【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁屏蔽装置主动磁补偿，尤其涉及一种用于磁屏蔽装置的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统和方法。
技术介绍
1、磁场是我们平时生活经常用到物理量，磁场在地球物理、材料科学、生命医学以及生产生活等上面都有广泛的应用。随着科学技术的不断进步，人类对于心磁和脑磁的研究越来越深入。但是心磁和脑磁非常小，只有十几飞特，而地磁场是五万纳特，而且存在很多干扰磁场，因此无法在地磁环境下进行心磁和脑磁的测量，一般在磁场屏蔽性能很好的磁屏蔽装置中进行测量。
2、目前磁屏蔽装置主要采用主动补偿和被动补偿两种方式，被动补偿主要依靠磁屏蔽装置的高磁导率材料对磁场的屏蔽作用，但是由于磁屏蔽装置加工装配问题，受到形变和空洞缝隙等产生的影响其很难达到理想的磁场屏蔽效果。除此之外，高磁导率材料一般价格昂贵，实现性能好的磁屏蔽效果需要很高的成本。而主动磁屏蔽技术通过对线圈施加电流产生与磁屏蔽装置内磁场方向相反的磁场从而实现磁屏蔽的效果。相比较于被动磁补偿技术，主动磁补偿技术可以减少磁屏蔽装置高昂的成本，具有更大的补偿范围，更好的动态补偿性能，更高的补偿精度。
3、一般的磁屏蔽装置具有很好的磁场屏蔽效果，可以达到几十纳特，虽然可以使用光泵磁强计进行测量，但是仍然存在很多磁场干扰，从而影响心磁和脑磁的测量，因此需要在磁屏蔽装置内进行磁场波动补偿。如何有效的补偿磁屏蔽装置的磁场波动，提高心磁和脑磁信号的信噪比，是本领域技术人员需要解决的一项技术问题。
技术实现思路
1、本专利技术
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
3、一种基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，包括：ad采集单元、da输出单元、高精度电流源、磁场传感器和磁补偿线圈，其中，
4、ad采集单元采集磁场传感器输出的信号；设定目标值0为输入，以磁场传感器作为控制对象设计pid控制器；构建扩张状态观测器估计外部磁场干扰负反馈到pid控制器的输出；通过结合pid控制和扩张状态观测器，使控制器输出经过da输出单元、低通滤波和高精度电流源后对磁补偿线圈施加电流从而实现外部磁场扰动抑制。
5、作为优选，所述ad采集单元包含高精度的ad采集芯片，用于高分辨率的采集磁场传感器的输出信号，并将其转换为数字信号。
6、作为优选，构建pid控制器进行负反馈控制以抑制磁场扰动具体为：输入为参考值0，被控对象为磁场传感器，执行器为线圈，构建pid控制器进行负反馈控制抑制磁场扰动；使磁屏蔽装置内的磁场扰动减小到接近0；通过负反馈控制，pid控制器根据实际输出与目标值之间的误差来调整控制系统的输入。
7、5、作为优选，如权利要求3所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，所述扩张状态观测器的带宽的取值范围为[1,1000]，单位为rad/s。
8、本专利技术还提供一种基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制方法，其包括如下步骤：
9、步骤1、ad采集单元采集磁场传感器输出的信号；
10、步骤2、以磁场传感器作为控制对象构建pid控制器进行负反馈控制抑制磁场扰动；
11、步骤3、以pid输出信号和磁场波动信号为输入构建扩张状态观测对磁场波动信号进行观测并负反馈到pid输出。
12、作为优选，所述ad采集单元包含高精度的ad采集芯片，用于高分辨率的采集磁场传感器的输出信号，并将其转换为数字信号。
13、作为优选，步骤2具体为：输入为参考值0，被控对象为磁场传感器，执行器为线圈，构建pid控制器进行负反馈控制抑制磁场扰动；使磁屏蔽装置内的磁场扰动减小到接近0；通过负反馈控制，pid控制器根据实际输出与目标值之间的误差来调整控制系统的输入。
14、6、作为优选，所述扩张状态观测器的带宽的取值范围为[1,1000]，单位为rad/s。
15、本专利技术在pid控制器的基础上引入了扩张状态观测器对系统的状态变量和系统扰动进行估计，实现自动补偿磁屏蔽装置近零磁场控制系统的不确定性和干扰，可减小系统的超调、提升响应速度、提高系统稳定性和鲁棒性。
16、本专利技术与现有技术相比，具有以下有益效果面：
