CN104466681A - 一种光纤放大器的串级控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤放大器的串级控制系统，采用两个或者更多的串级控制回路，能及早克服进入副回路的扰动，改善系统动态特性，主控制器用于“粗调”和总体目标控制，副控制器用于“细调”和快速收敛于短时目标，从而使其控制品质得到进一步提高；采用本发明的串级控制系统能够在直接定义总体控制目标，避免一些特殊参数衰老特性在现场应用中的影响；对于总体控制目标与两个或以上参数相关的应用，使用两个或以上的控制回路，实现利用控制结构将控制目标中多参数的解耦合，避免单环控制中实时往复计算带来的震荡，提高系统动态指标。

Description

一种光纤放大器的串级控制系统

技术领域

本发明涉及一种应用于光通信系统中光放大器的控制系统，具体地说，涉及用于拉曼光纤放大器或者EDFA放大器的串级控制系统，本发明属于光纤通信领域。

背景技术

目前，分布式拉曼光纤放大器和掺铒光纤放大器EDFA已在通信系统中大量应用，为满足各种应用指标和功能要求，各种控制方法被用于光纤放大器的产品设计，例如应用前馈和反馈相结合的方法提高瞬态指标、利用基于预测的方法来实现对快速时间的预先响应等。对于以下一些场景，合适的控制器设计是能获得满足要求的控制功能和性能的关键：

控制目标包含多个参量的场合，控制性能往往难以达到要求，例如EDFA放大器设计中功率模式下增益受限制的实现，EDFA放大器中增益模式下功率受限制的实现，在这些场合，使用单回路的控制方法难以很好的克服扰动影响，获得好的动态特性。

多泵浦光纤放大器的设计中，为了优化系统指标或者达到某些功能特性，往往要求依据某些参数或者控制目标控制不同泵浦激光器的功率，例如，在增益可控的分布式拉曼光纤放大器中，为实现tilt和增益的控制，要求不同波长的泵浦激光器的功率按照既定比例分配，或者在edfa放大器的设计中，为获得更好的光学指标，在输入光功率和增益在特定的范围内时，泵浦的功率按照固定的比例分配，而在其他范围内按照另外的比例设置。对于这样的系统要求，使用单环控制器无法直接实现控制器的结构，妥协的办法是在产品生产时定标泵浦功率和电流的特性曲线，仍然使用单环控制器以功率电流关系的查找表为媒介予以实时控制，但是这种场合的代价是一方面增加了量出的生产代价，浪费工时人力，更重要的是在放大器使用一定时间后，泵浦激光器的老化会引起泵浦功率和电流的特性曲线的变化，导致控制目标不能真实达到，即放大器不能收敛于正确的工作点。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术存在的问题和不足，提供串级控制的系统来控制光纤放大器中的泵浦激光器。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光纤放大器的串级控制系统，包括目标设定参数模块、主控制器、至少一个被控模块以及与所述被控模块对应的副控制器；其中，

所述目标设定参数模块用于向所述主控制器设定第一目标参数信号，第一目标参数是期望所述被控模块所要达到的第一输出参数；

所述主控制器根据所述目标设定参数模块输出的第一目标参数信号和所述被控模块输出的第一目标参数监控信号，产生与每个所述被控模块对应的第二目标参数信号，第二目标参数是期望所述被控模块所要达到的第二输出参数，期望所述被控模块所要达到的第二输出参数与期望所述被控模块所要达到的第一输出参数不同但相关联；

所述副控制器根据所述第二目标参数信号和所述被控模块输出的第二目标参数监控信号向对应的被控模块输出控制信号；

所述被控模块在所述副控制器输出的控制信号驱动下工作，产生对应的第二目标参数监控信号反馈给对应的副控制器，产生对应的第一目标参数监控信号反馈给所述主控制器；

其中，所述副控制器和对应的被控模块构成内环反馈控制回路；所述内环反馈控制回路和主控制器构成外环反馈控制回路。

在上述技术方案中，所述被控模块为泵浦激光器和放大器模块，所述第一目标参数是期望所述泵浦激光器和放大器模块所要达到的实时增益，所述第二目标参数是期望所述泵浦激光器和放大器模块所要达到的泵浦实时功率。

在上述技术方案中，所述外环反馈控制回路进一步包括与所述副控制器对应的副目标参数修订模块和副目标参数设定模块；所述副目标参数修订模块根据所述副目标参数设定模块所设定的数值来修正所述主控制器输出的第二目标参数信号。

