一種基于狀態(tài)觀測(cè)PID的磁場(chǎng)擾動(dòng)補(bǔ)償方法

一種基于狀態(tài)觀測(cè)pid的磁場(chǎng)擾動(dòng)補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域
1.本發(fā)明涉及主動(dòng)磁補(bǔ)償閉環(huán)控制系統(tǒng)擾動(dòng)抑制領(lǐng)域，具體涉及一種基于狀態(tài)觀測(cè)pid的磁場(chǎng)擾動(dòng)補(bǔ)償方法。


背景技術(shù)：

2.原子磁強(qiáng)計(jì)(optically pumped magnetometers,opm)測(cè)量磁場(chǎng)的靈敏度可達(dá)0.16ft/hz
1/2
，如今可商用的原子磁強(qiáng)計(jì)，如quspinopm，其靈敏度＜15ft/hz
1/2
。人體內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)振幅極低(ft～pt)、頻率低(1-80hz)，近年來(lái)原子磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展使其逐漸應(yīng)用在人類腦磁圖(magnetoencephalography,meg)的測(cè)量中。然而opm只能在
±
5nt的范圍內(nèi)工作，在一個(gè)典型的2層的鉬金屬磁屏蔽室中使用無(wú)源屏蔽，剩余的地球場(chǎng)依然能夠達(dá)到幾十nt，因此opm的發(fā)展需要主動(dòng)磁補(bǔ)償技術(shù)來(lái)補(bǔ)償磁屏蔽室內(nèi)部的剩余磁場(chǎng)。
3.主動(dòng)磁補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量磁屏蔽室內(nèi)部的剩余磁場(chǎng)，控制系統(tǒng)根據(jù)磁場(chǎng)傳感器采樣電路的數(shù)值，測(cè)量環(huán)境中的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，該磁場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)adc轉(zhuǎn)換單元導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中補(bǔ)償算法處理這些數(shù)據(jù)并控制dac轉(zhuǎn)換單元輸出電壓，該電壓控制電流源輸出電流，電流進(jìn)入補(bǔ)償線圈實(shí)現(xiàn)環(huán)境磁場(chǎng)的補(bǔ)償。常采用的控制電路為pid電路。但外界不可預(yù)知的因素，如列車、振動(dòng)等，會(huì)使磁屏蔽室內(nèi)部的磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如磁屏蔽室的地板組件與地板進(jìn)行直接的連接時(shí)，實(shí)驗(yàn)人員在走動(dòng)過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)磁屏蔽室的振動(dòng)，經(jīng)過(guò)測(cè)量，磁性傳感器的振動(dòng)會(huì)對(duì)磁屏蔽室內(nèi)部的磁場(chǎng)產(chǎn)生7hz到30hz的偽影擾動(dòng)，磁性傳感器2.5mm的位移會(huì)引起1nt的磁場(chǎng)變化。除此之外，火車、地鐵等交通工具經(jīng)過(guò)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的擾動(dòng)，擾動(dòng)的數(shù)量級(jí)可達(dá)1～2nt。
4.對(duì)于未知的被控對(duì)象，擾動(dòng)觀測(cè)器可以用來(lái)估計(jì)和補(bǔ)償系統(tǒng)中存在的外部干擾，其原理是將實(shí)際輸出與標(biāo)稱模型輸出的差值作為干擾的估計(jì)，并且反饋到控制的終端上，可以抵消外部的干擾。而主動(dòng)磁補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)為一個(gè)二階系統(tǒng)，狀態(tài)觀測(cè)器理論上也可應(yīng)用于磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)以消除外部不可預(yù)知的擾動(dòng)。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.針對(duì)磁場(chǎng)補(bǔ)償過(guò)程中外界不可預(yù)知的擾動(dòng)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于狀態(tài)觀測(cè)pid的磁場(chǎng)擾動(dòng)補(bǔ)償方法，通過(guò)搭建名義模型與低通濾波器，將外界擾動(dòng)反饋于控制終端，從而抑制外部磁場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)補(bǔ)償過(guò)程中的影響。其用于在主動(dòng)磁補(bǔ)償閉環(huán)控制系統(tǒng)中消除外界的不可預(yù)知擾動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)量以及補(bǔ)償磁場(chǎng)的影響，達(dá)到了穩(wěn)定磁場(chǎng)補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑸闃O弱磁磁環(huán)境的實(shí)現(xiàn)以及原子磁強(qiáng)計(jì)的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。
6.為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
7.一種基于狀態(tài)觀測(cè)pid的磁場(chǎng)擾動(dòng)補(bǔ)償方法，包括以下步驟：
8.步驟(1)、測(cè)量屏蔽室內(nèi)剩余磁場(chǎng)的大小，三軸的磁場(chǎng)信號(hào)由磁場(chǎng)傳感器獲得，并由磁場(chǎng)測(cè)量放大電路濾波并放大，將三軸磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)分三路輸出；
