель выходного параметра; 7 - блок переключения.
Первый вариант реализации системы управления параметрами излучения лазера поясняет фиг. 2, на которой, кроме указанных элементов на фиг. 1, имеются 8 - усилитель; 9 - сумматор; 10...10+N-лазерные модули; 11+N...12+2N - компараторы; 13+2N...14+3N - ключи; 15+3N - интегратор; 16+3N - инвертор.
Второй вариант реализации системы управления параметрами излучения лазера поясняет фиг. 3, на которой, кроме указанных элементов, показаны 17+3N - инвертор; 18+3N, 19+3N - элементы И; 20+3N - реверсивный счетчик; 21+3N - генератор; 22+3N - цифроаналоговый преобразователь.
Задатчик выходного параметра 1 представляет собой последовательно соединенные однополярный источник опорного напряжения, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 144 - 148, табл. 6.1), и усилитель с программируемым коэффициентом передачи, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 57 - 59, рис. 2.1).
Блок формирования разности 2 представляет собой сумматор аналоговых сигналов с двумя входами (инвертирующим и неинвертирующим), реализованный на базе ОУ 153УД6 (см. [4] с. 75 - 77, рис. 3.2).
Блок управления 3 представляет собой усилитель низкой частоты с регулируемым коэффициентом усиления, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 57 - 59, табл. 2.1).
Устройство суммирования 5 представляет собой устройство, позволяющее суммировать сигналы с выхода лазерных модулей 10-10+N в единый световой поток, реализованное на базе элемента SDL-3450-P5 (см. [5], с. 22 - 24).
Измеритель выходного параметра 6 представляет собой последовательно соединенные зеркало резонатора, делительную пластину и фотоприемник (см. [2] ).
Усилитель 8 представляет собой усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 57 - 59, табл. 2.1).
Сумматор 9 представляет собой сумматор аналоговых сигналов с двумя входами, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 75 - 77, рис. 3.2).
Лазерные модули 10. . .10+N представляют собой лазерный диод, реализованный на базе элемента SDL-2350-H2 (см. [5], с. 6 - 10, 12 - 16).
Компараторы 11+N...12+2N - представляют собой однопороговую схему сравнения, реализованную на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], сю 167 - 172, табл. 7.2).
Ключи 13+2N...13+3N представляют собой аналоговый ключ, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 190 - 193, рис. 7.22), сигнал управления на который подается через инвертирующий усилитель, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 57 - 59, табл. 2.1).
Ключ 14+3N (нормально замкнутый) представляет собой аналоговый ключ, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], стр. 190 - 193, рис. 7.22).
Интегратор 15+3N представляют собой аналоговый интегратор, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 77 - 79, табл. 3.1).
Инвертор 16+3N представляют собой инвертирующий усилитель, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 57 - 59, табл. 2.1).
Инвертор 17+3N представляет собой логический элемент НЕ, реализованный на базе микросхемы 155ЛН1 (см. [4], с. 156).
Элементы И 18+3N, 19+3N представляют собой логический элемент 2И, реализованный на базе микросхемы 155ЛИ1 (см. [4], с. 156).
Реверсивный счетчик 20+3N представляет собой четырехразрядный двоичный реверсивный счетчик, реализованный на базе микросхемы 155ИЕ7 (см. [4], с. 142 - 144), с инверторами, реализованными на базе микросхемы 155ЛИ1 (см. [4] , с. 156), на прямом и обратном счетном входах реверсивного счетчика. Наличие инверторов обусловлено тем, что при прямом счете на обратном счетном входе реверсивного счетчика должно быть напряжение логической 1, при обратном счете на прямом счетном входе реверсивного счетчика должно быть напряжение логической 1 [4, с. 144].
Генератор 21+3N представляет собой генератор прямоугольных импульсов, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 138 - 141, рис. 5.14, 5.15).
Цифроаналоговый преобразователь 22+3N представляет собой микросхему 572ПА1 (см. [6], с. 230...239, рис. 9.1).
Источники опорного напряжения представляют собой однополярный источник опорного напряжения, реализованный на базе операционного усилителя 153УД6 (см. [3], с. 144...148, табл. 6.1).
Вновь вводимые блоки реализуются на базе элементов, являющихся стандартными и выпускаемыми промышленностью со стандартной точностью.
