CN110471273B - 一种用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，基于锁相放大技术和比例积分微分，采用相位无关的R值来判断锁定区，并在锁定时通过参考信号的二倍频鉴相得到的R值实时监测锁定状态，失锁时重锁。采用本发明提供的技术方案，根据自动化闭环控制系统中与相位无关的R值准确的进行锁定区的判断并进行锁定，并且在锁定的过程中闭环的情况下实时判断是否为锁定状态，整个控制流程自动化进行，即使失锁也不需要人为操作，适合复杂环境下尤其是不方便进行人为操作的应用场景。
Description
技术领域
本发明属于自动化控制技术领域，涉及自动化闭环控制中的跟踪锁定技术，具体涉及一种能够应用于自动化闭环控制系统中的基于锁相放大技术和比例积分微分的跟踪锁定方法。
背景技术
在一些常见的闭环控制系统中，如在稳频系统和原子磁力仪系统中，从系统中获取的信号为洛伦兹吸收线型(具体为
x表示自变量，Γ表示半高半宽)，需要获取洛伦兹吸收线型极值点的信息并进行反馈控制。在稳频系统和原子磁力仪系统中，现有常见的方法是在反馈信号上施加一个小调制，从系统中获取的信号与参考信号(频率与调制信号相同，幅值为归一化幅值)进行锁相放大的操作，此时得到的信号线型为洛伦兹色散线型(具体为
x表示自变量，Γ表示半高半宽)，称为误差信号，当自变量处在锁定区时(-Γ≤x≤Γ)，可以利用比例积分微分电路进行自动化控制将误差信号锁定在中心值附近，达到了锁定和实时获取极值点信息的目的。这种方法可以在保证闭环控制的基础上实时的获取极值点的信息。对于稳频系统，只需要保持跟踪锁定状态，而对于原子磁力仪系统，锁定值在缓慢的变化，既需要保持跟踪锁定状态，又需要实时读取锁定值，锁定值即原子磁力仪测量得到的磁场值。
锁相放大技术，是一种在复杂信号背景中高信噪比地提取单个频率信号的幅值和相位信息的方法。锁相放大的基本过程是将获取的原始信号与参考信号进行混频，之后经过一个低通滤波器将高频信号滤掉，从而得到该频率信号的幅值信息(R值)和相位信息(θ值)，以及同相分量(X值,也就是Rcosθ)和正交分量(Y值,也就是Rsinθ)两个分量。比例积分微分(Proportional-Integral-Derivative，以下简称PID)是一种常见的工业控制方法，具体做法是将实际值与参考值的差(称为误差值)按比例、积分和微分通过线性组合构成反馈控制信号，对被控对象进行控制。
现有的寻找锁定区的做法是，第一次完整扫描信号时记录锁定点的位置，第二次扫描锁定时通过扫描值与锁定点的偏差小于信号线宽的一半来判断锁定区，这种方法忽略了锁定点随时间的变化，实际中在某些情况下，比如原子磁力仪系统中，锁定点是对外界环境敏感的，因而是随时间在变化的，因此这种方法存在判断锁定区不准确的问题。现有的锁定方法中往往在锁定后就不做判断了，或者根据误差信号的偏差判断是否失锁，误差信号在锁定点和远离锁定区都是接近于零的，因此这种判断往往是不准确的，比如一种典型的情况，假设外界环境的干扰导致误差信号发生了一次大的改变，之后误差信号回归到零附近，这种方法没法判断误差信号回归到零之后是否还是锁定状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于锁相放大技术和比例积分微分的跟踪锁定算法，用于解决稳频系统和原子磁力仪系统中自动化控制的问题。该算法主要包含以下几个方面，锁定区的判断，误差信号的自动锁定，闭环情况下锁定状态的实时监测，并且根据监测信息判断失锁后自动恢复锁定状态。
本发明的原理是：
本发明中，系统中获取的信号称为原始信号，信号发生器产生调制信号，归一化后的调制信号称为参考信号，和参考信号进行锁相放大得到的色散线型的信号称为误差信号，误差信号送入PID控制系统后得到的信号称为控制信号，控制信号和调制信号共同组成了施加在待控对象上的信号称为反馈信号。原始信号和参考信号基频经过锁相放大得到的幅值称为一倍频R值，原始信号和参考信号的二倍频信号经过锁相放大得到的幅值称为二倍频R值。
本发明使用的锁相放大器和PID电路/控制系统均为数字化的算法软件模块。利用锁相放大得到的相位无关的R值(幅值)进行锁定区的判断并调整相位θ值使得锁相放大器得到的正交分量(Y值，也就是Rsinθ)最大，锁相放大器得到的同相分量(X值，也就是Rcosθ)为零，之后利用锁相放大得到的Y值正交分量作为误差信号，在锁定区进行系统的闭环锁定，在闭环锁定后，利用获取的原始信号与参考信号的二倍频信号进行锁相放大，根据得到的R值(幅值)判断是否保持锁定状态，若失锁则自动重新扫描锁定信号。跟踪锁定过程的状态分为“初始化”，“初次扫描”，“二次扫描-第一步”，“二次扫描-第二步”，“二次扫描-锁定”五个运行状态，根据运行条件自动执行状态之间的切换，由此达到自动化控制的目的。
