一种用于被动型氢钟的智能控制算法的制作方法

专利名称：一种用于被动型氢钟的智能控制算法的制作方法
技术领域：
本发明属于原子频标锁定算法领域，具体而言，属于小型化的被动型氢钟伺服控制部分的自动频率锁定算法，尤其涉及一种用于被动型氢钟的智能控制算法。

背景技术：
氢原子钟是一种基于氢原子跃迁的频率标准，其跃迁频率大约在1.4GHz。现有的被动型氢钟是一种非自激型原子振荡器，由于微波腔的Q值比较低，氢脉泽不能自激振荡，需要有外界注入的探测信号才能正常工作。注入的探测信号中与跃迁频率越相近，激发氢原子的能态转移(受激辐射)的能量就越多。通过接收可以检测到反应注入频率与跃迁频率偏差的误差信号。
被动型氢钟的控制电路中有两个锁频环路晶振环路与谐振腔环路。量子系统中氢原子跃迁频率用以控制晶振的频率，而为了消除量子系统内微波腔谐振频率变化产生的牵引效应，还需要用晶振频率来控制微波腔频率。目前普遍存在的两种调制方式为单频调制方式和双频调制方式。在常用的单频调制方式中，采用一个调制频率产生探测信号注入到微波腔中，经过和微波腔作用后，利用原子的吸收和色散原理分离出晶振和谐振腔两部分的误差信号，通过检测误差信号执行晶振和谐振腔的锁定。在双频调制方式中，分时将两路探测信号注入到微波腔中，分别与氢原子跃迁谱线和腔曲线作用，产生晶振和谐振腔两部分的误差信号。
这两种方法都无法完全避免晶振和谐振腔环路之间的互相干扰，这也是频率锁定控制的难点所在，如何最大限度的降低相互牵引作用得到有效的控制量。另外调试过程中存在频率锁定电压点的探求速度慢，精度不高，控制环路更改带来的控制参数变化等需要重新调试的问题，抗干扰能力需要进一步加强的需要。
本发明所提出的算法独立于调制方法。所采集的误差要求能够反应晶振频率和原子跃迁频率之差，能够区分晶振环路误差和谐振腔环路误差；控制输出环路能够分别输出控制晶振环路和谐振腔环路。


发明内容
技术问题本发明提出一种多步骤自动状态切换和过程数据采集增强抗干扰的智能控制算法。
技术方案该方法的主要步骤如下 步骤1.将控制谐振腔的电压设置为其输出电压范围的中值电压，以出现晶振误差的电压范围的宽度Vcbw的一半为步长，在控制晶振的电压输出范围内，连续给出控制晶振的电压值并依次检测对应的晶振误差值；记录误差取得绝对值最大时所对应的电压Vcbs；将控制晶振的电压设置为Vcbs； 步骤2.保持控制晶振的电压不变；以与晶振扫描步数相当的步长Vabw，在谐振腔的电压输出范围内连续扫描控制谐振腔的电压值并检测对应的谐振腔误差值；记录误差取得绝对值最小时对应的电压Vabs，将控制谐振腔的电压设置为Vabs； 步骤3.保持控制谐振腔的电压不变；控制晶振的电压以Vcbs为中心点，在宽度为Vcbw的范围内，以控制晶振电压的输出精度Vcoms的二十倍的电压Vcsss为步长连续扫描控制晶振的电压值并检测晶振误差值，得到其绝对值最小时对应的电压Vcss，将控制晶振的电压设置为Vcss； 步骤4.保持控制晶振的电压不变；控制谐振腔的电压以Vabs为中心点，在宽度为Vabw的范围内，以控制谐振腔电压的输出精度Vaoms的十倍的电压Vasss为步长连续扫描控制谐振腔的电压值并检测谐振腔误差值，得到其绝对值最小时对应的电压Vass；将谐振腔输出电压设置为Vass； 步骤5.控制谐振腔的电压保持Vass不变，控制晶振的电压在Vcss的两侧等距离取点，保持晶振电压为Vcss不变，以同样的方法在Vass两测等距离取点；用取到的四组电压值作为控制量并扫描误差，计算两个控制环路的增益值，两个环路的线性耦合参数；高精度扫描四个点组成的两个区间进行误差评估； 步骤6.由第5步的计算结果环路增益结果求取最优的PID控制参数；以步骤3、4得到的控制电压为起始值，以求解得到的控制参数和解耦参数运行精简的PID控制部分；根据噪声水平制定动态控制时的限制范围和控制数据的保存长度，同时根据抗噪声限制处理部分给出控制量。
