半球諧振陀螺儀溫控系統(tǒng)的設(shè)計

秦 琴 ，姜景科 ，陳振宇 ，呂沁元 ，李 強

(1.上海第二工業(yè)大學 工學部，上海 201209；2.上海思晉智能科技有限公司，上海 201209)

0 引言

半球諧振陀螺儀(HRG)是利用哥式效應(yīng)工作的諧振式慣性敏感器件，它不具備傳統(tǒng)陀螺儀的活動支撐和轉(zhuǎn)子，而是采用半球諧振子來替代轉(zhuǎn)動部件，所以具有精度高、功率低、啟動快、可靠性高、壽命長等特點。如今，國內(nèi)外半球諧振陀螺已經(jīng)作為產(chǎn)品在導航系統(tǒng)、宇宙飛船、空間望遠鏡、衛(wèi)星探測等空間領(lǐng)域和軍事戰(zhàn)爭領(lǐng)域上得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

半球諧振子是半球諧振陀螺儀的核心部件，它是一個半球形的薄殼彈性體，并且?guī)в兄行闹螚U，支撐桿是與半球形薄殼一體加工而成的。國內(nèi)外所研制的半球諧振子,其材料大多為熔融的石英晶體，直徑一般為15～60 mm，壁厚一般為0.3～1.0 mm。半球諧振子石英晶體材料的密度、泊松比、彈性模量、膜層應(yīng)力及半球諧振子球面半徑和厚度等受溫度變化的影響較大。溫度的變化會導致半球諧振子物理參數(shù)發(fā)生變化，半球諧振子參數(shù)的變化會造成諧振子固有頻率的變化及半球諧振陀螺儀的時間常數(shù)差異，致使半球諧振陀螺儀在使用時出現(xiàn)漂移現(xiàn)象[3]。

半球諧振子在工作過程中，由于半球諧振陀螺儀內(nèi)部熱源釋放熱量和周圍環(huán)境溫度變化，陀螺儀內(nèi)部會產(chǎn)生溫度梯度，因此熱漂移對于半球諧振陀螺儀來說是難以避免的誤差源[4]。針對半球諧振陀螺儀熱漂移問題，本文提出的方法是采用精確溫度控制的方式，使半球諧振陀螺能夠保持在一個恒溫環(huán)境中，從而減小熱漂移帶來的影響，保證半球諧振陀螺儀使用精度。

由于被控對象半球諧振陀螺儀為電子設(shè)備，如果直接采用傳統(tǒng)的電控溫的方式，必然會帶來電磁干擾，影響半球諧振陀螺儀的使用精度。因此，本文在控制方式上，摒棄傳統(tǒng)的電控溫的方式，采用油控溫的方式，杜絕電磁干擾，在適當犧牲控制速率的同時保證控制精度；在控制算法上，采用二級PID控制方式，較傳統(tǒng)的單級PID控制大幅度提升了控制效率。

1 系統(tǒng)構(gòu)造

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三部分，分別是恒溫箱、控制柜和上位機，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

恒溫箱，內(nèi)置金屬托盤，用于放置半球諧振陀螺儀；托盤底部設(shè)有測溫點，實時測量托盤溫度。整個恒溫箱的設(shè)計能夠為半球諧振陀螺儀提供恒溫的工作環(huán)境，抑制熱漂移的產(chǎn)生。

控制柜，內(nèi)置油箱、油管、油泵、加熱模塊、制冷模塊、C-DAQ數(shù)據(jù)采集設(shè)備和信號調(diào)理電路等，用于對恒溫箱的加熱和冷卻以及數(shù)據(jù)的采集和調(diào)理。

上位機為可操作計算機，內(nèi)置LabVIEW編程軟件，用于接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和系統(tǒng)可視化。

控制柜和恒溫箱采用物理連接，即油管和電氣連接，用于對恒溫箱進行加熱和冷卻；控制柜和上位機采用網(wǎng)絡(luò)連接完成數(shù)據(jù)的傳輸。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 恒溫箱設(shè)計

恒溫箱內(nèi)置金屬托板，用于放置半球諧振陀螺儀。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 恒溫箱結(jié)構(gòu)示意圖