Рассмотрим работу системы управления параметрами излучения лазера, осуществляющую стабилизацию выходного параметра - мощности излучения.
Первый вариант реализации системы управления параметрами излучения лазера реализуют следующим образом.
Перед началом управления на задатчике выходного параметра 1 устанавливается коэффициент усиления, обеспечивающий формирование на выходе задатчика выходного параметра 1 сигнала, пропорционального требуемой мощности излучения лазера 4. Этот сигнал в момент начала управления подается на вход усилителя 8. Сигнал с выхода усилителя 8, уменьшенный до допустимой величины, подается на сумматор 9, на другой вход которого подается сигнал с выхода интегратора 15+3N (в начальный момент управления сигнал на выходе интегратора 15+3N равен нулю). С выхода сумматора 9 подается сигнал через компараторы 11+N. . . 10+2N на управляющие входы ключей 13+2N...12+3N. Сигналы с выходов ключей 13+2N...12+3N подаются соответственно на входы лазерных модулей 11 .. . 10+N. При этом в соответствии с уровнем сигнала с выхода сумматора 9 определенное количество компараторов 11+N...10+2N переходит в режим превышения опорного сигнала и срабатыванию соответствующих ключей 13+2N ... 12+3N, что обеспечивает включение соответствующих лазерных модулей 11...10+N. Оптические сигналы с выходов лазерных модулей 10 ... 10+N подаются на входы с первого по N устройства суммирования 5, на выходе которого получается единый лазерный луч. От светоделительной пластинки лазерное излучение направляется на измеритель выходного параметра 6, сигнал с выхода которого поступает на второй вход блока формирования разности 2, на другой вход которого поступает сигнал с выхода задатчика выходного параметра 1. Полученный сигнал ошибки с выхода блока формирования разности 2 подается на вход блока управления 3, на выходе которого формируется управляющий сигнал, обеспечивающий точное регулирование выходных параметров излучения лазерного модуля 10. Сигнал с выхода лазерного модуля 10 подается на первый вход устройства суммирования 5. В случае, если сигнал с выхода блока формирования разности 2 больше опорного сигнала компаратора 11+2N, пропорционального положительной величине предельной ошибки, то компаратор 11+2N переходит в режим превышения опорного сигнала. Управляющий сигнал с выхода компаратора 11+2N подается на ключ 13+3N. Ключ 13+3N переходит в замкнутое состояние и обеспечивает подачу опорного напряжения на вход интегратора 15+3N, на выходе которого формируется линейно возрастающий сигнал. Это обеспечивает увеличение сигнала на выходе сумматора 9, что приводит к переходу соответствующих компараторов 11+N ... 10+2N в режим превышения опорного сигнала, срабатыванию соответствующих им ключей 13+2N ... 12+3N и включению соответствующих лазерных модулей 11 ... 10+N, а следовательно, увеличению величины выходного параметра. В случае, если сигнал с выхода блока формирования разности 2 меньше опорного сигнала компаратора 12+2N, пропорционального отрицательной величине предельной ошибки, то компаратор 12+2N срабатывает. Управляющий сигнал с выхода компаратора 12+2N подается на ключ 14+3N. Ключ 14+3N находится в замкнутом состоянии и обеспечивает подачу отрицательного опорного напряжения на вход интегратора 15+3N, на выходе которого формируется линейно убывающий сигнал. Это обеспечивает уменьшение сигнала на выходе сумматора 9, что приводит к срабатыванию соответствующих компараторов 11+N. . .10+2N, размыканию соответствующих им ключей 13+2N...12+3N и выключению дополнительных лазерных модулей 11...10+N, а следовательно, уменьшению величины выходного параметра. Если сигнал с выхода блока формирования разности 2 меньше опорного сигнала компаратора 11+2N, пропорционального положительной величине предельной ошибки, и больше опорного сигнала компаратора 12+2N, пропорционального отрицательной величине предельной ошибки, то ключи 13+3N и 14+3N разомкнуты и с выхода интегратора 15+3N подается постоянное значение сигнала. Это обеспечивает постоянную величину выходного параметра на выходе лазерных модулей 11...10+N и регулируемую величину выходного параметра на выходе лазерного модуля 10. Следовательно, обеспечиваются точное регулирование работой лазерного модуля 10 и дискретное включение лазерных модулей 11...10+N в случае выхода величины ошибки из заданных пределов (отрицательной и положительной величины предельной ошибки), что в совокупности позволяет осуществить точное воспроизведение выходного параметра излучения лазера.
