系統(tǒng)概況

我公司生產(chǎn)的高精度地磁動(dòng)態(tài)模擬屏蔽系統(tǒng)的性能參數(shù)處于國*領(lǐng)*水平，該設(shè)備可以穩(wěn)定有效的產(chǎn)生與地磁磁場方向相反的對(duì)等高精度磁場，并使用高精度磁通門計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋與實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使本系統(tǒng)的十萬分之電源處于反饋調(diào)節(jié)狀態(tài)，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)抵消地磁場的磁場波動(dòng)，從而在地磁環(huán)境下產(chǎn)生10nT的零磁環(huán)境，如在屏蔽房或屏蔽筒內(nèi)可以產(chǎn)生1nT或0.1nT的梯度磁場，系統(tǒng)也可以隨意在三維分量上產(chǎn)生任意設(shè)定的磁場用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)與模擬地磁變化環(huán)境，

本系統(tǒng)被航天**及大專院校廣泛使用，其精度及穩(wěn)定性數(shù)字化程度等特性廣受好評(píng)，該磁場動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)由磁場發(fā)生裝置、上位機(jī)控制軟件和磁場測量裝置組成。

小型地磁屏蔽補(bǔ)償線圈

大型地磁屏蔽補(bǔ)償線圈

磁通發(fā)生裝置一個(gè)三維線圈和相應(yīng)3個(gè)電源組成。線圈結(jié)構(gòu)如下圖所示。每個(gè)維度有2個(gè)線圈，用于屏蔽并產(chǎn)生勻強(qiáng)磁場。

線圈的結(jié)構(gòu)

磁場測量裝置包括CH-330F磁通門計(jì)和磁通門探頭，如下圖所示，主要用于測量線圈中心勻強(qiáng)磁場區(qū)的磁場大小。

磁場測量裝置

上位機(jī)軟件運(yùn)行于PC機(jī)，由控制部分和采集部分組成，主要用于根據(jù)采集回的實(shí)時(shí)磁場值和控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的外部信號(hào)，控制電源電流，驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生指定大小的磁場。

系統(tǒng)的整體布局如下圖所示，實(shí)驗(yàn)桌用于放置裝有上位機(jī)控制軟件的計(jì)算機(jī)；磁通門計(jì)和3個(gè)電源放于機(jī)柜內(nèi)；磁通門探頭由支架支撐，放于線圈的中心勻強(qiáng)磁場區(qū)內(nèi)。

系統(tǒng)整體布局圖

項(xiàng)目方案

 磁場發(fā)生裝置

電源主要用于對(duì)線圈進(jìn)行供電，驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生磁場。 

 輸出電流

· 輸出范圍 0—±1200.000mA DC

· 高步進(jìn)分辨率10mA（1/120000 F.S.）

· 高準(zhǔn)確度：±（0.015%設(shè)置值+20mA）@1000mA

· 低噪聲/紋波：20mA RMS 典型值 @1000mA

· 輸出阻抗 >100MW 

· 穩(wěn)定度優(yōu)于±0.01% @1000mA

· 浮動(dòng)輸出

· *大輸出功率48W

 輸出電壓

· 有效范圍 0—40V DC

· 開路輸出電壓：45V±0.2V

 負(fù)載保護(hù)

· 可控的輸出端狀態(tài)

· 靜電保護(hù)和開機(jī)上電沖擊保護(hù)

· 防沖擊模式ATS和**的輸出狀態(tài)時(shí)序控制

 負(fù)載適應(yīng)性

· 輸出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

· 輸出阻抗100MW

 自動(dòng)控制

· 標(biāo)準(zhǔn)配備RS-232C計(jì)算機(jī)接口和易用的接口特性

· 標(biāo)準(zhǔn)配備內(nèi)部USB—RS-232C轉(zhuǎn)換接口

· 完備的計(jì)算機(jī)接口命令集

· 三路觸發(fā)輸出同步功能

 交互能力

· 白色背光FSTN LCD顯示器

· 必備的LED狀態(tài)指示器

· 與顯示器和指示器配合的3′4鍵交互型功能鍵盤操作

 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格

· 提供用戶手冊

· 標(biāo)準(zhǔn)全寬2U臺(tái)式儀器，交流220V/50Hz供電

 磁場測量裝置

磁場測量裝置包括CH-330F磁通門計(jì)和英國690磁通門探頭。

表3 配備690探頭的磁通門計(jì)測量參數(shù)