恒溫箱由箱蓋、箱體和油管構(gòu)成。箱蓋由兩層蓋板、酚醛樹脂拉手和高溫密封條組成，兩層蓋板的設(shè)計和高溫密封條具有良好的保溫效果；箱體由內(nèi)腔、外框、底板和金屬托板組成，油管置于內(nèi)腔、外框與底板之間，呈S形分布，如圖3所示，目的是保溫和保證箱體受熱均勻。金屬托板采用紫銅材料,紫銅又名紅銅,具有很好的導熱性,其熱導率僅次于銀,所以被廣泛用于制作導熱器材，金屬托板用于放置半球諧振陀螺儀。

圖3 恒溫箱油管分布圖

2.2 控制柜設(shè)計

控制柜用于對恒溫箱進行油溫加熱或冷卻控制，營造恒溫環(huán)境，同時對數(shù)據(jù)進行實時采集和調(diào)理。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

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圖4 控制柜結(jié)構(gòu)示意圖

控制柜由金屬柜體、油循環(huán)系統(tǒng)、NI C系列數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。金屬柜體由外置開關(guān)、腳輪和可拆卸金屬門板組成，腳輪和可拆卸門板的設(shè)計使得前期裝配和后期維護變得更加便利。

油循環(huán)系統(tǒng)由油箱、油管、油泵、加熱模塊和制冷模塊組成，如圖5所示。

圖5 油循環(huán)系統(tǒng)示意圖

(1)加熱時，系統(tǒng)經(jīng)油箱→V1→油泵→一級溫控(油加熱)→二級溫控(油冷卻)→V3 →恒溫箱→止回閥→油箱；

(2)回收油時，系統(tǒng)經(jīng)恒溫箱→V2 →油泵→V4 →油箱；

(3)V5用于旁路油冷卻，用在某些純加熱情況下。

油箱內(nèi)的油采用的是變壓器油，變壓器油是天然石油中經(jīng)過蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油，是石油中的潤滑油餾份經(jīng)酸堿精制處理得到的純凈穩(wěn)定、粘度小、冷卻性好的液體天然碳氫化合物的混合物。其俗稱方棚油，為淺黃色透明液體。使用變壓器油的好處是絕緣、消弧和散熱。

油加熱模塊由硅橡膠加熱片和鋁合金板組成，油冷卻模塊由半導體制冷片和鋁合金板組成，鋁合金板表面開有S形凹槽，目的是讓流經(jīng)模塊的油受熱均勻，硅橡膠加熱片和半導體制冷片采用直流功放驅(qū)動，盡量將電磁干擾減小到最低；數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)實時溫度數(shù)據(jù)采集。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件簡介

上位機和下位機程序設(shè)計均采用LabVIEW[5]軟件平臺。上位機功能模塊劃分為以下幾個部分：用戶管理、參數(shù)設(shè)置、測試啟動、維護操作、PID自整定、數(shù)據(jù)瀏覽，采用事件結(jié)構(gòu)和狀態(tài)機的設(shè)計方式，主要功能是將驅(qū)動事件發(fā)送給下位機，同時接收下位機實時數(shù)據(jù)并顯示和存儲；下位機采用多線程并行的設(shè)計模式，主要包括通信處理、模擬實時采集、模擬輸出數(shù)據(jù)處理、數(shù)字輸入實時采集和恒溫PID控制5個線程，其中恒溫PID控制為核心線程，采用實時雙PID循環(huán)，采集溫度，并依據(jù)改進的PID算法進行加熱模塊和冷卻模塊的控制。

3.2 改進PID算法

傳統(tǒng)的PID控制算法多為單級控制，但是針對本系統(tǒng)控制精度并不理想，效率也不高。而且系統(tǒng)如果要控制在低溫狀態(tài)，那么僅僅只有加熱是實現(xiàn)不了的，所以后來改成加熱和冷卻PID同時工作，通過采用繼電反饋法自動在線調(diào)整PID參數(shù)，并通過不斷的試驗，最終達到既能加快控溫，同時又能保證控溫精度。改進的PID算法結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進PID算法結(jié)構(gòu)圖

3.3 繼電反饋法整定參數(shù)