其中步骤5中扫描点两侧等距离取点是，比扫描点电压值大和比扫描点电压值小的两个电压值，它们与扫描点电压差值绝对值相同；这个绝对值为单侧S曲线中误差从中心原点到误差增长方向最大点距离VcLw宽度的1/4，这个范围的线性度比较好，动态控制的电压范围远小于此；步骤5中线性误差耦合方程如下 这里的控制量和误差均为增量的形式； 求解此方程得到的参数Kcc用于描述晶振环路的增益；Kaa用于描述谐振腔环路的增益；而Kac和Kca分别用于晶振对谐振腔和谐振腔对晶振的环路耦合特性；此方案中步骤5依赖于步骤3和4提供的扫描电压，同时前两个步骤加快频率锁定点的搜索，使控制过程更快的进入稳定状态。
步骤5中的控制参数整定类似于专家PID控制；PID三个参数的确定不但与环路的增益有关，而且与误差状态有关；本算法此部分对应的函数如下 [P，I，D]＝f(K，E) 此式可以求出晶振环路和谐振腔环路对应的控制参数；其中K代表环路增益，对于晶振环路则是Kcc；关于函数f是此过程当中需要实验的参数；主要体现在分段和各段参数确定上，形式如下 式中的A1、A2等是经实验确定的误差区间；实际处理过程当中将误差区间分为三个区间就可以描述环路误差当前的强弱；其中的p1，i1，d1参数与环路参数成比例，同时这三个参数的选择要更好的起到快速控制的目的。
步骤6中的控制部分采用的离散的增量PID控制；将检测到的误差以增量的形式代入控制方程，得到控制增量表达式，并叠加到原先保存的高精度控制寄存量，需要时将其降到硬件精度输出；简化的增量控制式如下 ΔUout＝P×(ΔEk-ΔEk-1)+I×ΔEk+D×(ΔEk-2ΔEk-1+ΔEk-2) 这里采用分离的参数，各个部分可以更好的调整在控制过程中的作用，其中参数I在快速克服随动误差中起到主要作用。
步骤6中的环形控制量保存，这里的环形指的是用于存放控制量的数组具有循环的功能，访问时能够从数组的末尾跳到数组头。这个环形存储空间主要用来存放最新2n个控制量，最新控制量的保存也在一定程度上描述最新被控对象的状态，算法可以从中解读运算出当前没有误差干扰情况下控制量输出范围，从而在单次干扰发生的情况下，判断干扰的发生并作出保持控制量或者输出均值控制量的方法来免于干扰影响。当连续多次干扰发生时可以依次送出最新保存的控制量，来争取系统从干扰中恢复的时间，晶震漂移的患慢性使得算法这一方法具有故障恢复能力。
本发明解决被动型氢钟调试运行过程当中，频率锁定点的电压范围只占整个电压范围千分之一，甚至更小，频率锁定点电压人工搜索效率较低，环路增益更改引起整体特性变化带来的一系列工作；以及运行当中锁定点探索周期过长，控制抗干扰能力较差的问题。本算法采用的二级搜索，既有大范围扫描的功能又能使扫描结果精度较高，做到了快速高精度搜索。并且在二次扫描的过程当中根据扫描电压和误差探测环路增益，噪声环境，从而得到精确的解耦控制参数和噪声环境评估，参数设定智能化，速度快。有效的改善了各个产品由于参数和环境差异造成的重复调试。本发明所采用的控制量保存数组不但有利于增加对瞬态干扰的抑制，还在一定程度上具有故障恢复的功能。
有益效果本发明的优点及特点如下 1.全范围快速扫描，可以适用于不同类型的控制对象晶振，全范围扫描涵盖了大部分晶振的基准偏置电压，适用面相当广；第1、2步骤的大范围扫描特性对于环路性能变化有较快的适应能力，在一些未知或已知因素影响下能够快速的搜索频率锁定点的大致范围。