 上位機(jī)控制軟件

上位機(jī)控制軟件由控制部分與采集部分組成。采集部分負(fù)責(zé)由CH-330F磁通門計(jì)讀取當(dāng)前的磁場測量值，并以曲線的形式顯示在界面上；控制部分負(fù)責(zé)計(jì)算產(chǎn)生指定磁場所需的電流值，并將電流指令輸出至相應(yīng)電源。

軟件采用PID閉環(huán)控制方式對(duì)線圈中心均勻區(qū)磁場進(jìn)行控制，如下圖所示：輸入端為用戶設(shè)定的磁場值，軟件根據(jù)此設(shè)定值，由PID算法換算出相對(duì)應(yīng)的控制電流值，輸出至電源；線圈產(chǎn)生的磁場隨著控制電流的變化而發(fā)生變化，CH-330F磁通門計(jì)將變化后的反饋磁場值發(fā)送給上位機(jī)，軟件根據(jù)磁場的設(shè)定值與實(shí)際值的差值進(jìn)行不斷地調(diào)節(jié)，直至誤差在允許的范圍內(nèi)。

軟件控制原理

軟件的主界面如下圖所示，對(duì)地磁屏蔽線圈組的控制用于消除地磁的影響；對(duì)磁場發(fā)生線圈組的控制用于在均勻區(qū)產(chǎn)生指定大小的磁場。外部輸入選項(xiàng)框可選擇是否由外部信號(hào)控制磁場設(shè)定。

軟件主界面

當(dāng)選擇由外部信號(hào)控制磁場設(shè)定時(shí)，其工作流程：

①接收外部控制信號(hào)控制地磁屏蔽線圈組，將三個(gè)維度的設(shè)定值設(shè)為0nT，開始調(diào)零；

②地磁屏蔽線圈組三個(gè)維度的磁場值調(diào)節(jié)至指定范圍內(nèi)(±50nT)，軟件發(fā)送“準(zhǔn)備好”信號(hào)至控制計(jì)算機(jī)，并停止調(diào)零；

③控制計(jì)算機(jī)接收到“準(zhǔn)備好”信號(hào)后，用戶可以開始設(shè)置指定維度的磁場值，例如設(shè)置Bx為1000nT；

④接收到外部控制信號(hào)“Bx：1000nT”后，軟件控制磁場發(fā)生線圈組X維度對(duì)應(yīng)的電源，采用PID閉環(huán)控制將Bx控制在1000nT左右，具體的調(diào)節(jié)精度用戶可以在軟件“調(diào)節(jié)靈敏度”一項(xiàng)中進(jìn)行設(shè)置；

⑤完成指定維度磁場大小的調(diào)節(jié)后，軟件發(fā)送“調(diào)節(jié)完成”信號(hào)至控制計(jì)算機(jī)，以提示用戶可以進(jìn)行下個(gè)磁場值的設(shè)置。

PID參數(shù)設(shè)置界面如下圖所示，主要用于對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、振蕩、穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)間達(dá)到*優(yōu)。

 PID參數(shù)設(shè)置界面

Kp加大將會(huì)減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但太大則振蕩次數(shù)增多。Ki可以用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)Ki合適時(shí)，系統(tǒng)的特性比較理想。但是Ki偏大系統(tǒng)的振蕩次數(shù)較多；Ki偏小積分控制對(duì)系統(tǒng)的性能影響較小，這樣就不能有效的消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Kd控制可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，克服振蕩，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。當(dāng)Kd偏小時(shí)，超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長。

PID校正綜合應(yīng)用了超前和滯后校正的各自特點(diǎn)，利用超前校正來增大系統(tǒng)的相位裕度，改善其動(dòng)態(tài)性能；利用滯后部分來改善系統(tǒng)的靜態(tài)性能，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。PID校正采用湊試法，試驗(yàn)原則按照先比例、后積分、再微分原則，即按造 P、PI 、PID 順序進(jìn)行試驗(yàn)，得出滿意的控制參數(shù)。