仪器仪表学报

作者：李悦，刘昆，慈骋，薛振宇，房芳

单位：李悦,中国计量大学信息工程学院杭州310018,,刘昆,2.中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所北京100029； 3.中国计量科学研究院国家市场监管重点实验室北京100029,liukun@nim.ac.cn,慈骋,中国计量大学信息工程学院杭州310018,,薛振宇,中国计量大学信息工程学院杭州310018,,房芳,2.中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所北京100029； 3.中国计量科学研究院国家市场监管重点实验室北京100029,

关键词：喷泉钟;频率锁定;仿真模型;模糊PID

基金：中国计量科学研究院基本科研业务费项目（AKYZZ2402）、中国计量科学研究院质量技术基础能力建设项目（ANL2405）资助

冷原子喷泉钟的频率锁定是将外部馈入的微波的中心频率与原子跃迁频率锁定来获取准确的频率值。传统方法是将探测得到的频率误差信号经过传统的数字PID方法计算得到频率调整量，以调整馈入微波的中心频率值。为了便于优化冷原子喷泉钟的锁定过程，基于Python程序构建了喷泉钟频率锁定过程的仿真模型，并利用实验数据确定了仿真过程中的两个参数,一个参数是冷原子喷泉钟在锁定过程中附加的附加频率高斯白噪声的标准差为σ/τ=1.35×10-13（τ=2.4s），另一个参数是喷泉钟测量得到的跃迁几率差值与频率误差值之间的比例系数C=2.8。在建立的仿真模型的基础上，为了实现PID控制参数的动态调整，提升系统的鲁棒性和抗干扰能力，在冷原子喷泉钟频率锁定过程中引入模糊PID控制方法。首先使用仿真程序优化并选定了相关实验参数，之后进行了这些参数下的传统PID和模糊PID的短时间的实验测量。仿真与实验结果表明，模糊PID在短期稳定度方面优于传统PID，Allan方差分析显示其短期稳定度提升约14.2%，实验结果与仿真结果的符合程度验证了该仿真模型的有效性。另外，单独的仿真结果也显示，模糊PID对突发性频率跳变（±1×10-11）具有一定的抑制能力；在系统性频率阶跃（±5×10-12）下响应速度与传统PID相当。

来源：2025年第9期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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