基于模糊PID控制算法的恒溫石英晶體振蕩器

摘要：為了提高石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度，除了選取高性能的諧振器外，對其采取恒溫控制方式是保證其穩(wěn)定震蕩的關(guān)鍵。本文給出了一種采用雙層恒溫槽及采用模糊PID控制算法，外層加溫部分控制基礎(chǔ)加溫，內(nèi)層加溫部分實(shí)現(xiàn)精確加溫，從而提高恒溫石英晶體振蕩器的穩(wěn)定性和啟動性的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，在MATLAB環(huán)境下建立了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明采取模糊控制算法和PID控制算法結(jié)合的算法比單純采用PID控制算法溫度上升快，超調(diào)量小，也更加穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：恒溫晶體振蕩器；諧振器；模糊PID控制；算法

0 引言
恒溫晶體振蕩器是目前頻率穩(wěn)定度最高的晶體振蕩器，作為精密時(shí)頻信號源被廣泛應(yīng)用在全球定位系統(tǒng)、通信、計(jì)量、頻譜及網(wǎng)絡(luò)分析儀等電子儀器中。現(xiàn)代通信的迅速發(fā)展對恒溫晶體振蕩器的穩(wěn)定度提出了更高的要求。為了獲得較高的頻率穩(wěn)定度，必須采用高品質(zhì)的石英諧振器以及良好的控溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。傳統(tǒng)的PID控制算法簡單、魯棒性好、可靠性高，并且可以消除穩(wěn)態(tài)誤差。而在實(shí)際中被控對象往往具有非線性、不確定性難以建立精確地?cái)?shù)學(xué)模型，因此應(yīng)用傳統(tǒng)的PID控制器難以達(dá)到理想的控制效果。鑒于模糊控制具有快速性的特點(diǎn)，同時(shí)還可以保持較小的超調(diào)量。文中將模糊控制與PID控制算法相結(jié)合，從而得到一種控制規(guī)則簡單，控制性能良好的控制方法。

1 恒溫晶體振蕩器硬件原理
由于晶體振蕩器的頻率溫度特性主要由石英諧振器的頻溫特性決定。因此在制作恒溫晶體振蕩器前，首先要選擇性能良好的高品質(zhì)諧振器，不同切型的諧振器頻率溫度系數(shù)也不同，AT切諧振器的振蕩頻率與溫度的關(guān)系呈近似三次函數(shù)關(guān)系，具有零溫度系數(shù)點(diǎn)。因而把控制溫度設(shè)定在諧振器頻率溫度曲線拐點(diǎn)溫度處即可實(shí)現(xiàn)振蕩器輸出穩(wěn)定頻率的目的。由高品質(zhì)的諧振器和穩(wěn)定的振蕩電路所組成的恒溫晶體振蕩器基本框圖如圖1所示。

它的工作原理是：在外層加熱電路中，控制芯片根據(jù)片內(nèi)傳感器所測得的溫度對外槽內(nèi)控制加溫至接近石英諧振器拐點(diǎn)溫度處實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)加溫控制；內(nèi)層加熱電路中，控制芯片根據(jù)溫度傳感器所測得的溫度對內(nèi)槽控制加溫，使內(nèi)槽溫度穩(wěn)定在石英諧振器拐點(diǎn)溫度處從而實(shí)現(xiàn)精確加溫控制。內(nèi)槽在制作上選用導(dǎo)熱系數(shù)高的紫銅，提高內(nèi)槽的傳熱性能；外槽在制作上選用導(dǎo)熱系數(shù)較低的聚氨酯泡沫塑料灌注，使其和元器件粘在一起，不僅保溫性好而且有防震的功能。
控溫部分采用單片機(jī)c8051f330來控溫，它主要通過軟件實(shí)現(xiàn)，結(jié)合硬件電路，構(gòu)成數(shù)字化精確控溫。這里主要介紹控溫算法的實(shí)現(xiàn)以及MATLAB仿真測試結(jié)果。

2 PID控制器的控制原理
PID控制器是一種線性控制器，其原理如圖2。

式(1)中Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。
在PID控制過程中，首先根據(jù)被控對象的數(shù)學(xué)模型確定PID，然后再用偏差e作為輸入，計(jì)算出控制量，并驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來減小誤差，直到被控對象穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)。