系統概況

我公司生産的高精度地磁動态模拟屏蔽系統的性能參數處於國*領*水平，該設備可以穩定有效的産生與地磁磁場方向相反的對等高精度磁場，並使用高精度磁通門計進行實時反饋與實時調節，使本系統的十萬分之電源處於反饋調節狀态，系統可以實時抵消地磁場的磁場波動，從而在地磁環境下産生10nT的零磁環境，如在屏蔽房或屏蔽筒内可以産生1nT或0.1nT的梯度磁場，系統也可以随意在三維分量上産生任意設定的磁場用於科學實驗與模拟地磁變化環境，

本系統被航天**及大專院校廣泛使用，其精度及穩定性數字化程度等特性廣受好評，該磁場(chǎng)動态模拟系統由磁場(chǎng)發生裝置、上位機控制軟件和磁場(chǎng)測(cè)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，用於(yú)屏蔽並(bìng)産生勻強磁場。

線圈的結構

磁場測(cè)量裝置包括CH-330F磁通門計和磁通門探頭，如下圖所示，主要用於(yú)測(cè)量線圈中心勻強磁場區的磁場大小。

磁場測量裝置

上位機軟件運行於(yú)PC機，由控制部分和採(cǎi)集部分組成，主要用於(yú)根據採(cǎi)集回的實時磁場值和控制計算機發送的外部信号，控制電源電流，驅動線圈産生指定大小的磁場。

系統的整體布局如下圖所示，實驗桌用於(yú)放置裝有上位機控制軟件的計算機；磁通門計和3個電源放於(yú)機櫃内；磁通門探頭由支架支撐，放於(yú)線圈的中心勻強磁場(chǎng)區内。

系統整體布局圖

項目方案

 磁場發生裝置

電源主要用於(yú)對線圈進行供電，驅動線圈産(chǎn)生磁場。 

 輸出電流

· 輸(shū)出範(fàn)圍 0—±1200.000mA DC

· 高步進(jìn)分辨率10mA（1/120000 F.S.）

· 高準確(què)度：±（0.015%設(shè)置值+20mA）@1000mA

· 低噪聲(shēng)/紋(wén)波：20mA RMS 典型值 @1000mA

· 輸(shū)出阻抗 >100MW 

· 穩(wěn)定度優於(yú)±0.01% @1000mA

· 浮動輸出

· *大輸(shū)出功率48W

 輸出電壓

· 有效範(fàn)圍(wéi) 0—40V DC

· 開(kāi)路輸出電(diàn)壓：45V±0.2V

 負載保護

· 可控的輸(shū)出端狀(zhuàng)态

· 靜電(diàn)保護和開機上電(diàn)沖(chōng)擊保護

· 防沖(chōng)擊(jī)模式ATS和**的輸出狀态時序控制

 負載适應性

· 輸出補(bǔ)償(cháng)網絡

· 輸(shū)出阻抗100MW

 自動控制

· 标準配備(bèi)RS-232C計算機(jī)接口和易用的接口特性

· 标準配備(bèi)内部USB—RS-232C轉換(huàn)接口

· 完備(bèi)的計算機(jī)接口命令集

· 三路觸(chù)發(fā)輸出同步功能

 交互能力

· 白色背光FSTN LCD顯(xiǎn)示器

· 必備(bèi)的LED狀(zhuàng)态指示器

· 與顯示器和指示器配合的3´4鍵(jiàn)交互型功能鍵(jiàn)盤(pán)操作

 标準規格

· 提供用戶(hù)手冊(cè)

· 标準全寬(kuān)2U台式儀器，交流220V/50Hz供電(diàn)

 磁場測量裝置

磁場(chǎng)測(cè)量裝置包括CH-330F磁通門計和英國690磁通門探頭。

表3 配備(bèi)690探頭的磁通門計測量參(cān)數

 上位機(jī)控制軟(ruǎn)件

上位機控制軟件由控制部分與採(cǎi)集部分組成。採(cǎi)集部分負責由CH-330F磁通門計讀取當前的磁場測量值，並(bìng)以曲線的形式顯示在界面上；控制部分負責計算産生指定磁場所需的電流值，並(bìng)将電流指令輸出至相應電源。

軟件採(cǎi)用PID閉環控制方式對線圈中心均勻區磁場進行控制，如下圖所示：輸入端爲用戶設定的磁場值，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；線圈産生的磁場随著(zhe)控制電流的變化而發生變化，CH-330F磁通門計将變化後的反饋磁場值發送給上位機，軟件根據磁場的設定值與實際值的差值進行不斷地調節，直至誤差在允許的範圍内。

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於(yú)消除地磁的影響；對磁場發生線圈組的控制用於(yú)在均勻區産(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号控制磁場設定。

軟件主界面

當(dāng)選擇由外部信号控制磁場(chǎng)設定時，其工作流程：

①接收外部控制信号控制地磁屏蔽線圈組，将三個(gè)維度的設定值設爲0nT，開始調(diào)零；

②地磁屏蔽線圈組三個維度的磁場值調節至指定範圍内(±50nT)，軟件發送“準備(bèi)好”信号至控制計算機，並(bìng)停止調零；

③控制計算機接收到“準備(bèi)好”信号後，用戶可以開始設置指定維度的磁場(chǎng)值，例如設置Bx爲1000nT；

④接收到外部控制信号“Bx：1000nT”後，軟件控制磁場發生線圈組X維度對應的電源，採(cǎi)用PID閉(bì)環控制将Bx控制在1000nT左右，具體的調節精度用戶可以在軟件“調節靈敏度”一項中進行設置；

⑤完成指定維度磁場(chǎng)大小的調(diào)節後，軟件發送“調(diào)節完成”信号至控制計算機，以提示用戶可以進行下個磁場(chǎng)值的設置。

PID參(cān)數設置界面如下圖所示，主要用於(yú)對PID參(cān)數進行調節，以使系統的調節性能在調節時間、超調量、振蕩、穩态誤差等指标間達到*優。

 PID參(cān)數設(shè)置界面

Kp加大将會減少穩态誤差，提高系統的動态響應速度，但太大則振蕩次數增多。Ki可以用來消除系統的穩态誤差。當Ki合适時，系統的特性比較理想。但是Ki偏大系統的振蕩次數較多；Ki偏小積分控制對系統的性能影響較小，這樣就不能有效的消除系統的穩态誤差。Kd控制可以減小系統的超調量，克服振蕩，縮短調節時間。當Kd偏小時，超調量變(biàn)大，調節時間變(biàn)長(zhǎng)。

PID校正綜合應用瞭(le)超前和滞後校正的各自特點，利用超前校正來增大系統的相位裕度，改善其動态性能；利用滞後部分來改善系統的靜态性能，從而提高系統的穩定性和快速性。PID校正採(cǎi)用湊試法，試驗原則按照先比例、後積分、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。