角加速度法測量萬有引力常數G實驗及相關控制問題研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、牛頓萬有引力常數G是重要的物理學基本常數?,F有的理論研究無法給出其真值,科學探索和工程應用中廣泛使用的G值來源于實驗測量。國際科技數據委員會(CODATA)在2010年公布的最新推薦 G值為6.67384(80)×10-11m3kg-1s-2,相對不確定度為120ppm。該值的精度僅比兩百多年前英國物理學家卡文迪許的實驗結果提高不到兩個數量級,因此G值的精度有待于進一步提高。此外,CODATA在2010年的報告中收錄了國際上多個實驗小組

2、測量的11個G值,其中精度優(yōu)于30ppm的有4個,但它們之中最大值與最小值的差別達到了300ppm,各測量結果在誤差范圍內相互不吻合是目前G值測量的最大問題。引起這一問題的主要原因是各實驗小組采用的不同測量方法中存在著不同的系統(tǒng)誤差,研究該類系統(tǒng)誤差的一種有效方法是由同一實驗小組采用兩種不同的方法獨立測量G值。實驗室條件下高精度測量G值通?;诰芘こ樱緦嶒炐〗M在過去的20多年內一直堅持使用扭秤周期法測量牛頓萬有引力常數G,并取得了一

3、系列成果,其中被CODATA收錄過三個G值,分別為HUST-99、HUST-05、HUST-09。為探索不同測量方法中可能存在的系統(tǒng)誤差,提高測量結果的可信度,一方面繼續(xù)改進原有的扭秤周期法實驗,另一方面進行了角加速度法測G實驗。
  角加速度法測量萬有引力常數G是一個復雜的科學實驗,本文作者在博士學習期間參與了該實驗,并分析解決了實驗過程中與反饋控制相關的問題。本論文對角加速度法測G實驗中的反饋控制問題進行了研究,具體包括以下內

4、容:
  論文中分析角加速度法測G的原理,根據扭秤在旋轉坐標系下的運動方程以及扭秤在多個吸引質量球構成的引力場中的引力力矩計算公式,建立G值測量的數學模型。提出本實驗中的兩個反饋控制要求:一是保持扭擺不扭轉,二是吸引質量與扭擺的轉速差恒定。根據實驗的總設計目標(G值測量的不確定度25ppm)要求,分配誤差,并計算出與控制環(huán)節(jié)相關的各參量的具體指標要求。討論了扭絲的滯彈性效應傳遞給G值的系統(tǒng)誤差;
  論文中介紹了實驗裝置中反

5、饋控制系統(tǒng)的組裝與測量的過程。該系統(tǒng)控制整個實驗的流程,實時記錄數據,并通過兩個控制回路提供實驗所必需的條件。采用嵌入式計算機作為控制器,高分辨率的光學角度編碼器和準直儀作為測量元件,對實驗室已有的RT600氣浮軸承回轉臺和Huber440機械軸承回轉臺進行改進,組裝了滿足實驗要求的雙轉臺系統(tǒng)。在組裝的過程中,通過調制實驗分別測量系統(tǒng)中各模塊的輸入輸出特性,建立其傳遞函數模型。此外,還測量了各模塊的本底噪聲。
  論文討論了兩個閉

6、環(huán)控制回路中控制器的設計和改進過程。初期使用經典的PID算法,借助經驗法整定控制參數,實驗結果不滿足要求。然后選用改進的混合PID算法,通過增益要求和穩(wěn)定性要求得到參數的約束范圍,最后加入控制回路中各環(huán)節(jié)的噪聲(擾動),以被控量輸出總噪聲最小作為約束條件,數值仿真尋找較優(yōu)的參數。通過閉環(huán)控制有效地降低了兩個回轉臺的角加速度噪聲,并且達到了實驗的設計要求。
  論文總結了初步實驗的結果。在閉環(huán)反饋控制條件下,重復8組實驗測量的結果顯

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