Далее для наглядности рассмотрим работу первого варианта реализации системы управления для случая, когда N = 4.
Циклограмма работы компараторов 15 - 20, ключей 21 - 26 приведена на фиг. 4. Здесь "1" - ключи 21 - 26 замкнуты, компараторы 15 - 20 в режиме превышения опорного сигнала; "0" - ключи 21 - 26 разомкнуты, компараторы 15 - 20 сработали.
t = 0 определяется моментом времени перехода компаратора 15 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо15, (1)
где U9 - сигнал с выхода сумматора 9; Uоп - опорный сигнал компаратора 15; Uо15 - зона нечувствительности компаратора 15.
t1 определяется моментом времени перехода компаратора 16 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо16, (2)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 16; Uо16 - зона нечувствительности компаратора 16.
t2 определяется моментом времени перехода компаратора 17 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо17, (3)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 17; Uо17 - зона нечувствительности компаратора 17.
t3 определяется моментом времени перехода компаратора 18 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо18, (4)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 18; Uо18 - зона нечувствительности компаратора 18.
t4 определяется моментом времени срабатывания компаратора 19 по условию
U2-Uоп <= Uо19, (5)
где U2 - сигнал с выхода блока формирования разности 2; Uоп - опорный сигнал компаратора 19; Uо19 - зона нечувствительности компаратора 19.
t5 определяется моментом времени срабатывания компаратора 20 по условию
U2 - Uоп <= Uо20, (5)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 20; Uо20 -зона нечувствительности компаратора 20.
t6 определяется моментом времени срабатывания компаратора 18 по условию
U9 - Uоп <= Uо18 (7)
t7 определяется моментом времени перехода компаратора 20 в режим превышения опорного сигнала по условию
U2 - Uоп > Uо20 (8)
В первом варианте реализации системы управления обеспечивают снижение неэффективных расхода энергии на тепло при управлении параметрами излучения лазера, т. е. повышение КПД работы лазера и сохранение высокой точности управления параметрами излучения лазера достигается путем
- задания опорного сигнала на компараторе 19 (в общем случае компаратор 11+2N), пропорционального положительной величине предельной ошибки;
- задания опорного сигнала на компараторе 20 (12+2N), пропорционального отрицательной величине предельной ошибки;
- формирования с помощью элементов 1, 2, 6 на выходе элемента 3 управляющего сигнала, обеспечивающую точную отработку системой заданного воздействия;
- формирования с помощью элементов 1, 6, 7, 8, 15 (11+N) ... 28 (16+3N) на выходе сумматора 9 управляющего сигнала, обеспечивающего дискретное включение лазерных модулей 11. ..14 (10+N) с помощью ключей 21 (13+2N) ... 24 (12+3N) в случае, если величина ошибки с выхода блока 2 превысит заданные пределы (отрицательной и положительной величины предельной ошибки);
- определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов 5 - 28 (16+3N) и выполнением определенных параметрических соотношений.
Обосновать работу первого варианта системы управления можно следующим образом.
Сигнал управления лазерным модулем 10, формируемый на выходе блока управления, 3 имеет вид
U3(t) = W3 • (U1 - U6(t)
где W3 - передаточная функция блока управления 3; U1 - сигнал с выхода задатчика выходного параметра 1; U6(t) - сигнал с выхода измерителя выходного параметра 6.
Сигнал управления лазерными модулями 11 - 14 формируется на выходе сумматора 9.
Для момента времени 0. . . t4, когда величина ошибки с выхода блока 2 больше положительной величины предельной ошибки, сигнал управления, формируемый на выходе сумматора, 9 имеет вид
где U8 - сигнал с выхода усилителя 8: U8 = k8 • U1; (11) k8 - коэффициент передачи усилителя 8 устанавливается в диапазоне, например, 0 - 0,6; Uоп25 - опорный сигнал ключа 25; U27(0) - начальное условие на интеграторе 27 (в начальный момент времени управления устанавливается, как правило, нулевое значение), определяет совместно с величиной сигнала U8 величину начального скачка в сигнале управления U9(t); k27 - коэффициент передачи интегратора 27, определяет совместно с величиной сигнал Uоп25 быстроту нарастания сигнала управления U9(t); t - текущее время.