在上述技术方案中，所述副目标参数修订模块为上限功率保护模块，所述副目标参数设定模块为受限功率设定模块；所述上限功率保护模块根据所述受限功率设定模块所设定的限值来修正所述主控制器输出的第二目标参数信号。

在上述技术方案中，所述副目标参数修订模块为乘法器，所述副目标参数设定模块为功率系数设定模块；所述乘法器根据所述功率系数设定模块所设定的系数来修正所述主控制器输出的第二目标参数信号。

在上述技术方案中，所述外环反馈控制回路中包括多个并联的内环反馈控制回路，每个所述内环反馈控制回路对应一组副目标参数修订模块和副目标参数设定模块。

在上述技术方案中，所述外环反馈控制回路中包括多个级联的内环反馈控制回路，每个所述内环反馈控制回路对应一组副目标参数修订模块和副目标参数设定模块。

在上述技术方案中，所述主控制器和所述副控制器可以为反馈控制器或者前馈反馈控制器；

所述主控制器和所述副控制器可以为PID控制器、PI控制器；

所述主控制器和所述副控制器还可以结合模糊逻辑控制、自适应控制。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)对于控制目标包含多个参量的场合，能够克服单回路控制结构无法适应变化剧烈幅度较大的扰动的问题，获取较好的动态特性；而且将控制目标在控制结构实现时直接映射，结构清晰，是设计目标于设计结构中能够直接可观测的设计；当控制目标有变化时候，具体实现易于修改，维护代价比较小；

2)对于要求依据某些参数或者控制目标控制不同泵浦激光器的功率的场合，提供了一种新的实现方法，一方面避免了泵浦老化带来的控制不精确问题，另一方面能实时动态的调节泵浦功率配比，满足性能要求；

3)能迅速克服进入副回路的扰动，对负荷变化的适应性较强，能够依据某些参数或者控制目标控制不同泵浦激光器的功率。

附图说明

图1为通用的应用于光纤放大器设计的串级控制器的结构图；

图2为实现实例，EDFA放大器增益模式下功率限制的实现；

图3为实现实例，分布式RAMAN放大器增益控制的实现系统；

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

下面结合附图和两个应用实例对本发明做进一步说明：

总体来说，本发明是为了解决两大应用场合的问题，一种是对于总体控制目标与两个或以上参数相关联的应用场合，通过使用两个或以上的控制回路，实现利用控制结构将控制目标中多参数的解耦合，避免单环控制中实时往复计算带来的震荡，从而提高系统动态指标；另一种是对于需要控制不同泵浦激光器的功率比例的场合，使用串级控制结构直接实现功率控制，而非采用定标泵浦功率和电流的特性曲线的方法，避免激光器老化带来不能精确工作的问题。

本发明的通用控制结构如图1所示，主目标参数设定模块输出的设定信号输入主控制器，主控制器输出的副目标参数设定信号输入副控制器，副控制器输出的控制信号输入放大器模块，放大器模块输出的副目标参数监控信号反馈回副控制器构成内环反馈控制回路，放大器模块输出的主目标参数监控信号反馈回主控制器构成外环反馈控制回路。

在图1所示技术方案的总体控制结构中，整个控制回路由内环反馈控制回路和外环反馈控制回路共同构成。

如图1所示，内环反馈控制回路由虚线框内部分构成。内环反馈控制回路包括：副控制器即内环控制器、放大器模块；副控制器的输入信号包括副目标参数设定信号和副目标参数监控信号，副目标参数设定信号即上级主控制器的控制量输出模块、副目标参数监控信号即放大器模块输出的实时数值；

如图1所示，外环反馈控制回路包括：内环反馈控制回路、主控制器即外环控制器、主目标参数设定模块，主目标参数设定模块用于设定并输出设定信号即总体控制目标，主控制器的输入包括主目标参数设定模块输出的设定信号和主目标参数监控信号；主目标参数监控信号即放大器模块输出的实时数值，主控制器输出的外环控制量即内环反馈控制回路的副目标参数设定信号。

图1中所示的串级控制器的外环反馈控制回路只有一个，而本领域技术人员可以预见到，根据实际需要，内环反馈控制回路可以有一个或多个，多个内环反馈控制回路之间可以是嵌套和/或平行设置方式，即可以有多层内环反馈控制回路相嵌套/级联，而且每一层内环反馈控制回路可以有多个平行/并联的内环反馈控制回路。最内层的内环反馈控制回路的输出的控制信号直接控制泵浦激光器的工作电流。

外环反馈控制回路中的主控制器和各个内环反馈控制回路中的副控制器为反馈控制器或者前馈反馈控制器，典型的为PID控制器或PI控制器，也可以是结合模糊逻辑控制、自适应控制功能的其他反馈控制器。