本发明所采用的技术方案如下：
一种用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，基于锁相放大技术和比例积分微分，采用相位无关的R值来判断锁定区，并在锁定时通过参考信号的二倍频鉴相得到的R值实时监测锁定状态，失锁时自动重锁；包括如下步骤：
1)初始化自动化闭环控制系统；
1A.初始化所有全局变量，包括运行状态初始化为“初始化”，一倍频R值、二倍频R值初始化为0，反馈信号的值初始化为待控对象可以施加的最小值(由待控对象决定，例如激光器压电陶瓷可以施加的电压范围为0-100V，则初始化值设置为0V)，PID初始化为关闭状态；
1B.将运行状态设置为“初次扫描”；
2)通过初次扫描得到一倍频R值的最大值(以下称为一倍频R值最大值)和远离锁定区时一倍频R值的背底噪声值(以下称为R值噪声值)；
2A.将反馈信号的值以步长step1(具体实施可设置为锁定区范围的百分之一，如果锁定区范围为10V，则步长step1设置为0.1V)在全范围内粗略扫描，如果全范围扫描没有得到信号，返回错误显示“硬件错误”；
2B.如果扫描成功得到信号，获取锁相放大后的一倍频R值(幅值)最大值和远离信号时的R值噪声值；
2C.设置第一阈值(具体实施时，取值设置为R值最大值*0.9)，设置第二阈值(设置为R值噪声值*1.1)，至少要求R值最大值与R值噪声值的比(即信噪比)在1.22以上，以保证第一阈值大于第二阈值；
2D.更新运行状态，设置为“二次扫描-第一步”；
3)进行第二次扫描找到锁定区并进行锁定；
3A.反馈信号的值以步长step1从小往大粗略扫描，判断条件R值大于第一阈值是否满足，当条件满足时，将锁相放大得到的相位减去90°，作为锁相放大的相位输入，此时θ＝90°，更新运行状态，设置为“二次扫描-第二步”；θ为相位信息；
3B.反馈信号的值以步长step2(具体实施时可设置为锁定区范围的千分之一，如果锁定区范围为10V，则步长step2设置为0.01V)继续精细扫描，判断条件R值小于第二阈值是否满足，当条件满足时，更新运行状态，设置为“二次扫描-锁定”；
3C.打开PID，将锁相放大输出的Y值(正交分量)作为误差信号输入到PID电路中，从PID电路中得到控制信号，调节待控对象完成锁定；
4)锁定状态监测
4A.使用调制信号的二倍频信号作为参考信号，与原始信号进行锁相放大，得到二倍频R值；
4B.将二倍频R值与第二阈值实时进行比较，如果在连续一段时间(例如可设置为10秒左右)内，二倍频R值小于等于第二阈值，则判断为失锁，更新运行状态，设置为“初始化”，返回执行步骤1)，如果二倍频R值大于第二阈值，则不进行操作继续保持锁定状态。
通过上述步骤，实现自动化闭环控制系统的基于锁相放大技术和比例积分微分的跟踪锁定。
具体实施时，自动化闭环控制系统采用自动化稳频控制系统，包括激光器、压电陶瓷、光纤、稳频光路、光电二极管、采集电路、信号发生器、锁相放大器、PID电路；具体地，激光器为可调谐激光器，通过压电陶瓷调节输出激光的波长，激光通过光纤输出至稳频光路中，经过光电二极管将光学信号转换为电信号，输入到采集电路中，同时信号发生器产生与调制信号同频率的参考信号，采集到的原始信号与参考信号进行锁相放大，得到的误差信号输入到PID电路中得到反馈信号，反馈信号和信号发生器产生的调制信号一起组成控制信号控制激光器压电陶瓷的电压。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供一种用于自动化闭环控制系统的基于锁相放大技术和比例积分微分的跟踪锁定方法，可以根据自动化闭环控制系统中与相位无关的R值准确的进行锁定区的判断并进行锁定，并且在锁定的过程中闭环的情况下实时判断是否为锁定状态，整个控制流程自动化进行，即使失锁也不需要人为操作，适合复杂环境下尤其是不方便进行人为操作的应用场景。
附图说明
图1为本发明提供的自动化闭环控制系统跟踪锁定方法的流程框图。
图2为本发明实施例中采用的自动化稳频控制系统的结构框图。
图3为本发明实施例采用的稳频系统中信号线型与锁定区示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，有必要在此指出，以下具体实施方式只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的普通技术人员可以根据上述发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