Для момента времени t4-t5 и t < t7, когда величина ошибки с выхода блока 2 находится в заданных пределах, определяемых отрицательной и положительной величинами предельной ошибки, сигнал управления формируемый на выходе сумматора 9 имеет вид
U9(t) = U8 + U27(0),(12)
где U8 - сигнал с выхода усилителя 8; U27(0) - начальное условие на интеграторе 27 для момента времени t4 или t7.
Для момента времени t5 - t7, когда величина ошибки с выхода блока 2 меньше отрицательной величины предельной ошибки, сигнал управления, формируемый на выходе сумматора 9, имеет вид
где U8 - сигнал с выхода усилителя 8; Uоп26 - опорный сигнал ключа 26; U27(t5) - начальное условие на интеграторе 27 для момента времени t5; k27 - коэффициент передачи интегратора 27, определяет совместно с величиной сигнал Uоп26, определяет быстроту уменьшения сигнала управления U9(t).
Анализ формул (1)...(13) показывает, что воспроизведение выходного параметра излучения лазера осуществляется с помощью непрерывного регулирования блоком управления 3 работы лазерного модуля 10 и дискретным включением лазерных модулей 11 - 14 с помощью ключей 21 - 24 в случае выхода величина ошибки из заданных пределов (отрицательной и положительной величины предельной ошибки). При таком регулировании обеспечивается высокая точность воспроизведения выходного параметра лазера, так как точность воспроизведения выходного параметра излучения лазера определяется точностью работы цепи управления лазерного модуля 10, в которой реализуется принцип управления по отклонению. Кроме того, при таком регулировании тепловые потери энергии имеются только в цепи управления лазерным модулем 10, так как в этой цепи осуществляется непрерывное управление, а в цепях управления лазерных модулей 11 - 14 тепловых потерь энергии практически нет, так как управление здесь производится с помощью ключевых элементов, мощность рассеивания которых пренебрежимо мала. При этом, чем больше величина N, т.е. чем больше лазерных модулей, управляемых с помощью ключей, тем больше снижаются неэффективные расходы энергии на тепло при управлении параметрами излучения лазера, т.е. обеспечивается сохранение высокого КПД работы лазера. Следовательно, рассмотренная система управления обеспечивает повышение точности управления параметрами излучения лазера при сохранении высокого КПД работы лазера.
Второй вариант системы управления параметрами излучения лазера реализуют следующим образом.
Перед началом управления на задатчике выходного параметра 1 устанавливается коэффициент усиления, обеспечивающий формирование на выходе задатчика выходного параметра 1 сигнала, пропорционального требуемой мощности излучения лазера 4. Этот сигнал в момент начала управления подается на вход усилителя 8. Сигнал с выхода усилителя 8, уменьшенный до допустимой величины, подается на сумматор 9, на другой вход которого подается сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 22+3N (в начальный момент управления сигнал на выходе цифроаналогового преобразователя 22+3N равен нулю). С выхода сумматора 9 подается сигнал через компараторы 11+N...10+2N на управляющие входы ключей 13+2N . . .12+3N. Сигналы с выходов ключей 13+2N ... 12+3N подаются соответственно на входы лазерных модулей 11 ... 10+N. При этом в соответствии с уровнем сигнала с выхода сумматора 9 определенное количество компараторов 11+N...10+2N переходит в режим превышения опорного сигнала и срабатыванию соответствующих ключей 13+2N ... 12+3N, что обеспечивает включение соответствующих лазерных модулей 11. ..10+N. Оптические сигналы с выходов лазерных модулей 10 . .. 10+N подаются на входы с первого по N устройства суммирования 5, на выходе которого получается единый лазерный луч. От светоделительной пластинки лазерное излучение направляется на измеритель выходного параметра 6, сигнал с выхода которого поступает на второй вход блока формирования разности 2, на другой вход которого поступает сигнал с выхода задатчика выходного параметра 1. Полученный сигнал ошибки с выхода блока формирования разности 2 подается на вход блока управления 3, на выходе которого формируется управляющий сигнал, обеспечивающий точное регулирование выходных параметров излучения лазерного модуля 10. Сигнал с выхода лазерного модуля 10 подается