17、(1)针对磁屏蔽装置中磁场波动补偿控制问题，基于现有的自抗扰控制理论，设计了扩张状态观测器设计与参数整定方法，可以更精确的估计扰动从而实现扰动抑制。
18、(2)本专利技术设计的扩张状态观测考虑实际系统模型中传感器的延时，低通滤波器，信号采集，电流源和线圈常数，完善系统的模型，进一步提升了扰动估计的精度与速度，有效提高了磁屏蔽装置磁场波动补偿波动的性能，可以为磁屏蔽装置提供零磁环境。
19、(3)相比较于传统的pid外部磁场干扰抑制系统，本专利技术设计的系统结合扩张状态观测器观测扰动，可以提高干扰抑制比，提高系统的系统的带宽，可减小系统的超调、提升响应速度、提高系统稳定性和鲁棒性。
20、(4)本专利技术设计的系统包含高精度的ad采集单元和高精度的da输出单元和高精度电流源，可以提高磁场干扰抑制的精度，在磁屏蔽装置内实现近零磁空间。
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1.一种基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，包括：AD采集单元、DA输出单元、高精度电流源、磁场传感器和磁补偿线圈，其中，
2.如权利要求1所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，所述AD采集单元包含高精度的AD采集芯片，用于高分辨率的采集磁场传感器的输出信号，并将其转换为数字信号。
3.如权利要求2所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，构建PID控制器进行负反馈控制以抑制磁场扰动具体为：输入为参考值0，被控对象为磁场传感器，执行器为线圈，构建PID控制器进行负反馈控制抑制磁场扰动；使磁屏蔽装置内的磁场扰动减小到接近0；通过负反馈控制，PID控制器根据实际输出与目标值之间的误差来调整控制系统的输入。
4.如权利要求3所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，所述扩张状态观测器的带宽的取值范围为[1,1000]，单位为rad/s。
5.一种基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.如权利要求5所
7.如权利要求6所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制方法，其特征在于，步骤2具体为：输入为参考值0，被控对象为磁场传感器，执行器为线圈，构建PID控制器进行负反馈控制抑制磁场扰动；使磁屏蔽装置内的磁场扰动减小到接近0；通过负反馈控制，PID控制器根据实际输出与目标值之间的误差来调整控制系统的输入。
8.如权利要求7所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器的带宽的取值范围为[1,1000]，单位为rad/s。
...【技术特征摘要】
1.一种基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，包括：ad采集单元、da输出单元、高精度电流源、磁场传感器和磁补偿线圈，其中，
2.如权利要求1所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，所述ad采集单元包含高精度的ad采集芯片，用于高分辨率的采集磁场传感器的输出信号，并将其转换为数字信号。
3.如权利要求2所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，构建pid控制器进行负反馈控制以抑制磁场扰动具体为：输入为参考值0，被控对象为磁场传感器，执行器为线圈，构建pid控制器进行负反馈控制抑制磁场扰动；使磁屏蔽装置内的磁场扰动减小到接近0；通过负反馈控制，pid控制器根据实际输出与目标值之间的误差来调整控制系统的输入。
4.如权利要求3所述的基于外部扰动磁场观测及抑制的近零磁场控制系统，其特征在于，所述扩张状态观测器的带宽的取...
【专利技术属性】
技术研发人员：张海峰，师滋洋，郑世强，李海涛，洪啸廷，井忠祥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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