本发明提供一种用于自动化闭环控制系统的基于锁相放大技术和比例积分微分的跟踪锁定方法，可以根据自动化闭环控制系统中与相位无关的R值准确的进行锁定区的判断并进行锁定，并且在锁定的过程中闭环的情况下实时的判断是否为锁定区状态。本发明的具体实施方式如下：
1)初始化自动化闭环控制系统；
1A.初始化所有全局变量，包括运行状态初始化为“初始化”，一倍频R值、二倍频R值初始化为0，反馈信号的值初始化为待控对象可以施加的最小值(由待控对象决定，例如激光器压电陶瓷可以施加的电压范围为0-100V，则初始化值设置为0)，PID初始化为关闭状态；
1B.将运行状态设置为“初次扫描”；
2)通过初次扫描得到一倍频R值的最大值(以下称为一倍频R值最大值)和远离锁定区时一倍频R值的背底噪声值(以下称为R值噪声值)；
2A.将反馈信号的值以步长step1(例如设置为锁定区范围的百分之一，如果锁定区范围为10V，则步长step1设置为0.1V)在全范围内粗略扫描，如果全范围扫描没有得到信号，返回错误显示“硬件错误”；
2B.如果扫描成功得到信号，获取锁相放大后的一倍频R值(幅值)最大值和远离信号时的R值噪声值；
2C.设置第一阈值(具体实施时，取值设置为R值最大值*0.9)，设置第二阈值(设置为R值噪声值*1.1)，至少要求R值最大值与R值噪声值的比(即信噪比)在1.22以上，以保证第一阈值大于第二阈值；
2D.更新运行状态，设置为“二次扫描-第一步”；
3)进行第二次扫描找到锁定区并进行锁定；
3A.反馈信号的值以步长step1从小往大粗略扫描，判断条件R值大于第一阈值是否满足，当条件满足时，将锁相放大得到的相位减去90°，作为锁相放大的相位输入，此时θ＝90°，更新运行状态，设置为“二次扫描-第二步”；θ为相位信息；
3B.反馈信号的值以步长step2(例如设置为锁定区范围的千分之一，如果锁定区范围为10V，则步长step2设置为0.01V)继续精细扫描，判断条件R值小于第二阈值是否满足，当条件满足时，更新运行状态，设置为“二次扫描-锁定”；
3C.打开PID，将锁相放大输出的Y值(正交分量)作为误差信号输入到PID电路中，从PID电路中得到控制信号，调节待控对象完成锁定；
4)锁定状态监测
4A.使用调制信号的二倍频信号作为参考信号，与原始信号进行锁相放大，得到二倍频R值；
4B.将二倍频R值与第二阈值实时进行比较，如果在连续一段时间(例如一半设置为10秒左右)内，二倍频R值小于等于第二阈值，则判断为失锁，更新运行状态，设置为“初始化”，返回执行步骤1)，如果二倍频R值大于第二阈值，则不进行操作继续保持锁定状态。
通过上述步骤，实现自动化闭环控制系统的基于锁相放大技术和比例积分微分的跟踪锁定。
下面以用于自动化稳频控制系统为具体实施例，说明本发明的工作过程与原理：
1、选用的具体器件如下：
如图1为稳频系统框图，激光器为可调谐激光器，通过压电陶瓷调节输出激光的波长，激光通过光纤输出至稳频光路中，经过光电二极管将光学信号转换为电信号，输入到采集电路中，同时信号发生器产生与调制信号同频率的参考信号，采集到的原始信号与参考信号进行锁相放大，得到的误差信号输入到PID电路中得到反馈信号，反馈信号和信号发生器产生的调制信号一起组成控制信号控制激光器压电陶瓷的电压。
2、工作过程和原理
首先是初始化所有操作，锁相放大的相位输入设置为0。初次在全范围内扫描直流偏置电压得到完整的一倍频R值(幅值)，如图3所示。将一倍频R值最大值*0.9设置为第一阈值，R值噪声值*1.1设置为第二阈值，至少要求R值最大值与R值噪声值的比(即信噪比)在1.22以上，以保证第一阈值大于第二阈值，如果扫描不到一倍频R值信号返回“硬件错误”结束算法，如果第一阈值小于等于第二阈值，返回“信噪比低于1.22”结束算法。第二次扫描时，分为三个步骤，第一步从起始电压粗扫，锁相放大得到的一倍频R值与第一阈值进行比较，一倍频R值大于第一阈值时，第一步粗扫停止，此时锁相放大得到的相位值减去90°作为之后锁相放大的相位输入，此时θ＝90°，调整相位保证了Y值(正交分量，也就是Rsinθ)最大；进入第二步细扫，锁相放大得到的一倍频R值与第二阈值进行比较，R值小于第二阈值时，第二步细扫停止，此时直流偏置电压一定处于锁定区内，如图3所示；进入第三步锁定，将Y值(正交分量)作为误差信号输入到PID电路中进行控制得到控制信号，控制信号和调制信号组成反馈信号输入到激光器的压电陶瓷上调整激光器的波长，使激光器的波长始终稳定在锁定值附近；此后实时监测采集电路得到的原始信号与参考信号的二倍频信号得到的二倍频R值(信号幅值)，并与第二阈值进行比较，如果某段连续的时间内(如10秒内)二倍频R值始终小于第二阈值，则认为稳频系统失锁，重新初始化并进行第一次扫描，反之，将一直保持锁定状态。整套控制系统自动化进行，可以实时判断锁定状态，无需人工操作，适用于常见的复杂应用背景。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (6)
