半球諧振陀螺儀溫控系統的設計

秦 琴 ，姜景科 ，陳振宇 ，呂沁元 ，李 強

(1.上海第二工業大學 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)是利用哥式效應工作的諧振式慣性敏感器件，它不具備傳統陀螺儀的活動支撐和轉子，而是采用半球諧振子來替代轉動部件，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，國內外半球諧振陀螺已經作為產品在導航系統、宇宙飛船、空間望遠鏡、衛星探測等空間領域和軍事戰爭領域上得到廣泛應用[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，并且帶有中心支撐桿，支撐桿是與半球形薄殼一體加工而成的。國內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發生變化，半球諧振子參數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差異，致使半球諧振陀螺儀在使用時出現漂移現象[3]。

半球諧振子在工作過程中，由于半球諧振陀螺儀內部熱源釋放熱量和周圍環境溫度變化，陀螺儀內部會產生溫度梯度，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備，如果直接采用傳統的電控溫的方式，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，較傳統的單級PID控制大幅度提升了控制效率。

1 系統構造

本系統結構分為三部分，分別是恒溫箱、控制柜和上位機，如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

恒溫箱，內置金屬托盤，用于放置半球諧振陀螺儀；托盤底部設有測溫點，實時測量托盤溫度。整個恒溫箱的設計能夠為半球諧振陀螺儀提供恒溫的工作環境，抑制熱漂移的產生。

控制柜，內置油箱、油管、油泵、加熱模塊、制冷模塊、C-DAQ數據采集設備和信號調理電路等，用于對恒溫箱的加熱和冷卻以及數據的采集和調理。

上位機為可操作計算機，內置LabVIEW編程軟件，用于接收數據、處理數據和系統可視化。

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絡連接完成數據的傳輸。

2 硬件結構

2.1 恒溫箱設計

恒溫箱內置金屬托板，用于放置半球諧振陀螺儀。其結構示意圖如圖2所示。

圖2 恒溫箱結構示意圖

恒溫箱由箱蓋、箱體和油管構成。箱蓋由兩層蓋板、酚醛樹脂拉手和高溫密封條組成，兩層蓋板的設計和高溫密封條具有良好的保溫效果；箱體由內腔、外框、底板和金屬托板組成，油管置于內腔、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，營造恒溫環境，同時對數據進行實時采集和調理。其結構示意圖如圖4所示。

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圖4 控制柜結構示意圖

控制柜由金屬柜體、油循環系統、NI C系列數據采集卡構成。金屬柜體由外置開關、腳輪和可拆卸金屬門板組成，腳輪和可拆卸門板的設計使得前期裝配和后期維護變得更加便利。

油循環系統由油箱、油管、油泵、加熱模塊和制冷模塊組成，如圖5所示。

圖5 油循環系統示意圖

(1)加熱時，系統經油箱→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，系統經恒溫箱→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。

油箱內的油采用的是變壓器油，變壓器油是天然石油中經過蒸餾、精煉而獲得的一種礦物油，是石油中的潤滑油餾份經酸堿精制處理得到的純凈穩定、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動，盡量將電磁干擾減小到最低；數據采集卡實現實時溫度數據采集。

3 軟件設計

3.1 軟件簡介

上位機和下位機程序設計均采用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、參數設置、測試啟動、維護操作、PID自整定、數據瀏覽，采用事件結構和狀態機的設計方式，主要功能是將驅動事件發送給下位機，同時接收下位機實時數據并顯示和存儲；下位機采用多線程并行的設計模式，主要包括通信處理、模擬實時采集、模擬輸出數據處理、數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，采集溫度，并依據改進的PID算法進行加熱模塊和冷卻模塊的控制。

3.2 改進PID算法

傳統的PID控制算法多為單級控制，但是針對本系統控制精度并不理想，效率也不高。而且系統如果要控制在低溫狀態，那么僅僅只有加熱是實現不了的，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整PID參數，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算法結構如圖6所示。

圖6 改進PID算法結構圖

3.3 繼電反饋法整定參數

ASTROM K J在1984年提出基于繼電反饋控制的PID參數整定方法[7]。依據在于大多數的對象在繼電特性的非線性環節作用下都能產生穩定的振蕩。當過程輸出達到穩定狀態時啟動整定程序，控制開關切換到繼電整定上，通常會產生一個穩定的極限環振蕩，等到不變的振蕩輸出量產生，通過測量這個極限環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調節參數。圖7為繼電反饋PID參數自整定結構圖。

圖7 繼電反饋PID參數自整定結構圖

繼電反饋法自整定參數可以分為兩個階段：繼電整定階段和PID控制階段，在繼電整定剛開始進行時，PID控制參數是未知的，需要先進入整定階段得到臨界參數信息。整定階段系統產生穩定的等幅振蕩，以理想繼電器特性為例，繼電環節輸出方波信號，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節就可使系統產生穩定的極限環。所謂極限環，也稱為自激振蕩,是非線性系統在初始狀態的激勵下可以產生固定振幅和固定頻率的周期振蕩[8-9]。也并不是所有系統都能產生極限環，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，由于繼電環節輸出滯后輸入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，將求取的臨界參數結合Z-N整定公式即可實現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軟件工具設計PID自整定控制程序，系統程序設計流程如圖9所示。

圖9 系統自整定控制流程圖

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

圖10 PID自整定控制面板

測試試驗中溫度設定值為60 ℃，系統由于上次實驗，仍處于保溫狀態，當設備關閉時，溫度有緩慢下降趨勢；打開溫控設備，由于加熱模塊功率較大，系統在很短時間內溫度上升明顯，超過預設值；之后冷卻模塊發揮作用，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，通過參數調節最后達到平衡狀態，達到預期效果，運行結果如圖11所示。

圖11 系統運行結果——溫度曲線圖

4 結論

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

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