系統(tǒng)概況
我公司生產(chǎn)的高精度地磁動態(tài)模擬屏蔽系統(tǒng)的性能參數(shù)處于國*領*水平，該設備可以穩(wěn)定有效的產(chǎn)生與地磁磁場方向相反的對等高精度磁場，并使用高精度磁通門計進行實時反饋與實時調(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)可以實時抵消地磁場的磁場波動，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)生任意設定的磁場用于科學實驗與模擬地磁變化環(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，該磁場動態(tài)模擬系統(tǒng)由磁場發(fā)生裝置、上位機控制軟件和磁場測量裝置組成。
小型地磁屏蔽補償線圈
大型地磁屏蔽補償線圈
磁通發(fā)生裝置一個三維線圈和相應3個電源組成。線圈結構如下圖所示。每個維度有2個線圈，用于屏蔽并產(chǎn)生勻強磁場。
線圈的結構
磁場測量裝置包括CH-330F磁通門計和磁通門探頭，如下圖所示，主要用于測量線圈中心勻強磁場區(qū)的磁場大小。
磁場測量裝置
上位機軟件運行于PC機，由控制部分和采集部分組成，主要用于根據(jù)采集回的實時磁場值和控制計算機發(fā)送的外部信號，控制電源電流，驅(qū)動線圈產(chǎn)生指定大小的磁場。
系統(tǒng)的整體布局如下圖所示，實驗桌用于放置裝有上位機控制軟件的計算機；磁通門計和3個電源放于機柜內(nèi)；磁通門探頭由支架支撐，放于線圈的中心勻強磁場區(qū)內(nèi)。
系統(tǒng)整體布局圖
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三維線圈型號 |
3CHF50-1方形（玻璃鋼） |
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磁場中心均勻度（△H/H） |
1*10-2 |
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均勻區(qū)（mm3） |
250*250*250(球形) |
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中心磁場強度H（GS） |
1（100000nT） |
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磁通門計分辨力 |
0.1nT |
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電源精度 |
0.01mA |
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電源變化精度 |
1/120000 |
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調(diào)節(jié)步進 |
10nT-20nT(地磁環(huán)境下） |
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調(diào)節(jié)步進 |
1nT (屏蔽筒內(nèi)） |
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平均直徑（mm） |
1100 |
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工作時間 |
8小時（*大場） |
項目方案
磁場發(fā)生裝置
電源主要用于對線圈進行供電，驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁場。
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型號 |
輸出電流 |
分辨率 |
有效輸出電壓 |
輸出功率 |
負載范圍 |
*佳負載 |
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1002 |
±1.2A |
10mA |
±40V |
48W |
0—40W |
>20W |
輸出電流
· 輸出范圍 0—±1200.000mA DC
· 高步進分辨率10mA（1/120000 F.S.）
· 高準確度：±（0.015%設置值+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
負載保護
· 可控的輸出端狀態(tài)
· 靜電保護和開機上電沖擊保護
· 防沖擊模式ATS和**的輸出狀態(tài)時序控制
負載適應性
· 輸出補償網(wǎng)絡
· 輸出阻抗100MW
自動控制
· 標準配備RS-232C計算機接口和易用的接口特性
· 標準配備內(nèi)部USB—RS-232C轉換接口
· 完備的計算機接口命令集
· 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
標準規(guī)格
· 提供用戶手冊
· 標準全寬2U臺式儀器，交流220V/50Hz供電
磁場測量裝置
磁場測量裝置包括CH-330F磁通門計和英國690磁通門探頭。
表3 配備690探頭的磁通門計測量參數(shù)
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型號 |
產(chǎn)品描述 |
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CH-330F高精度磁通門計(英國探頭690) |
VGA彩色 6位分辨率；量程0-100000nT；分辨力0. 1 nT；直流精度：讀數(shù)的±0.5%±0.05%量程數(shù)字RS-232與USB接口，BNC三路模擬信號輸出接口,配磁通門數(shù)據(jù)通訊及繪圖軟件一套 |
上位機控制軟件
上位機控制軟件由控制部分與采集部分組成。采集部分負責由CH-330F磁通門計讀取當前的磁場測量值，并以曲線的形式顯示在界面上；控制部分負責計算產(chǎn)生指定磁場所需的電流值，并將電流指令輸出至相應電源。
軟件采用PID閉環(huán)控制方式對線圈中心均勻區(qū)磁場進行控制，如下圖所示：輸入端為用戶設定的磁場值，軟件根據(jù)此設定值，由PID算法換算出相對應的控制電流值，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磁通門計將變化后的反饋磁場值發(fā)送給上位機，軟件根據(jù)磁場的設定值與實際值的差值進行不斷地調(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，對地磁屏蔽線圈組的控制用于消除地磁的影響；對磁場發(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。外部輸入選項框可選擇是否由外部信號控制磁場設定。
軟件主界面
當選擇由外部信號控制磁場設定時，其工作流程：
①接收外部控制信號控制地磁屏蔽線圈組，將三個維度的設定值設為0nT，開始調(diào)零；
②地磁屏蔽線圈組三個維度的磁場值調(diào)節(jié)至指定范圍內(nèi)(±50nT)，軟件發(fā)送“準備好”信號至控制計算機，并停止調(diào)零；
③控制計算機接收到“準備好”信號后，用戶可以開始設置指定維度的磁場值，例如設置Bx為1000nT；
④接收到外部控制信號“Bx：1000nT”后，軟件控制磁場發(fā)生線圈組X維度對應的電源，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”一項中進行設置；
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”信號至控制計算機，以提示用戶可以進行下個磁場值的設置。
PID參數(shù)設置界面如下圖所示，主要用于對PID參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能在調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量、振蕩、穩(wěn)態(tài)誤差等指標間達到*優(yōu)。
PID參數(shù)設置界面
Kp加大將會減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，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Ki合適時，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)時間。當Kd偏小時，超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時間變長。
PID校正綜合應用了超前和滯后校正的各自特點，利用超前校正來增大系統(tǒng)的相位裕度，改善其動態(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，試驗原則按照先比例、后積分、再微分原則，即按造 P、PI 、PID 順序進行試驗，得出滿意的控制參數(shù)。