1.一种用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，基于锁相放大技术和比例积分微分，采用相位无关的R值来判断锁定区，并在锁定时通过参考信号的二倍频鉴相得到的R值实时监测锁定状态，失锁时自动重锁；所述R值即幅值；
所述自动化闭环控制系统采用自动化稳频控制系统，包括激光器、压电陶瓷、光纤、稳频光路、光电二极管、采集电路、信号发生器、锁相放大器、PID电路；所述激光器通过压电陶瓷调节输出激光的波长，激光通过光纤输出至稳频光路中，经过光电二极管将光学信号转换为电信号，输入到采集电路中，同时信号发生器产生与调制信号同频率的参考信号，采集到的原始信号与参考信号进行锁相放大，得到的误差信号输入到PID电路中得到反馈信号，反馈信号和信号发生器产生的调制信号组成控制信号控制激光器压电陶瓷的电压；
包括如下步骤：
1)初始化自动化闭环控制系统；
1A.初始化所有全局变量，包括运行状态、一倍频R值、二倍频R值、反馈信号的值、比例积分微分PID状态；原始信号和参考信号基频经过锁相放大得到的幅值称为一倍频R值，原始信号和参考信号的二倍频信号经过锁相放大得到的幅值称为二倍频R值；
1B.将运行状态设置为“初次扫描”；
2)通过初次扫描得到一倍频R值最大值和R值噪声值；R值噪声值为远离锁定区时一倍频R值的背底噪声值；
2A.将反馈信号的值以步长step1在全范围内粗略扫描；
2B.若扫描成功得到信号，获取锁相放大后的一倍频R值最大值和远离锁定区时的R值噪声值；
2C.设置第一阈值和第二阈值，使得第一阈值大于第二阈值；
2D.更新运行状态，设置为“二次扫描-第一步”；
3)进行第二次扫描，找到锁定区并进行锁定；
3A.反馈信号的值以步长step1从小往大粗略扫描，判断条件为R值是否大于第一阈值；当R值大于第一阈值时，将锁相放大得到的相位减去90°，作为锁相放大的相位输入，此时θ＝90°，更新运行状态，设置为“二次扫描-第二步”；θ为相位信息；
3B.反馈信号的值以步长step2继续精细扫描，判断条件R值是否小于第二阈值；当R值小于第二阈值时，更新运行状态，设置为“二次扫描-锁定”；
3C.打开PID，将锁相放大输出的Y值作为误差信号输入到PID电路中，Y值为正交分量；从PID电路中得到控制信号，调节待控对象完成锁定；
4)锁定状态监测；
4A.使用调制信号的二倍频信号作为参考信号，与原始信号进行锁相放大，得到二倍频R值；
4B.将二倍频R值与第二阈值实时进行比较；
若在连续一段时间内，二倍频R值小于等于第二阈值，则判断为失锁，更新运行状态，设置为“初始化”，返回执行步骤1)；
通过上述步骤，实现自动化闭环控制系统的基于锁相放大技术和比例积分微分的跟踪锁定。
2.如权利要求1所述用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，其特征是，所述激光器为可调谐激光器。
3.如权利要求1所述用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，其特征是，步骤1A中，将运行状态初始化为“初始化”；将一倍频R值、二倍频R值均初始化为0；将反馈信号的值初始化为最小值；将PID初始化为关闭状态。
4.如权利要求1所述用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，其特征是，步骤2C中，设置第一阈值为R值最大值*0.9；设置第二阈值为R值噪声值*1.1；至少要求信噪比在1.22以上；所述信噪比为R值最大值与R值噪声值的比。
5.如权利要求1所述用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，其特征是，步骤2A中，步长step1具体设置为锁定区范围的百分之一。
6.如权利要求1所述用于自动化闭环控制系统的跟踪锁定方法，其特征是，步骤3B中，步长step2具体设置为锁定区范围的千分之一。
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