外环反馈控制回路中的主控制器和各个内环反馈控制回路中的副控制器一般由模拟电路或者数字处理器实现，典型的，可以使用模拟的PID电路或者使用DSP实现的数字PID控制器。

图2中描述了在EDFA放大器增益模式下功率限制的串级控制结构实现，相比于单回路控制器，其特征在于仍然使用增益作为主要控制目标，应用于主回路即外环反馈控制回路；以功率为次要控制目标，应用于副回路即内环反馈控制回路，实现了对增益锁定和功率受限的两个控制参量的同时实现，即在满足最大输出功率受限于给定值的增益锁定。

如图2所示，内环反馈控制回路由虚线框内部分构成，包括副控制器、泵浦激光器和放大器模块，泵浦激光器和放大器模块输出的泵浦实时功率信号和修正设定功率信号输入副控制器，副控制器输出的控制信号输入泵浦激光器和放大器模块。内环反馈控制回路实现的是泵浦激光器和放大器模块的泵浦功率锁定功能，即副控制器依据泵浦激光器和放大器模块输出的泵浦实时功率值和修正设定功率值的差异来调节泵浦激光器和放大器模块的驱动工作电流，驱动泵浦激光器和放大器模块工作。

如图2所示，外环反馈控制回路包括：内环反馈控制回路、主控制器、目标增益设定模块，并进一步包括上限功率保护模块和受限功率设定模块，泵浦激光器和放大器模块输出的实时增益信号和目标增益设定模块输出的增益设定信号输入主控制器，主控制器输出的泵浦目标功率信号和受限功率设定模块输出的功率上限设定信号输入上限功率保护模块，上限功率保护模块依据功率上限设定信号对泵浦目标功率信号进行修正，输出修正设定功率信号。主控制器根据实时增益信号和增益设定信号的差异调节泵浦目标功率信号，使放大器的增益收敛于给定值。

上限功率保护模块的功能是保证修正设定功率值不大于功率上限设定信号所代表的受限功率设定值，即实现所谓的PLIMT功能，当主控制器输出的泵浦目标功率值大于受限功率设定值时候，修正设定功率值等于受限功率设定值，否则，就等于泵浦目标功率值。

图3中，描述了在要求依据某些参数或者控制目标来控制不同泵浦激光器功率的场合采用串级控制结构的实现，假设仍然以增益为控制目标，即将增益作为外环反馈控制回路的目标参数，由外环反馈控制回路中的主控制器输出的控制量为泵浦目标功率值，其具体含义为对应于主控回路控制目标的泵浦功率大小的相对描述，将其乘以不同泵浦激光器对应的给定系数，得到了不同泵浦激光器的修正设定功率值，从而实现了泵浦功率的分配，图3中示出了采用两个泵浦激光器的结构，分布式RAMAN光放大器中包括泵浦激光器A和泵浦激光器B、合波器、增益介质光纤、增益计算单元；副控制器A根据设定修正功率A对泵浦激光器A进行控制，泵浦激光器A将泵浦A实时功率反馈给泵浦激光器A，构成内环反馈控制回路1；副控制器B根据设定修正功率B对泵浦激光器B进行控制，泵浦激光器B将泵浦B实时功率反馈给泵浦激光器B，构成内环反馈控制回路2；泵浦激光器A和泵浦激光器B输出的激光经过合波器后由增益介质光纤进行放大输出，增益实时计算单元计算分布式RAMAN光放大器的实时增益反馈给主控制器，构成外环反馈控制回路；主控制器根据目标增益设定模块设置的增益目标和反馈的实时增益分别针对泵浦激光器A和泵浦激光器B输出泵浦目标功率值；根据泵浦A功率系数设定模块和泵浦B功率系数设定模块的设定值，分别通过乘法器对泵浦激光器A和泵浦激光器B的泵浦目标功率值进行修正，得到输入副控制A的设定修正功率A、输入副控制B的设定修正功率B，由此实现分布式RAMAN光放大器的串级控制结构。本领域技术人员可以预见，根据实际需要，此结构中可以有三个或者更多的内环反馈控制回路，内环反馈控制回路的个数取决于泵浦激光器的个数，这些内环反馈控制回路相互平行/并联，每个平行的内环反馈控制回路功能相类似，如图3所示各个内环反馈控制回路由对应虚线框内部分构成的。每个内环反馈控制回路以输入泵浦激光器的泵浦电流为控制量输出用于控制对应泵浦激光器的功率达到给定值。相比于单环控制器以功率电流关系的查找表为媒介予以实时控制，本发明的串级控制系统不用考虑泵浦激光器的老化所引起的泵浦功率和电流特性曲线的变化，在泵浦激光器特性发生变化时候仍然能实现对目标参数的精确控制。而且节省了定标环节的生产成本，优势明显。