9.步驟(2)、定義磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)的傳遞函數(shù)g
p
(s)為二階系統(tǒng)，根據(jù)傳遞函數(shù)定義擾動(dòng)觀測(cè)器作為擾動(dòng)的等效模型；三軸信號(hào)經(jīng)基于狀態(tài)觀測(cè)器的pid控制系統(tǒng)輸出，除去磁場(chǎng)擾動(dòng)，快速的得到需要補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定電流信號(hào)并輸出，驅(qū)動(dòng)三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償磁場(chǎng)。
10.進(jìn)一步地，將擾動(dòng)觀測(cè)器應(yīng)用于主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)中，對(duì)于外界擾動(dòng)對(duì)補(bǔ)償磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響，利用擾動(dòng)觀測(cè)器將擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，反饋于控制線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的控制輸入端，從而抑制外界擾動(dòng)對(duì)主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場(chǎng)的影響；
11.主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)中線圈與電流源的模型為二階系統(tǒng)，傳遞函數(shù)等效為：
[0012][0013]
其中k
p1
、k
p2
、k
p3
、k
p4
為電流源模型的比例系數(shù)，r、l分別為線圈的電阻與電感；
[0014]
設(shè)d為干擾輸入，為觀測(cè)干擾，ε為輸入誤差，等效干擾的輸出為：
[0015][0016]
以初步實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)中擾動(dòng)的精確估計(jì)。
[0017]
進(jìn)一步地，所述步驟(2)中所述的擾動(dòng)觀測(cè)器的定義具體包括：
[0018]
①
建立磁場(chǎng)擾動(dòng)觀測(cè)器名義模型gn(s)：
[0019]
②
設(shè)計(jì)低通濾波器q(s)：
[0020]
針對(duì)名義模型gn(s)帶來(lái)的噪聲，在觀測(cè)干擾后面加一個(gè)低通濾波器來(lái)去除；
[0021]
根據(jù)磁場(chǎng)補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，輸入u與輸出y之間的傳遞函數(shù)gu(s)由梅森公式得到：
[0022][0023]
同理得到擾動(dòng)d、低頻測(cè)量噪聲ξ與輸出之間的關(guān)系為：
[0024][0025][0026]
低通濾波器的設(shè)計(jì)表達(dá)式如下：
[0027]
其中
[0028]
其由參數(shù)n、m和τ來(lái)決定，n與m保證的正則性，τ則表示濾波器的帶寬，s表示時(shí)域函數(shù)經(jīng)拉普拉斯變換后的復(fù)變量，k為小于或等于m的正整數(shù)。
[0029]
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：主動(dòng)磁補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng)可以通過(guò)測(cè)量磁屏蔽室內(nèi)部的剩余磁場(chǎng)，然后通過(guò)電流源驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生補(bǔ)償磁場(chǎng)使磁屏蔽室內(nèi)部的磁場(chǎng)降低至所需工作范圍，常采用的控制電路為pid電路。但外界不可預(yù)知的因素，如列車、振動(dòng)等，使磁屏蔽室內(nèi)部的磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于未知的被控對(duì)象，擾
動(dòng)觀測(cè)器可以用來(lái)估計(jì)和補(bǔ)償系統(tǒng)中存在的外部干擾，其原理是將實(shí)際輸出于標(biāo)稱模型輸出的差值作為干擾的估計(jì)，并且反饋到控制的終端上，可以抵消外部的干擾。而主動(dòng)磁補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制系統(tǒng)為一個(gè)二階系統(tǒng)，狀態(tài)觀測(cè)器理論上也用于磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)以消除外部不可預(yù)知的擾動(dòng)。
附圖說(shuō)明
[0030]
圖1為本發(fā)明的基于狀態(tài)觀測(cè)pid的磁場(chǎng)擾動(dòng)補(bǔ)償方法流程圖；
[0031]
圖2為主動(dòng)磁補(bǔ)償系統(tǒng)中線圈與電流源執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)示意圖；
[0032]
圖3為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的基于狀態(tài)觀測(cè)pid的磁場(chǎng)擾動(dòng)補(bǔ)償方法的控制系統(tǒng)框圖；
[0033]
圖4為本發(fā)明的基于狀態(tài)觀測(cè)pid控制系統(tǒng)示意圖；
[0034]
圖5為簡(jiǎn)化后的基于狀態(tài)觀測(cè)pid控制系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式
[0035]
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0036]
如圖1所示，本發(fā)明的一種基于狀態(tài)觀測(cè)pid的控制方法通過(guò)搭建名義模型與低通濾波器，設(shè)計(jì)基于狀態(tài)觀測(cè)pid控制器，將外界擾動(dòng)反饋于控制終端，從而抑制外部磁場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)補(bǔ)償過(guò)程中的影響，具體包括如下步驟：
