一种高功率光纤激光器的动态水温控制方法及系统与流程

本发明属于光纤激光器温度管理，尤其涉及一种高功率光纤激光器的动态水温控制方法及系统。

背景技术：

1、高功率运行状态下，泵浦源、增益光纤等器件会产生大量热负载，散热系统的温控性能直接决定了激光器的输出响应速度、运行稳定性与使用寿命。

2、目前，高功率光纤激光器的水冷系统普遍采用定温控制思路，现有主流技术方案主要包括固定水温冷却法，即将冷却水温设置为恒定值（如 25℃），通过循环冷却水带走器件产生的热量，激光器输出功率按预设斜率缓慢上升至目标值，该方案结构简单、控制逻辑简便，是当前工业应用中的主流方案。另外也有阈值保护法，在泵浦源等器件处布设温度传感器，当检测到器件温度超过预设安全阈值时，自动降低输出功率或切断电源以实现过热保护；还有环境补偿法，根据环境温度对冷却水温进行小幅开环调整，如高温环境下降低水温增强散热，低温环境下提升水温防止结露，该类调节仅为基于环境参数的粗略补偿，并未针对激光器内部器件的实时温度形成精准闭环调控。

3、上述方案中冷却水温一经设定便保持恒定或仅在极窄范围内缓慢调整，控制目标仅为维持器件温度不超出安全阈值，并未针对激光器的功率上升过程进行主动优化，难以满足高响应速度要求的应用场景。

4、现有技术中国专利申请cn202411556392 公开了一种相变蓄冷与控温水箱结合的激光器热管理系统及其管理方法，将激光器工作过程划分为启动准备阶段与工作阶段；在启动准备阶段，通过电加热模块将冷却液预热至25℃，以提升低温环境下的启动适应性；在工作阶段，根据环境温度切换制冷回路或自然散热回路，实现宽温域环境下的激光器散热。

5、然而，上述现有技术中仅采用启动与工作两阶段的粗略划分，无法在功率上升过程中同步兼顾散热能力动态匹配与温度安全约束。另外水温控制逻辑较为简单，水温动态调节的精度与响应速度有限，无法适配功率快速变化的瞬态工况。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高功率光纤激光器的动态水温控制方法及系统，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够提高激光器水温控制的精度和速度。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面，在于提供一种高功率光纤激光器的动态水温控制方法，通过循环冷却水对激光器的泵浦源进行散热，包括以下步骤：

4、采集激光器内泵浦源的实时温度；

5、将激光器的工作过程划分为预热启动阶段、功率爬升阶段、稳态工作阶段三个阶段；

6、在预热启动阶段时，控制冷却水加热至预设预热温度，驱动泵浦源温度上升至最佳工作温度区间的下限值；

7、在功率爬升阶段时，调节冷却水进水温度使得冷却水温度稳定在温度设定值；根据泵浦源的实时温度计算泵浦源温度变化速率，当泵浦源温度变化速率超过预设速率阈值时，依照预设的安全降低幅度降低冷却水进水温度设定值；

8、在稳态工作阶段时，将冷却水进水温度降低至标称冷却温度，使得泵浦源温度稳定在预设目标工作温度。

9、进一步地，在泵浦源实时温度≥最佳工作温度区间下限值，且预热持续时长≥预设最小安全预热时间的情况下，退出预热启动阶段并进入功率爬升阶段。在激光输出功率达到预设目标功率，或/和，持续出光时长达到预设时长阈值的情况下，退出功率爬升阶段并进入稳态工作阶段。

10、进一步地，在预热启动阶段时调节冷却水进水温度的方法包括：

11、根据预设的激光输出功率-时间曲线，推算对应时刻泵浦源的预期发热功率；

12、基于泵浦源的热平衡稳态模型，由预期发热功率计算得到冷却水进水温度的前馈值；

13、以泵浦源目标温度与实测温度的差值作为控制误差量，通过pid算法计算得到冷却水进水温度的反馈修正值；

14、通过所述前馈值与反馈修正值计算冷却水进水温度设定值。

15、进一步地，推算对应时刻泵浦源的预期发热功率的方法包括：

16、在多组不同的激光输出功率下，分别采集对应稳态工况的冷却水进出水温差，结合冷却水质量流量与水的定压比热容，通过进出水温差法计算得到各输出功率下泵浦源的发热功率，拟合建立激光输出功率与泵浦源发热功率的映射关系；

17、读取预设的激光输出功率-时间曲线，提取当前控制时刻对应的目标输出功率；

18、将当前时刻的目标输出功率代入所述映射关系，换算得到该时刻泵浦源的预期发热功率。

19、进一步地，所述泵浦源的热平衡模型为：

20、；

21、其中，c为泵浦源的等效热容量，tld为泵浦源的实时温度；t为时间，qgen(t)为泵浦源的发热功率，为冷却水质量流量，cp为水的定压比热容，tin为冷却水进水温度，tout为冷却水回水温度，qloss为泵浦源向环境的自然散热损失；