发明提供的光纤放大器的串级控制系统采用两个或者更多的串级控制回路，能及早克服进入副回路的扰动，改善系统动态特性，其中主控制器用于“粗调”和总体目标控制，副控制器用于“细调”和快速收敛于短时目标，从而使其控制品质得到进一步提高；同时，相比较于一些单回路构建系统的参数映射方法，采用串级控制系统能够在主回路中更直接定义总体控制目标，避免一些特殊参数衰老特性在现场应用中的影响；对于总体控制目标与两个或以上参数相关的应用，使用两个或以上的控制回路，实现利用控制结构将控制目标中多参数的解耦合，避免单环控制中实时往复计算带来的震荡，提高系统动态指标。在实际应用中，基于现有泵浦激光器的硬件接口，普遍采用泵浦电流为内环反馈控制回路的控制量输出，内环反馈控制回路的控制目标为上级外环反馈控制回路的控制量输出，对于两级以上的系统，以此类推，实现多级控制。

Claims (8)

1.一种光纤放大器的串级控制系统，其特征在于包括目标设定参数模块、主控制器、至少一个被控模块以及与所述被控模块对应的副控制器；其中，

所述目标设定参数模块用于向所述主控制器设定第一目标参数信号，第一目标参数是期望所述被控模块所要达到的第一输出参数；

所述主控制器根据所述目标设定参数模块输出的第一目标参数信号和所述被控模块输出的第一目标参数监控信号，产生与每个所述被控模块对应的第二目标参数信号，第二目标参数是期望所述被控模块所要达到的第二输出参数，期望所述被控模块所要达到的第二输出参数与期望所述被控模块所要达到的第一输出参数不同但相关联；

所述副控制器根据所述第二目标参数信号和所述被控模块输出的第二目标参数监控信号向对应的被控模块输出控制信号；

所述被控模块在所述副控制器输出的控制信号驱动下工作，产生对应的第二目标参数监控信号反馈给对应的副控制器，产生对应的第一目标参数监控信号反馈给所述主控制器；

其中，所述副控制器和对应的被控模块构成内环反馈控制回路；所述内环反馈控制回路和主控制器构成外环反馈控制回路。

2.按权利要求1所述的光纤放大器的串级控制系统，其特征在于：所述被控模块为泵浦激光器和放大器模块，所述第一目标参数是期望所述泵浦激光器和放大器模块所要达到的实时增益，所述第二目标参数是期望所述泵浦激光器和放大器模块所要达到的泵浦实时功率。

3.按权利要求1-2中任一项所述的光纤放大器的串级控制系统，其特征在于：所述外环反馈控制回路进一步包括与所述副控制器对应的副目标参数修订模块和副目标参数设定模块；所述副目标参数修订模块根据所述副目标参数设定模块所设定的数值来修正所述主控制器输出的第二目标参数信号。

4.按权利要求3所述的光纤放大器的串级控制系统，其特征在于：所述副目标参数修订模块为上限功率保护模块，所述副目标参数设定模块为受限功率设定模块；所述上限功率保护模块根据所述受限功率设定模块所设定的限值来修正所述主控制器输出的第二目标参数信号。

5.按权利要求3所述的光纤放大器的串级控制系统，其特征在于：所述副目标参数修订模块为乘法器，所述副目标参数设定模块为功率系数设定模块；所述乘法器根据所述功率系数设定模块所设定的系数来修正所述主控制器输出的第二目标参数信号。

6.按权利要求1-5中任一项所述的光纤放大器的串级控制系统，其特征在于：所述外环反馈控制回路中包括多个并联的内环反馈控制回路，每个所述内环反馈控制回路对应一组副目标参数修订模块和副目标参数设定模块。

7.按权利要求1-5中任一项所述的光纤放大器的串级控制系统，其特征在于：所述外环反馈控制回路中包括多个级联的内环反馈控制回路，每个所述内环反馈控制回路对应一组副目标参数修订模块和副目标参数设定模块。

8.按权利要求1-7中任一项所述的光纤放大器的串级控制系统，其特征在于：所述主控制器和所述副控制器可以为反馈控制器或者前馈反馈控制器；

所述主控制器和所述副控制器可以为PID控制器、PI控制器；

所述主控制器和所述副控制器还可以结合模糊逻辑控制、自适应控制。