[0037]
步驟(1)、測(cè)量屏蔽室內(nèi)剩余磁場(chǎng)的大小，三軸的磁場(chǎng)信號(hào)由磁場(chǎng)傳感器獲得，并由磁場(chǎng)測(cè)量放大電路濾波并放大，將三軸磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)分三路輸出。主動(dòng)磁補(bǔ)償系統(tǒng)中線圈與電流源執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)如圖2所示。如圖3所示，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種基于狀態(tài)觀測(cè)pid的控制方法的控制系統(tǒng)包括三軸線圈1、磁屏蔽室2、磁場(chǎng)傳感器3，該控制系統(tǒng)還包括a/d轉(zhuǎn)化電路、pid控制電路、d/a轉(zhuǎn)化電路、電流源、電流驅(qū)動(dòng)。
[0038]
步驟(2)、定義磁場(chǎng)補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng)，基于狀態(tài)觀測(cè)pid控制系統(tǒng)圖如圖4所示，u為輸入，y為輸出，傳遞函數(shù)g
p
(s)為二階系統(tǒng)，根據(jù)傳遞函數(shù)定義擾動(dòng)觀測(cè)器作為擾動(dòng)的等效模型，通過(guò)濾波器q(s)濾除干擾。設(shè)d為干擾輸入，為觀測(cè)干擾，ξ為噪聲，為濾波殘余，ε為輸入誤差，三軸信號(hào)經(jīng)基于狀態(tài)觀測(cè)器的pid控制系統(tǒng)輸出，除去磁場(chǎng)擾動(dòng)，快速的得到需要補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定電流信號(hào)并輸出，驅(qū)動(dòng)三軸亥姆霍茲線圈產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償磁場(chǎng)。
[0039]
將擾動(dòng)觀測(cè)器應(yīng)用于主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)中，對(duì)于外界擾動(dòng)對(duì)補(bǔ)償磁場(chǎng)產(chǎn)生的影響，利用擾動(dòng)觀測(cè)器將擾動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，反饋于控制線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的控制輸入端，從而抑制外界擾動(dòng)對(duì)主動(dòng)磁補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場(chǎng)的影響。
[0040]
主動(dòng)磁場(chǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)中線圈與電流源的模型為二階系統(tǒng)，如圖2所示，傳遞函數(shù)等效為：
[0041][0042]
其中k
p1
、k
p2
、k
p3
、k
p4
為電流源模型的比例系數(shù)，r、l分別為線圈的電阻與電感；
[0043]
設(shè)d為干擾輸入，為觀測(cè)干擾，ε為輸入誤差，觀測(cè)干擾的輸出為：
[0044][0045]
以初步實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)中干擾的精確估計(jì)。
[0046]
擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)主要由以下兩部分組成：
[0047]
(1)磁場(chǎng)擾動(dòng)觀測(cè)器名義模型gn(s)的建立：
[0048]
由于實(shí)際問(wèn)題中g(shù)
p
(s)的逆物理不可實(shí)現(xiàn)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的二階特性，一般設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的名義模型gn(s)來(lái)替代。名義模型gn(s)的傳遞函數(shù)與g
p
(s)的傳遞函數(shù)相似，功能類似，是g
p
(s)的物理可實(shí)現(xiàn)模型。如觀測(cè)干擾的輸出所示，設(shè)計(jì)的gn(s)使得的值約等于1，用于擾動(dòng)的觀測(cè)。
[0049]
(2)低通濾波器q(s)的設(shè)計(jì)：
[0050]
針對(duì)名義模型帶來(lái)的噪聲，在觀測(cè)干擾后面加一個(gè)低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)化后的控制系統(tǒng)圖如圖5所示，根據(jù)磁場(chǎng)補(bǔ)償閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來(lái)看，輸入u與輸出y之間的傳遞函數(shù)gu(s)可以由梅森公式得到：
[0051][0052]
同理可得擾動(dòng)d、ξ與輸出之間的關(guān)系為：
[0053][0054][0055]
從以上表示式中可以看出，低通濾波器在低頻范圍內(nèi)可以使擾動(dòng)傳遞函數(shù)gd(s)為0，但噪聲的影響不會(huì)減少。
[0056]
低通濾波器的設(shè)計(jì)表達(dá)式如下，其主要由參數(shù)n、m和τ來(lái)決定，n與m保證低通濾波器的設(shè)計(jì)表達(dá)式如下，其主要由參數(shù)n、m和τ來(lái)決定，n與m保證的正則性，τ則表示濾波器的帶寬，s表示時(shí)域函數(shù)經(jīng)拉普拉斯變換后的復(fù)變量，k為小于等于m的正整數(shù)。
[0057]
其中
[0058]
已知磁補(bǔ)償系統(tǒng)中的高頻率干擾已被磁屏蔽筒屏蔽掉，余下的擾動(dòng)頻率在30hz以下，結(jié)合參數(shù)越大頻帶越窄、測(cè)量噪聲敏感但抑制干擾能力越弱的特性，需要在對(duì)外界擾動(dòng)的抑制能力與噪聲的測(cè)量上進(jìn)行選擇。
[0059]
本發(fā)明說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。