基于变速积分PID控制的标准时间远程复现

陈德好; 杨志强; 王玉琢

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0112

基于变速积分PID控制的标准时间远程复现

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2022.0112

中国计量科学研究院，北京 100029

基金项目: 国家重点研发计划项目（2021YFB3900701）。

详细信息

作者简介:
陈德好（1993-），中国计量科学研究院研究生，研究方向：时间频率传递及溯源技术，邮箱：chendehaomail@163.com

通讯作者:
杨志强（1980-），中国计量科学研究院副研究员，研究方向：时间频率计量，邮箱：yangzq@nim.ac.cn

计量
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出版历程
- 收稿日期: 2022-05-10
- 录用日期: 2022-05-24
- 网络出版日期: 2023-02-09

Remote Reproduction of Standard Time Based on Variable Speed Integral PID Control

National Institute of Metrology, Beijing 100029, China

摘要

摘要: 随着高精密时间频率在各领域广泛应用，远程时间溯源需求在不断提高。为实现高精度高稳定度远程时间溯源，提出利用光纤时频链路实现高精度时间基准的远程复现，基于变速积分PID控制策略优化了原子钟驯服方法，利用中国计量科学研究院和平里与昌平两院区之间54 km的光纤时频比对链路验证了时间基准复现方案，实验结果表明：超过85%的远程复现时差绝对值优于0.3 ns；远程复现时间稳定度优于6 ps/d；远程复现频率稳定度优于5×10⁻¹⁶/d。
- 光纤双向时间传递 /
- 远程时间复现 /
- PID控制 /
- 原子钟驯服 /
- 时间频率
Abstract: With the wide-ranging and deepening application of high-precision time and frequency in various fields, there is a growing demand for remote time traceability. In order to achieve high precision and high stability in long-range time traceability, this paper proposes using optical fiber time-frequency links to realize remote reproduction of high-precision time references. Furthermore, the atomic clock taming method is optimized using a variable speed integral PID control strategy. The time reference recurrence scheme is verified for the link between the National Institute of Metrology Hepingli campus and the Changping campus, spanning 54 km. The experimental results demonstrate that the absolute value of more than 85% of the remote reproduction time deviation is better than 0.3 ns, and the remote reproduction time stability is better than 6 ps/d. The stability of remote reproduction frequency is better than 5×10⁻¹⁶/d.
- optical fiber bidirectional time transfer /
- remote time reproduction /
- PID control /
- atomic clock disciplining /
- time-frequency

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图 1 光纤双向时间比对系统

Figure 1. Optical fiber bidirectional time comparison system

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图 2 远程时间复现系统

Figure 2. Remote time reproduction system

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图 3 固定参数PID控制的远程时间复现时差

Figure 3. Time deviation in remote time reproduction with fixed-parameter PID control

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图 4 参数优化后变速积分PID控制的远程时间复现时差

Figure 4. Time deviation in remote time reproduction with variable-speed integral PID control after parameter optimization

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图 5 不同PID控制的远程时间复现时间及频率稳定度对比图

Figure 5. Comparison of remote time reproduction and frequency stability under different PID controls

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表 1 不同PID控制后的仿真钟差均值的标准偏差

Table 1. The standard deviation of the mean value of the simulated clock errors after different PID control

1/K_i	K_p=0.3	K_p=0.4	K_p=0.5
1/K_i	标准偏差/ns
1/1000	0.190	0.183	0.185
1/2000	0.196	0.180	0.173
1/4000	0.206	0.185	0.173
1/8000	0.214	0.189	0.175

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表 2 不同v值PID控制后仿真钟差均值的标准偏差、频率稳定度（K_p =0.5，K_i=2000）

Table 2. Standard deviation and frequency stability of the mean value of simulated clock error after PID control with different v values (K_p =0.5, K_i =2000)

v	标准偏差/ns	重叠阿伦方差
0	0.1729	3.45e-15
1000	0.1721	3.44e-15
2000	0.1717	3.44e-15
4000	0.1717	3.44e-15

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表 4 远程时间复现的时间、频率稳定度统计表

Table 4. Statistical table of time and frequency stability in remote time reproduction

控制方法	平均时间	1	1000	10000	86400	100000
固定PID	TDEV/s	3.01e-12	1.37e-10	6.19e-11	2.45e-11	2.20e-11
固定PID	MDEV	5.22e-12	2.38e-13	1.07e-14	4.91e-16	3.81e-16
变速积分PID	TDEV/s	2.2e-12	1.13e-10	2.79e-11	5.83e-12	5.57e-12
变速积分PID	MDEV	3.80e-12	1.95e-13	4.84e-15	1.17e-16	9.65e-17

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表 3 远程时间复现的时差统计表

Table 3. Statistical table of time deviation in remote time reproduction

控制方法	观测点数	0<\|*\|<=0.2 ns	0.2<\|*\|<=0.3 ns	0.3 ns <\|*\|<=0.4 ns	0.4 ns<\|*\|<=0.9 ns
固定PID	1274243	685529	254466	164284	169306
固定PID	百分比	53.80%	19.97%	12.89%	13.29%
变速积分PID	1294977	867528	239248	121927	66086
变速积分PID	百分比	67.00%	18.48%	9.42%	5.09%

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