22、在稳态的情况下，进水温度与发热功率的关系为：

23、；

24、其中，tld,set为泵浦源的目标控制温度；

25、所述进水温度的前馈值利用公式：

26、

27、计算；其中，tin,ff(t)为进水温度前馈值，topt,set为泵浦源的目标工作温度，为冷却水质量流量，cp为水的定压比热容，qgen,ff(t)为泵浦源的预期发热功率。

28、进一步地，所述反馈修正值利用公式：

29、

30、计算；其中，tin,fb(t)为进水温度的反馈修正值，kp为比例控制系数，e(t)为温度误差，ki为积分控制系数，为从控制启动时刻0到当前时刻t所有历史温度误差的累积积分，kd为微分控制系数，为温度变化速率。

31、进一步地，通过所述前馈值与反馈修正值计算冷却水进水温度设定值的方法为利用公式：

32、

33、计算冷却水进水温度设定值；其中，tin,set(t)为当前冷却水进水温度设定值，tin,ff(t)为进水温度前馈值，tin,fb(t)为进水温度的反馈修正值。

34、进一步地，在激光输出功率达到预设目标功率，或/和，持续出光时长达到预设时长阈值的情况下，退出功率爬升阶段并进入稳态工作阶段。

35、进一步地，将冷却水进水温度降低至标称冷却温度的方法包括利用公式：

36、

37、将冷却水温度平滑降低至标称冷却温度；其中，tin,set(t)为当前冷却水进水温度设定值，tin,set(t-δt)为上一采样时刻的冷却水进水温度设定值，δt为采样周期，tnom为稳态标称冷却水温，α为滤波平滑系数。

38、进一步地，激光器全工作过程中设置三级温度安全阈值及对应的安全措施，包括：

39、预警阈值40℃，对应安全措施为降低冷却水温度、增大冷却水流量；

40、降功率阈值45℃，对应安全措施为将激光输出功率降至额定功率的70%；

41、停机阈值50℃，对应安全措施为控制激光器停止出光。

42、本发明还提供一种高功率光纤激光器的动态水温控制系统，包括循环冷却水路、温度采集单元、动态水温调节水箱和控制器；

43、所述动态水温调节水箱集成有加热模块与制冷模块，用于向激光器输出温度可调的循环冷却水；

44、所述温度采集单元包括泵浦源温度传感器、出水温度传感器与回水温度传感器，分别用于采集泵浦源实时温度、冷却水进水温度与冷却水回水温度；

45、所述控制器分别与动态水温调节水箱、温度采集单元电连接，被配置为执行上述高功率光纤激光器的动态水温控制方法。

46、有益效果：

47、本发明在预热启动阶段主动升高冷却水温度，在激光器正式出光前即可将泵浦源整体温度提前拉升至最佳工作温度区间，消除了泵浦源热惯性对功率上升过程的制约，可将激光输出功率从零上升至90%额定功率的时间由传统固定水温方案的数秒级压缩至亚秒级，能够适配激光装备、高速精密加工等对启动响应速度要求极高的应用场景，有效提升系统的快速响应能力与任务执行效能。

48、将激光器工作过程划分为预热启动、功率爬升、稳态工作三个时序阶段，针对各阶段差异化的热需求匹配对应的水温控制策略。启动与爬升阶段维持较高水温以保障功率上升速度，稳态工作阶段主动降低水温以预留充足散热余量。该分阶段调控逻辑从控制策略层面突破了固定水温方案的局限，解决了高水温启动快但易过热、低水温散热强但启动慢的固有矛盾，可同时满足快速启动与长期连续出光的散热需求。

49、功率爬升阶段，采用基于热物理模型的前馈控制与pid反馈控制相结合的复合控制架构，前馈控制可根据预设功率-时间曲线提前推算匹配的进水温度，消除纯反馈控制的滞后性；pid反馈控制可修正模型误差与工况波动带来的温度偏差，保障稳态控制精度。同时引入温度变化速率的实时监测与超前约束机制，在功率快速爬升的瞬态过程中提前干预降温，有效抑制温度超调现象，大幅提升动态工况下的温控稳定性。

50、另外，本发明设置预警、降功率、停机三级温度安全阈值，采用分级递进的保护策略。温度达到预警阈值时优先通过降低水温、增大流量增强散热；温度继续升高至降功率阈值时，通过降低输出功率从源头减少热负载；仅当温度达到极限停机阈值时才停止出光。该分级机制可在多数过热场景下避免直接停机，最大限度减少非正常任务中断，提升系统连续运行能力与工况适应性。