上海天端实业有限公司开发研制的高精度地磁动态模拟屏蔽系统的性能参数处于国际领先水平，该设备可以稳定有效的产生与地磁磁场方向相反的对等高精度磁场，并使用高精度磁通门计进行实时反馈与实时调节，使本系统的十万分之电源处于反馈调节状态，系统可以实时抵消地磁场的磁场波动，从而在地磁环境下产生10nT的零磁环境，如在屏蔽房或屏蔽筒内可以产生1nT或0.1nT的梯度磁场，系统也可以随意在三维分量上产生任意设定的磁场用于科学实验与模拟地磁变化环境，本系统可应用于航天军工及大专院校，其精度及稳定性数字化程度等特性广受好评，该磁场动态模拟系统由磁场发生装置、上位机控制软件和磁场测量装置组成。

大型地磁屏蔽补偿线圈

小型地磁屏蔽补偿线圈

磁通发生装置一个三维线圈和相应3个电源组成。线圈结构如下图所示。每个维度有2个线圈，用于屏蔽并产生匀强磁场。

线圈的结构

磁场测量装置包括TA7003磁通门计和磁通门探头，如下图所示，主要用于测量线圈中心匀强磁场区的磁场大小。

磁场测量装置

上位机软件运行于PC机，由控制部分和采集部分组成，主要用于根据采集回的实时磁场值和控制计算机发送的外部信号，控制电源电流，驱动线圈产生指定大小的磁场。

系统的整体布局如下图所示，实验桌用于放置装有上位机控制软件的计算机；磁通门计和3个电源放于机柜内；磁通门探头由支架支撑，放于线圈的中心匀强磁场区内。

系统整体布局图

三维线圈型号	GM3F-20-1方形（玻璃钢）
磁场中心均匀度（△H/H）	1*10-2
均匀区（mm3）	250250250(球形)
中心磁场强度H（GS）	1（100000nT）
磁通门计分辨力	0.1nT
电源精度	0.01mA
电源变化精度	1/120000
调节步进	10nT-20nT(地磁环境下）
调节步进	1nT (屏蔽筒内）
平均直径（mm）	1100
工作时间	8小时（最大场）

项目方案

磁场发生装置

高精度程控恒流电源主要用于对线圈进行供电，驱动线圈产生磁场。

型号	输出电流	分辨率	有效输出电压	输出功率	负载范围	最佳负载
1002	±1.2A	10mA	±40V	48W	0—40W	>20W

输出电流

· 输出范围 0—±1200.000mA DC

· 高步进分辨率10mA（1/120000 F.S.）

· 高准确度：±（0.015%设置值+20mA）@1000mA

· 低噪声/纹波：20mA RMS 典型值 @1000mA

· 输出阻抗 >100MW

· 稳定度优于±0.01% @1000mA

· 浮动输出

· 最大输出功率48W

输出电压

· 有效范围 0—40V DC

· 开路输出电压：45V±0.2V

负载保护

· 可控的输出端状态

· 静电保护和开机上电冲击保护

· 防冲击模式ATS和精确的输出状态时序控制

负载适应性

· 输出补偿网络

· 输出阻抗100MW

自动控制

· 标准配备RS-232C计算机接口和易用的接口特性

· 标准配备内部USB—RS-232C转换接口

· 完备的计算机接口命令集

· 三路触发输出同步功能

交互能力

· 白色背光FSTN LCD显示器

· 必备的LED状态指示器

· 与显示器和指示器配合的3´4键交互型功能键盘操作

标准规格

· 提供用户手册

· 标准全宽2U台式仪器，交流220V/50Hz供电

磁场测量装置

磁场测量装置包括TA7003三维磁通门计和英国690磁通门探头。

表3 配备690探头的磁通门计测量参数

型号	产品描述
TA7003高精度磁通门计(英国探头690)	VGA彩色 6位分辨率；量程0-100000nT；分辨力0. 1 nT；直流精度：读数的±0.5%±0.05%量程数字RS-232与USB接口，BNC三路模拟信号输出接口,配磁通门数据通讯及绘图软件一套

上位机控制软件

上位机控制软件由控制部分与采集部分组成。采集部分负责由TA7003磁通门计读取当前的磁场测量值，并以曲线的形式显示在界面上；控制部分负责计算产生指定磁场所需的电流值，并将电流指令输出至相应电源。

软件采用PID闭环控制方式对线圈中心均匀区磁场进行控制，如下图所示：输入端为用户设定的磁场值，软件根据此设定值，由PID算法换算出相对应的控制电流值，输出至电源；线圈产生的磁场随着控制电流的变化而发生变化，CH-330F磁通门计将变化后的反馈磁场值发送给上位机，软件根据磁场的设定值与实际值的差值进行不断地调节，直至误差在允许的范围内。

软件控制原理

软件的主界面如下图所示，对地磁屏蔽线圈组的控制用于消除地磁的影响；对磁场发生线圈组的控制用于在均匀区产生指定大小的磁场。外部输入选项框可选择是否由外部信号控制磁场设定。

软件主界面

当选择由外部信号控制磁场设定时，其工作流程：

①接收外部控制信号控制地磁屏蔽线圈组，将三个维度的设定值设为0nT，开始调零；

②地磁屏蔽线圈组三个维度的磁场值调节至指定范围内(±50nT)，软件发送“准备好”信号至控制计算机，并停止调零；

③控制计算机接收到“准备好”信号后，用户可以开始设置指定维度的磁场值，例如设置Bx为1000nT；

④接收到外部控制信号“Bx：1000nT”后，软件控制磁场发生线圈组X维度对应的电源，采用PID闭环控制将Bx控制在1000nT左右，具体的调节精度用户可以在软件“调节灵敏度”一项中进行设置；

⑤完成指定维度磁场大小的调节后，软件发送“调节完成”信号至控制计算机，以提示用户可以进行下个磁场值的设置。

PID参数设置界面如下图所示，主要用于对PID参数进行调节，以使系统的调节性能在调节时间、超调量、振荡、稳态误差等指标间达到最优。

PID参数设置界面

Kp加大将会减少稳态误差，提高系统的动态响应速度，但太大则振荡次数增多。Ki可以用来消除系统的稳态误差。当Ki合适时，系统的特性比较理想。但是Ki偏大系统的振荡次数较多；Ki偏小积分控制对系统的性能影响较小，这样就不能有效的消除系统的稳态误差。Kd控制可以减小系统的超调量，克服振荡，缩短调节时间。当Kd偏小时，超调量变大，调节时间变长。

PID校正综合应用了超前和滞后校正的各自特点，利用超前校正来增大系统的相位裕度，改善其动态性能；利用滞后部分来改善系统的静态性能，从而提高系统的稳定性和快速性。PID校正采用凑试法，试验原则按照先比例、后积分、再微分原则，即按造 P、PI 、PID 顺序进行试验，得出满意的控制参数。

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