系統(tǒng)概況

我公司生產的高精度地磁動態(tài)模擬屏蔽系統(tǒng)的性能參數處于國*領*水平，該設備可以穩(wěn)定有效的產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節(jié)，使本系統(tǒng)的十萬分之電源處于反饋調節(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)境下產生10nT的零磁環(huán)境，如在屏蔽房或屏蔽筒內可以產生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，驅動線圈產生指定大小的磁場。

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；磁通門探頭由支架支撐，放于線圈的中心勻強磁場區(qū)內。

系統(tǒng)整體布局圖

項目方案

 磁場發(fā)生裝置

電源主要用于對線圈進行供電，驅動線圈產生磁場。 

 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

 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，軟件根據磁場的設定值與實際值的差值進行不斷地調節(jié)，直至誤差在允許的范圍內。

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，開始調零；

②地磁屏蔽線圈組三個維度的磁場值調節(jié)至指定范圍內(±50nT)，軟件發(fā)送“準備好”信號至控制計算機，并停止調零；

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，具體的調節(jié)精度用戶可以在軟件“調節(jié)靈敏度”一項中進行設置；

⑤完成指定維度磁場大小的調節(jié)后，軟件發(fā)送“調節(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參數設置界面如下圖所示，主要用于對PID參數進行調節(jié)，以使系統(tǒng)的調節(jié)性能在調節(jié)時間、超調量、振蕩、穩(wěn)態(tài)誤差等指標間達到*優(yōu)。

 PID參數設置界面

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)的超調量，克服振蕩，縮短調節(jié)時間。當Kd偏小時，超調量變大，調節(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。