2.二次扫描的双重作用，二次扫描包括步骤3、4、5，不但可以更精确的限定频率锁定点的位置，同时为后续的控制探测了外部环路增益特性，近似的双环路误差耦合特性，合理的起始控制点，使得控制算法可以对外界环境干扰有个评估，进而选择适当的控制参数，达到智能交互控制的目的。
3.核心控制部分的精简PID控制算式，该算式针对随动增量控制系统，解决被动型氢钟控制过程当中要求的快速偏差校正，该算式可以单独分析各个参数的作用，使得参数制定更加灵活。
4.晶振与谐振腔误差解耦，虽然调整外部的电路和数字积分的时间段可以减小两个环路误差之间的耦合，但是效果不好且带来重复调试的问题；采用解耦合处理可以应对随着环路参数变化产生的耦合特性变化，最低限度的减少耦合对控制过程的影响，使控制过程减少波动，提高速度，控制结果更加合理。
5.控制过程中抗干扰特性，随着时间的流逝被动型氢钟会发生缓慢的漂移；采用保存控制量的循环数组有双重作用一是可以求得一个动态变化的控制量均值，从而求得动态的干扰抑制区间，对瞬态干扰(单个控制周期)做出修正；二是在特殊情况下根据控制保存量给出当前控制输出，从而达到克服连续干扰的目的，给出这段时间(多个控制周期)合理的控制量。



图1是被动型氢钟环路示意图。
图2是全范围误差S形曲线和VcLw选择示意图。
图3是控制流程图。

具体实施例方式 下面对本发明的具体实施方式
做出详细说明 1、误差的获取及参数选择 本发明中提到的误差都是指在一级误差的基础之上的误差。被动型氢钟两个控制环路的速度有快有慢。在双频调制中，只有慢速(1Hz)的激励信号注入才能有相应的误差信号输出。而单频调制的频率可以高达10K Hz以上。应用统一的控制方法必须对误差进行预处理。为了更好的反映实际误差的取值，通常采样速度达到上百KHz，利用过采样定律提高误差的精度随之提高控制精度。预处理包含了双频调制方式中多次误差信号求取平均值，以及提高性能的数字滤波，单频调制中的数字积分器。使得传送给算法的二级误差周期和控制周期一致。由此本算法中涉及到的误差属于控制周期的误差，即一个控制周期内多次采样经预处理得到的均值误差或者积分误差基础上得到的差值误差。
步骤1的晶振误差的电压范围Vcbw是指在晶振输出电压的全范围内出现明显误差时对应的电压范围，即出现S形误差曲线的电压起始点和S形误差曲线消失的电压终止点之间的电压范围。步骤2中，以与晶振扫描步数相当的步长Vabw的求取方法首先根据控制晶振的电压扫描范围和扫描步长求取扫描步数n，然后用控制谐振腔的电压范围除以n就得到Vabw。步骤中出现的扫描是指输出一个控制电压，获取对应的误差，然后输出第二个控制电压，直到达到电压输出的范围。步骤4中Vabw的选取范围较大，对系统性能影响不大，这里给出一个参考值Vabw/6 2、环路参数确定 环路参数包含了晶振环路的增益，谐振腔环路的增益，以及这两个环路误差之间存在的耦合参数。此时可以把外部未知的环路当作一个以控制量为输入，误差量为输出的黑盒，而对控制对象特性的探测。
由于控制过程中控制点始终处于误差S曲线的过零点附近较小的范围内，因此控制环路增益，以及耦合系数都可以用近似的线性化方程来表示。误差控制量关系式如下 其中Ec代表晶振环路误差，Ea代表谐振腔环路误差。ΔUc，ΔUa分别表示控制晶振的电压、控制谐振腔的电压距离基准点的电压偏置值。
为了快速的求解此方程，这里选用的是带入法。按照步骤5中描述的方法，选取成对的电压输入点，具体实施如下 首先使控制谐振腔的电压保持Vass，控制晶振的输出电压为

读取此时的晶振误差和谐振腔误差Ec1和Ea1，控制晶振的输出电压为

读取此时的晶振误差和谐振腔误差Ec2和Va2，从而得到两个点。同理可以求得控制晶振的电压不变时，控制谐振腔的电压输出为两点时对应的误差。代入方程有如下的等式成立 其中的VcLw和VaLw是理论值，VcLw可参考图2，由此可以得到环路各参数的值。如果对于精度的要求高于速度，这里的参数可以通过连续采样以上区间得到的线性拟合参数来代替。