на первый вход устройства суммирования 5. В случае, если сигнал с выхода блока формирования разности 2 больше опорного сигнала компаратора 11+2N, пропорционального положительной величине предельной ошибки, то компаратор 11+2N переходит в режим превышения опорного сигнала. Управляющий сигнал с выхода компаратора 11+2N подается на первый вход элемента И 18+3N, на второй вход которого подается сигнал с выхода генератора 21+3N. На выходе элемента И 18+3N формируются импульсы. Эти импульсы подаются на прямой счетный вход реверсивного счетчика 20+3N. Выходное значение реверсивного счетчика 20+3N преобразуется цифроаналоговым преобразователем 25 в линейно возрастающий сигнал. Это обеспечивает увеличение сигнала на выходе сумматора 9, что приводит к переходу соответствующих компараторов 11+N ... 10+2N в режим превышения опорного сигнала, срабатыванию соответствующих им ключей 13+2N ... 12+3N и включению соответствующих лазерных модулей 11 ... 10+N, а следовательно, увеличению величины выходного параметра. В случае, если сигнал с выхода блока формирования разности 2 меньше опорного сигнала компаратора 12+2N, пропорционального отрицательной величине предельной ошибки, компаратор 12+2N срабатывает. Управляющий сигнал с выхода компаратора 12+2N подается через инвертор 17+3N на первый вход элемента И 19+3N, на второй вход которого подается сигнал с выхода генератора 21+3N.
На выходе элемента И формируются импульсы. Эти импульсы подаются на обратный счетный вход реверсивного счетчика 20+3N. Выходное значение реверсивного счетчика 20+3N преобразуется цифроаналоговым преобразователем 22+3N в линейно убывающий сигнал. Это обеспечивает уменьшение сигнала на выходе сумматора 9, что приводит к срабатыванию соответствующих компараторов 11+N ... 10+2N, размыканию соответствующих им ключей 13+2N ... 12+3N и выключению соответствующих лазерных модулей 11 ... 10+N, а следовательно, уменьшению величины выходного параметра. Если сигнал с выхода блока формирования разности 2 меньше опорного сигнала компаратора 11+2N, пропорционального положительной величине предельной ошибки, и больше опорного сигнала компаратора 12+2N, пропорционального отрицательной величине предельной ошибки, на первые входы элементов И 18+3N, 19+3N подаются сигналы, соответствующие логическому 0. На выходах элементов И 18+3N, 19+3N также устанавливаются логические 0 и с выхода цифроаналоговым преобразователем 22+3N выдается запомненное значение сигнала. Это обеспечивает постоянную величину выходного параметра на выходе лазерных модулей 11. ..10+N и регулируемую величину выходного параметра на выходе лазерного модуля 10. Следовательно, обеспечиваются точное регулирование работой лазерного модуля 10 и дискретное включение лазерных модулей 11.. . 10+N в случае выхода величины ошибки из заданных пределов (отрицательной и положительной величины предельной ошибки), что в совокупности позволяет осуществить точное воспроизведение выходного параметра излучения лазера.
Далее для наглядности рассмотрим работу второго варианта реализации системы управления для случая, когда N = 4.
Циклограмма работы компараторов 15 - 20, ключей 21 - 24 приведена на фиг. 5. Здесь "1" - ключи 21 - 26 замкнуты, компараторы 15 - 20 в режиме превышения опорного сигнала, инвертор 29, элементы И 30, 31 в состоянии логической 1, генератор 33 в состоянии выдачи прямоугольного импульса; "0" - ключи 21. ..24 разомкнуты, компараторы 15...20 сработали, инвертор 29, элементы И 30, 31 в состоянии логического 0, генератор 33 не формирует прямоугольный импульс.
t=0 определяется моментом времени перехода компаратора 15 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо15, (14)
где U9 - сигнал с выхода сумматора 9; Uоп - опорный сигнал компаратора 15; U150 - зона нечувствительности компаратора 15.
t1 определяется моментом времени перехода компаратора 16 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо16, (15)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 16; Uо16 - зона нечувствительности компаратора 16.
t2 определяется моментом времени перехода компаратора 17 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо17, (16)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 17; Uо17 - зона нечувствительности компаратора 17.