ASTROM K J在1984年提出基于繼電反饋控制的PID參數(shù)整定方法[7]。依據(jù)在于大多數(shù)的對象在繼電特性的非線性環(huán)節(jié)作用下都能產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩。當過程輸出達到穩(wěn)定狀態(tài)時啟動整定程序，控制開關(guān)切換到繼電整定上，通常會產(chǎn)生一個穩(wěn)定的極限環(huán)振蕩，等到不變的振蕩輸出量產(chǎn)生，通過測量這個極限環(huán)輸出的振蕩頻率與幅值，就可以測得對象臨界點的信息(即臨界增益Ku和臨界周期Tu)，繼而通過Z-N整定公式計算出PID調(diào)節(jié)參數(shù)。圖7為繼電反饋PID參數(shù)自整定結(jié)構(gòu)圖。

圖7 繼電反饋PID參數(shù)自整定結(jié)構(gòu)圖

繼電反饋法自整定參數(shù)可以分為兩個階段：繼電整定階段和PID控制階段，在繼電整定剛開始進行時，PID控制參數(shù)是未知的，需要先進入整定階段得到臨界參數(shù)信息。整定階段系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定的等幅振蕩，以理想繼電器特性為例，繼電環(huán)節(jié)輸出方波信號，這個信號作為被控對象的輸入可令其輸出相同頻率的周期振蕩，當誤差反饋到繼電環(huán)節(jié)就可使系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定的極限環(huán)。所謂極限環(huán)，也稱為自激振蕩,是非線性系統(tǒng)在初始狀態(tài)的激勵下可以產(chǎn)生固定振幅和固定頻率的周期振蕩[8-9]。也并不是所有系統(tǒng)都能產(chǎn)生極限環(huán)，只有被控對象滿足以下條件：在高頻處具有至少π 個弧度的相位滯后。繼電反饋原理如圖8所示。

圖8 繼電反饋自整定原理圖

當繼電輸出u(t)=h時，由于繼電環(huán)節(jié)輸出滯后輸入π 個弧度，當輸入e(t)增大時，繼電器輸出u(t)=-h，如此循環(huán)反復進行，通過繼電反饋即可得到周期為T的等幅振蕩曲線。繼電反饋整定階段主要任務(wù)是求取臨界周期Tu和臨界增益Ku，當進入PID控制階段后，將求取的臨界參數(shù)結(jié)合Z-N整定公式即可實現(xiàn)PID自整定[10]。Z-N整定公式如表1所示。

表1 Z-N整定公式

運用LabVIEW軟件工具設(shè)計PID自整定控制程序，系統(tǒng)程序設(shè)計流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)自整定控制流程圖

整個系統(tǒng)在實際運行過程中，首先需要設(shè)定繼電通斷幅值，之后進行PID參數(shù)自整定，此時繼電反饋整定程序開始運行，等待系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定等幅振蕩后，輸出臨界參數(shù)載入PID控制器[11-13]，如圖10所示。

圖10 PID自整定控制面板

測試試驗中溫度設(shè)定值為60 ℃，系統(tǒng)由于上次實驗，仍處于保溫狀態(tài)，當設(shè)備關(guān)閉時，溫度有緩慢下降趨勢；打開溫控設(shè)備，由于加熱模塊功率較大，系統(tǒng)在很短時間內(nèi)溫度上升明顯，超過預設(shè)值；之后冷卻模塊發(fā)揮作用，溫度下降，收斂速度較自然冷卻快得多。加熱模塊和冷卻模塊同時工作，通過參數(shù)調(diào)節(jié)最后達到平衡狀態(tài)，達到預期效果，運行結(jié)果如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)運行結(jié)果——溫度曲線圖

4 結(jié)論

溫度是影響半球諧振陀螺儀使用精度的重要因素之一。本文設(shè)計了一套溫控系統(tǒng)，使得半球諧振陀螺儀能夠工作在一個恒溫的測試環(huán)境中，減小熱漂移帶來的影響，從而保證陀螺測試時的輸出精度。本系統(tǒng)通過相關(guān)硬件設(shè)計，結(jié)合NI公司LabVIEW軟件工具，運用PID參數(shù)自整定算法，實現(xiàn)了對恒溫箱的精確溫控，通過反復試驗，整個系統(tǒng)運行良好，控制精度可達到±0.05 ℃。

半球諧振陀螺儀為電子類產(chǎn)品[14]，本系統(tǒng)采用油控溫的方式，杜絕測試過程中的電磁干擾，這一思路可以為日后工業(yè)電子類產(chǎn)品的溫控方案提供參考[15]。