3、稳态控制参数整定 当所有扫描结束时稳态的控制以扫描结果为初始控制值，基于增量形式的PID控制算法。增量PID控制算法依赖于其在各次误差截断上具有更高的精度来提高控制精度。此处的控制参数整定类似于专家PID控制；PID三个参数的确定不但与各环路的增益有关，而且与误差状态(一定程度上反映了所处锁定的状态)有关。本算法参数整定对应的函数如下 [P，I，D]＝f(K，E) 此式可以找出晶振环路和谐振腔环路对应的控制参数。其中K代表环路增益，对于晶振环路则是Kcc，函数f是需要反复实验的参数，主要体现在分段和各段参数确定上。形式如下 式中的A1、A2等是经实验确定的误差区间。实际处理过程当中将误差区间分为三个区间就可以描述控制过程初始状态了。一种选择的办法就是把实验中出现的最大误差绝对值扩大10％，再均分为3个区间。其中的p1，i1，d1参数选择要更好的起到快速控制的目的，参数选择见误差解耦与控制部分。
4、误差解耦与控制 这里的误差解耦用到了环路参数的计算结果。首先控制不进行解耦处理，以后将上次的控制增量用于本次的误差解耦。例如当前晶振的控制增量为ΔUc，由于控制晶振电压的改变对谐振腔误差造成的耦合作用描述如下ΔEa＝Kac×ΔUc 谐振腔控制时，用于控制运算的谐振腔误差必须是减去由于晶振的耦合造成的影响量ΔEa的值的结果，即去耦和误差。同理在晶振控制周期可以用ΔEc＝Kca×ΔUa来计算谐振腔控制电压对晶振误差造成的影响。
这在一定程度上对初始的状态(Ua，Uc)的依赖性增强。对于刚刚进入控制环节的误差获取来说，扫描波动已对环路造成一定的震荡干扰。初始控制误差的获取必须等待环路在扫描点的电压稳定之后。这里采用的方法是保持电压(Vass，Vcss)数个周期之后再进行误差的获取，从而稳定初始状态。
控制部分采用的离散的增量PID控制单元。将检测到的误差作为误差增量代入控制方程，得到控制增量的值，叠加到高精度的控制寄存量。简化的增量控制式如下 ΔUout＝P×(ΔEk-ΔEk-1)+I×ΔEk+D×(ΔEk-2ΔEk-1+ΔEk-2) 这里采用分离的各项参数是为了更好的调整各个控制部分在控制过程中的作用。被动型氢钟属于随动控制系统，同时对误差的衰减速度要求较高，当出现偏差时，以最快的速度来纠正频偏。如果响应的过程较慢，则会在较长的时间内产生频率偏移基准频率的数据，这对于较长时间的频率均值将产生较大影响，对频率稳定性评估将是致命的。由于控制误差获取周期和控制周期相同，这里省略了采样时间Td。由于此式精简了算式，简化了第3点中的参数整定过程。
其中P参数表示控制量保持为原来控制量的强度，也称惯性。该参数设置越大，控制过程中保持控制量不变的强度越大，即控制量不易改变。
i参数用于纠正出现的频率偏差，当该参数为1时，此时参数I参数为

则理论上产生的控制量偏移正好填补造成的频率偏差。该参数主要影响了控制过程的误差衰减速度，取值范围在(0，2)之间。通常取值在1附近以加快衰减。
d参数用于对误差变化趋势做出响应。用于及早检测误差变化趋势，做出纠偏准备。由于它起作用所代表的是先前的误差量因此其准确性最差，该参数所占比重应较小。
第3点中的f函数中不同误差区间的参数选择思想。对于最大一级的误差范围，需要使得p参数偏小，减少惯性，i参数趋近于1保证误差呈快速的衰减，增大d以及早修正。最小一级的误差范围，p参数增大，加强惯性，i参数可离1有一定的距离增加误差的有效控制作用，减少d以保证稳定性。中间一级的误差取中间值。