t3 определяется моментом времени перехода компаратора 18 в режим превышения опорного сигнала по условию
U9-Uоп > Uо18, (17)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 18; Uо18 - зона нечувствительности компаратора 18.
t4 определяется моментом времени срабатывания компаратора 19 по условию
U2 - Uоп <= Uо19, (18)
где U2 - сигнал с выхода блока формирования разности 2; Uоп - опорный сигнал компаратора 19; Uо19 - зона нечувствительности компаратора 19.
t5 определяется моментом времени срабатывания компаратора 20 по условию
U2 - Uоп <= Uо20, (19)
где Uоп - опорный сигнал компаратора 20; Uо20 - зона нечувствительности компаратора 20.
t6 определяется моментом времени срабатывания компаратора 18 по условию
U9 - Uоп <= Uо18 (20)
t7 определяется моментом времени перехода компаратора 20 в режим превышения опорного сигнала по условию
U2-Uоп > Uо20 (21)
В предлагаемой системе управления обеспечивают снижение неэффективных расхода энергии на тепло при управлении параметрами излучения лазера, т.е. повышение КПД работы лазера и сохранение высокой точности управления параметрами излучения лазера достигается путем
- задания опорного сигнала на компараторе 19 (в общем случае компаратор 11+2N), пропорционального положительной величины предельной ошибки;
- задания опорного сигнала на компараторе 20 (12+2N), пропорционального отрицательной величины предельной ошибки;
- формирования с помощью элементов 1, 2, 6 на выходе элемента 3 управляющего сигнала, обеспечивающую точную отработку системой заданного воздействия;
- формирования с помощью элементов 1, 6, 7, 8, 15 (11+N) ... 26 (14+3N), 30 (18+3N) . . . 34 (22+3N) на выходе сумматора 9 управляющего сигнала, обеспечивающего дискретное включение лазерных модулей 11...14 (10+N) с помощью ключей 21 (13+2N) ... 26 (12+3N) в случае, если величина ошибки с выхода блока 2 превысит заданные пределы (отрицательной и положительной величины предельной ошибки);
- определенной последовательностью соединения вновь вводимых элементов 5. . .26 (14+3N), 30 (18+3N) ... 34 (22+3N) и выполнением определенных параметрических соотношений.
Обосновать работу системы управления можно следующим образом.
Сигнал управления лазерным модулем 10, формируемый на выходе блока управления 3, имеет вид
U3(t) = W3 • (U1 - U6(t))
где W3 - передаточная функция блока управления 3; U1 - сигнал с выхода задатчика выходного параметра 1; U6(t) - сигнал с выхода измерителя выходного параметра 6.
Сигнал управления лазерными модулями 11 - 14 формируется на выходе сумматора 9.
Для момента времени t= 0...t4, когда величина ошибки с выхода блока 2 больше положительной величины предельной ошибки, сигнал управления, формируемый на выходе сумматора, 9 имеет вид
U9(t) = U8 + k34 • f • t + k34 • N[0];
где U8 - сигнал с выхода усилителя 8; N[0] - начальное значение реверсивного счетчика 32 (в начальный момент времени управления устанавливается, например, нулевое значение), определяет совместно с величиной сигнала U8 и значением коэффициента передачи k34 величину начального скачка в сигнале управления U9(t); f - частота генератора 33; k34 - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя 34 совместно с частотой f генератора 33 определяет скорость увеличения сигнала управления U9(t).
Для момента времени t4. ..t5 и t > t7, когда величина ошибки с выхода блока 2 находится в пределах, определяемых отрицательной и положительной величинами предельной ошибки, сигнал, управления, формируемый на выходе сумматора 9, имеет вид
U9(t) = U8 + k34 • N[ti];
где N[ti] - начальное значение реверсивного счетчика 32 для моментов времени t4 или t7.
Для момента времени t5...t7, когда величина ошибки с выхода блока 2 меньше отрицательной величины предельной ошибки, сигнал управления, формируемый на выходе сумматора 9, имеет вид
U9(t) = U8 - k34 • f • (t-t5) + k25 • N[t5];
где N[t5] - значение реверсивного счетчика 32 для момента времени t5; k34 - коэффициент передачи цифроаналового преобразователя 34 совместно с частотой f генератора 33 определяет скорость уменьшения сигнала управления U9(t).