5、误差评估 步骤5中的误差评估采用如下所示的方法在本步骤中选取的两点之间以最高可输出精度均匀扫描，记录扫描电压值和误差组成的二维坐标点。对这些点进行最小二乘法拟合，然后求取残余误差平方和，用此平方和来评估噪声大小。由于此方法用于估计则选取的点数在数十点即可满足估计要求。在原点附近的控制-误差曲线可以用下面的线性方程来代替 E＝k1·V+k2，其中V为控制电压，E为对应的误差，k1、k2为代求参数。
令



其中n是采样的点数。则
根据最小二乘法计算公式可得

进而计算v。则EL＝vTv可以用来评估噪声的大小。其数值影响了步骤6中环形控制量的保存长度，和控制过程的输出限制值的大小。
6、环形控制量保存与恢复 步骤6中的环形控制量保存主要是为了克服单个和多个控制周期的干扰；首先分配一个2n的数组用来存放最新的控制序列，分配一个足够高精度的sum变量保存控制序列和；在控制过程中维护一个循环指针pointer，每次控制输出结束后自动向后递增，并自动从2n移动到0的位置；当前控制量Uout+ΔUout计算完毕，进行抗干扰判断，判断其是否落在区间 [(sum＞＞n)-wide，(sum＞＞n)+wide] 若落在此区间，则更新sum的值，更新数组元素 sum＝sum-array[pointer]+U0，array[pointer++]＝U0； 否则输出sum＞＞n，检测异常标志，当遇到多个异常的情况，则连续重复输出整个数组的控制量保存值直到检测到的误差满足区间要求或者直到环形控制量循环输出固定的次数，发出报警并终止；由于晶振漂移相对缓慢使得控制量在较短的时间内有较好的重复性，因此效果较好；在恶劣的环境下，可以设置重复输出的次数以尽量达到较长时间的控制输出来抑制数个周期的干扰，情况允许的情况下，根据控制数组进行拟合预测出控制量则会有更好的效果。
控制过程中额外的时间复杂度近似为两次加减运算，一次移位和比较运算。时间复杂度为O(1)，同时又能起到很强的抗干扰作用。用到的wide选取可以选取经验值VcLw/4，并适当根据噪声大小进行调整，噪声大时增大，噪声小时减少。
权利要求
1.一种用于被动型氢钟频率锁定的智能控制算法，其特征在于该算法的步骤如下
步骤1.将控制谐振腔的电压设置为其输出电压范围的中值电压，以出现晶振误差的电压范围的宽度Vcbw的一半为步长，在控制晶振的电压输出范围内，连续给出控制晶振的电压值并依次检测对应的晶振误差值；记录误差取得绝对值最大时所对应的电压Vcbs；将控制晶振的电压设置为Vsbs；
步骤2.保持控制晶振的电压不变；以与晶振扫描步数相当的步长Vabw，在谐振腔的电压输出范围内连续扫描控制谐振腔的电压值并检测对应的谐振腔误差值；记录误差取得绝对值最小时对应的电压Vabs，将控制谐振腔的电压设置为Vabs；
步骤3.保持控制谐振腔的电压不变；控制晶振的电压以Vcbs为中心点，在宽度为Vcbw的范围内，以控制晶振电压的输出精度Vcoms的二十倍的电压Vcsss为步长连续扫描控制晶振的电压值并检测晶振误差值，得到其绝对值最小时对应的电压Vcss，将控制晶振的电压设置为Vcss；
步骤4.保持控制晶振的电压不变；控制谐振腔的电压以Vabs为中心点，在宽度为Vabw的范围内，以控制谐振腔电压的输出精度Vaoms的十倍的电压Vasss为步长连续扫描控制谐振腔的电压值并检测谐振腔误差值，得到其绝对值最小时对应的电压Vass；将谐振腔输出电压设置为Vass；
步骤5.控制谐振腔的电压保持Vass不变，控制晶振的电压在Vcss的两侧等距离取点，保持晶振电压为Vcss不变，以同样的方法在Vass两测等距离取点；用取到的四组电压值作为控制量并扫描误差，计算两个控制环路的增益值，两个环路的线性耦合参数；高精度扫描四个点组成的两个区间进行误差评估；
步骤6.由第5步的计算结果环路增益结果求取最优的PID控制参数；以步骤3、4得到的控制电压为起始值，以求解得到的控制参数和解耦参数运行精简的PID控制部分；根据噪声水平制定动态控制时的限制范围和控制数据的保存长度，同时根据抗噪声限制处理部分给出控制量。
2.根据权利要求1所述的用于被动型氢钟频率锁定的智能控制算法，其特征是步骤5中扫描点两侧等距离取点是，比扫描点电压值大和比扫描点电压值小的两个电压值，它们与扫描点电压差值绝对值相同；这个绝对值为单侧S曲线中误差从中心原点到误差增长方向最大点距离VcLw宽度的1/4，这个范围的线性度比较好，动态控制的电压范围远小于此；步骤5中线性误差耦合方程如下
这里的控制量和误差均为增量的形式；
求解此方程得到的参数Kcc用于描述晶振环路的增益；Kaa用于描述谐振腔环路的增益；而Kac和Kca分别用于晶振对谐振腔和谐振腔对晶振的环路耦合特性；此方案中步骤5依赖于步骤3和4提供的扫描电压，同时前两个步骤加快频率锁定点的搜索，使控制过程更快的进入稳定状态。
3.根据权利要求1所述的用于被动型氢钟的智能控制算法，其特征是步骤5中的控制参数整定类似于专家PID控制；PID三个参数的确定不但与环路的增益有关，而且与误差状态有关；本算法此部分对应的函数如下
[P，I，D]＝f(K，E)
此式可以求出晶振环路和谐振腔环路对应的控制参数；其中K代表环路增益，对于晶振环路则是Kcc；关于函数f是此过程当中需要实验的参数；主要体现在分段和各段参数确定上，形式如下
式中的A1、A2等是经实验确定的误差区间；实际处理过程当中将误差区间分为三个区间就可以描述环路误差当前的强弱；其中的p1，i1，d1参数与环路参数成比例，同时这三个参数的选择要更好的起到快速控制的目的。
4.根据权利要求1所述的用于被动型氢钟的智能控制算法，其特征是步骤6中的控制部分采用的离散的增量PID控制；将检测到的误差以增量的形式代入控制方程，得到控制增量表达式，并叠加到原先保存的高精度控制寄存量，需要时将其降到硬件精度输出；简化的增量控制式如下
ΔUout＝P×(ΔEk-ΔEk-1)+I×ΔEk+D×(ΔEk-2ΔEk-1+ΔEk-2)
这里采用分离的参数，各个部分可以更好的调整在控制过程中的作用，其中参数I在快速克服随动误差中起到主要作用；
步骤6中的环形控制量保存，这里的环形指的是用于存放控制量的数组具有循环的功能，访问时能够从数组的末尾跳到数组头。这个环形存储空间主要用来存放最新2n个控制量，最新控制量的保存也在一定程度上描述最新被控对象的状态，算法可以从中解读运算出当前没有误差干扰情况下控制量输出范围，从而在单次干扰发生的情况下，判断干扰的发生并作出保持控制量或者输出均值控制量的方法来免于干扰影响。当连续多次干扰发生时可以依次送出最新保存的控制量，来争取系统从干扰中恢复的时间，晶震漂移的患慢性使得算法这一方法具有故障恢复能力。
全文摘要
一种用于被动型氢钟的频率锁定控制算法步骤如下(1)设置控制谐振腔的电压的初值，粗扫描找出控制晶振的电压值。(2)控制晶振的电压设置为上步所得，粗扫描找出控制谐振腔的电压值。(3)控制谐振腔的电压设置为上步所得，在步骤1的基础上细扫描找出控制晶振的电压值。(4)控制晶振的电压设置为上步所得，在步骤2的基础上细扫描寻找控制谐振腔的电压值。(5)在步骤3和4所得的电压基础上再次扫描控制电压，根据扫描电压和误差，计算环路的耦合特性，计算稳态过程控制参数，对误差进行评估。(6)计算控制量，包括误差解耦，控制状态保存；根据最近控制保存量和当前控制值给出最优控制量。
文档编号G05B11/42GK101727067SQ20091023214
公开日2010年6月9日 申请日期2009年12月2日 优先权日2009年12月2日
发明者陈从颜, 曲豹创, 邱实 申请人:东南大学