Анализ формул (14)...(25) показывает, что воспроизведение выходного параметра излучения лазера осуществляется с помощью непрерывного регулирования блоком управления 3 работы лазерного модуля 10 и дискретным включением лазерных модулей 11...14 с помощью ключей 21...24 в случае выхода величина ошибки из заданных пределов (отрицательной и положительной величины предельной ошибки). При таком регулировании обеспечивается высокая точность воспроизведения выходного параметра лазера, так как точность воспроизведения выходного параметра излучения лазера определяется точностью работы цепи управления лазерного модуля 10, в которой реализуется принцип управления по отклонению. Кроме того, при таком регулировании тепловые потери энергии имеются только в цепи управления лазерным модулем 10, так как в этой цепи осуществляется непрерывное управление, а в цепях управления лазерных модулей 11...14 тепловых потерь энергии практически нет, так как управление здесь производится с помощью ключевых элементов, мощность рассеивания которых пренебрежимо мала. При этом, чем больше величина N, т.е. чем больше лазерных модулей, управляемых с помощью ключей, тем больше снижаются неэффективные расходы энергии на тепло при управлении параметрами излучения лазера, т.е. обеспечивается сохранение высокого КПД работы лазера. Следовательно, рассмотренная система управления обеспечивает повышение точности управления параметрами излучения лазера при сохранении высокого КПД работы лазера.
Таким образом, предлагаемый способ управления параметрами излучения лазера и система для его осуществления обеспечивают повышение точности управления параметрами излучения лазера при сохранении высокого КПД работы лазера за счет регулирования параметра излучения лазера с помощью непрерывного управления в небольшом диапазоне изменения величины ошибки между требуемым и измеренным значениями выходного параметра излучения лазера. При выходе величины ошибки из заданных пределов (отрицательной и положительной величины предельной ошибки) осуществляется дополнительное дискретное регулирование с помощью ключевых элементов.
Следовательно, использование новых элементов 7...22+3N, соединенных в соответствии с фиг. 1, 2 и 3 с указанными характеристиками (1)...(25) в предлагаемой системе управления, выгодно отличает предлагаемое техническое решение от прототипа, так как обеспечивает повышение точности управления параметрами излучения лазера при сохранении высокого КПД работы лазера.
Список литературы
1. Привалов В.Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. - Л.: Судостроение, 1989, с. 127 - 131.
2. Солдатов А. Н. , Соломонов В.И. Газоразрядные лазеры на самоограниченных переходах в парах металла. Новосибирск: Наука, 1985, с. 93 - 102, рис. 4.7.
3. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь, 1981.
4. Справочник по интегральным микросхемам. Под ред. Б.В. Тарабрина. - М. : Энергия, 1981.
5. 1993 Laser Diode Product Catalog. - 80 Rose Orchard Way San Jose, CA 95134-1365, USA.
6. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоиздат, 1988.
Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано в технологических, медицинских, метрологических, других лазерных установках и установках для научных исследований. Сущность: задают опорный сигнал, пропорциональный номинальной величине выходного параметра, выделяют сигнал, пропорциональный величине выходного параметра, формируют сигнал ошибки, пропорциональный разности между опорным и выделенным сигналами, и управляют параметрами излучения таким образом, чтобы уменьшить сигнал ошибки, при этом перед заданием опорного сигнала уменьшают зону непрерывного управления параметрами излучения, устанавливают пороговые сигналы, соответствующие границам зоны непрерывного управления параметрами излучения и формируют сигнал, пропорциональный величине дискретного изменения параметра излучения. Для осуществления указанного способа в систему управления параметрами излучения лазера, содержащую последовательно соединенные задатчик выходного параметра, блок формирования разности, блок управления, блок управляемых модулей и последовательно соединенные устройство суммирования и измеритель выходных параметров. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 5 ил.
| Привалов В.Е | |||
| Газоразрядные ленты в измерительных комплексах | |||
| - Л.: Судос троение, 1989, с.127-131 | |||
| Солдатов А.Н., Соломонов В.И | |||
| Газоразрядные лазе ры на самоограниченных переходах в парах металла | |||
| - Новосибирск: Наука, 19 85, с.93 - 102. |
