CN109946629A - 一种基于锁相环分段pid的光泵磁强计闭环控制方法 - Google Patents

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刘刚
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Abstract

本发明提供了一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，包括解调器、加法器、比较器、与门、PID单元、数控振荡器。解调器包括：乘法器、低通滤波器、极坐标转换、移相器，其综合作用是对光泵磁强计输入信号与输出频率信号进行分析对比输出误差相位信号；加法器将此相位信号与设定相位叠加，输出待控制信号；数控振荡器一方面受PID控制用于产生最终待移位频率信号，同时其输出与设定临界值比较后，与加法器的输出共同控制不同PID参数通道的通断。采用此方法可解决输入信号范围太广而导致一套PID参数无法稳定控制系统的问题，扩大光泵磁强计工作量程，在不同待测磁场下均可正常工作且保持较高控制精度与稳定度。

Description

一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法
技术领域
本发明涉及闭环控制领域，具体涉及一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，应用此方法可有效提升光泵磁强计闭环控制的精度、稳定度与磁场测量范围。
背景技术
光泵磁强计利用被特定频率圆偏振抽运光极化的高密度热原子，在与抽运光方向一致的外磁场作用下会进行拉莫尔进动，其进动频率ω与外磁场B成正比，ω＝γB。在垂直于抽运光方向施加一束线偏振检测光，利用法拉第旋光效应来检测原子系综的变化。在与外磁场垂直平面施加横向旋转磁场，当其旋转频率与进动频率一致时发生共振，检测幅值达到最大，从而完成测量磁场的目的。由于系统中频率与相位严格对应，所以可以利用锁相环PID来控制横向旋转磁场的频率精确追踪于检测进动频率。但是，当待测磁场变化幅度太大时，即信号输入太广时，一套PID参数无法实时跟踪信号，且控制精度与稳定度大幅下降。因此，为了满足系统环境适应性的问题，在传统锁相环闭环光泵磁强计的基础上，亟需找到一种可以在不同磁场环境下依然可以稳定控制系统的办法。
发明内容
本发明的目的在于在光泵磁强计原理极限范围内，变化不同待测磁场依然可以稳定工作，从控制的角度提升系统的环境适应性。另外，此方法可更细分为多套PID参数，从而在不同控制区间内，更好地提升系统稳定精确工作的能力。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，包括：解调器1、第一加法器6、第二加法器8、第三加法器9、比较器7、第一与门10、第二与门11、第一PID单元13、第二PID单元14、数控振荡器12。其中解调器1对输入光泵磁强计信号与输出频率信号进行分析对比，输出一个误差相位信号；第一加法器6将此相位信号与设定相位叠加，输出一个待控制信号；数控振荡器12的输出与设定临界值通过比较器7得出比较结果，与第一加法器6的输出一起进入第一与门10、第二与门11，共同控制不同PID参数第一PID单元13、第二PID单元14通道的通断，而PID参数中的P、I、D又通过第一加法器8、第二加法器9合成一个控制信号，用于控制数控振荡器12产生最终待移位频率信号。
在上述的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法中，解调器1包括：乘法器2、低通滤波器3、极坐标转换4、移相器5，其综合作用是对输入光泵磁强计频率信号与输出频率信号进行分析对比输出一个误差相位信号，用于后续控制系统进行闭环控制。乘法器2将输入光泵磁强计频率信号与输出控制频率信号相乘，调制出共模项与差模项。低通滤波器3将高阶共模项抑制，输出差模项。极坐标转换4将传输前端的笛卡尔坐标量转换为极坐标量，即幅值相位，并提取出其中相位。移相器5将数控振荡器12输出的频率信号的相位调节至与输入光泵磁强计频率信号匹配的位置，即消除各控制环节中带来的相位偏移。
在上述的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法中，第一加法器6、第二加法器8、第三加法器9的作用是将输出各项相加，输出一个叠加量。其中第一加法器6是将解调器1输出的误差相位信号与设定相位叠加，输出待控制相位信号；第二加法器8、第三加法器9分别将第一PID单元13、第二PID单元14中的P、I、D各控制参数加权叠加，输出综合控制函数信号，用于控制数控振荡器12产生最终待移位频率信号。
在上述的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法中，比较器7用于比较设定临界值与数控振荡器12输出的大小，从而决定不同第一PID单元13、第二PID单元14参数通道的通断。
在上述的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法中，第一与门10、第二与门11的2个输入通道均有信号时，其导通。具体来说，比较器7输出值的不同决定了第一加法器(6)输出待控制信号的走向。
在上述的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法中，第一PID单元13、第二PID单元14用于具体调节系统的稳定性与精度，其中P、I、D参数的选取需综合预期目标属性与待控制量的特性来综合决定。
在上述的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法中，数控振荡器12受PID控制，产生与输入信号频率一致的控制信号，达到追踪输入频率的目的。
一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，包括如下步骤：
(1)、输出频率信号进入解调器1，与待移位频率信号共同生成一个误差相位信号。
(2)、误差相位信号与设定相位进入第一加法器(6)，叠加生成待控制相位信号。
(3)、待控制相位信号与比较器7的输出结果进入第一与门10、第二与门11，共同决定采取第一PID单元13、第二PID单元14哪一套PID参数。
(4)、第一PID单元13、第二PID单元14PID参数中的各项P、I、D参数通过第一加法器8、第二加法器9加权叠加，生成控制函数信号。
(5)、控制函数信号决定了数控振荡器12的输出频率大小，此输出频率一方面进入比较器7与设定临界值进行比较，另一方面进入解调器用于形成闭环控制。
(6)、解调器1中的移位器5将输入信号调整相位后，一方面输入乘法器2用于信号解调，另一方面直接频率信号输出。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)、本发明的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，在传统锁相环闭环控制方法的基础上，对系统内PID参数进行针对性匹配选择，使在特定待测磁场下，大幅提升系统的控制精度与稳定度。传统锁相环闭环控制的方法，只有一套PID参数，而系统在不同工作环境下的最优PID参数是不一样的，所以其控制精度与稳定度会因此而受限制。
(2)、本发明的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，可解决待测磁场偏离起始磁场太远时，系统无法正常工作的问题。同时可综合预期目标属性与待控制量的特性来综合决定PID参数的选取，即闭环精度与工作带宽的权衡。
附图说明
图1为本发明的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法利用的装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细介绍：
如图1所示，本发明的基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，利用的装置包括：解调器1、第一加法器6、第二加法器8、第三加法器9、比较器7、第一与门10、第二与门11、第一PID单元13、第二PID单元14、数控振荡器12。其中解调器1对输入光泵磁强计信号与输出频率信号进行分析对比，输出一个误差相位信号；第一加法器6将此相位信号与设定相位叠加，输出一个待控制信号；数控振荡器12的输出与设定临界值通过比较器7得出比较结果，与第一加法器6的输出一起进入第一与门10、第二与门11，共同控制不同PID参数第一PID单元13、第二PID单元14通道的通断，而PID参数中的P、I、D又通过第二加法器8、第三加法器9合成一个控制信号，用于控制数控振荡器12产生最终待移位频率信号。
所述解调器1包括：乘法器2、低通滤波器3、极坐标转换4、移相器5。输入的光泵磁强计信号是一个余弦函数：
νΩ＝VΩcosΩt
通过移位器5的控制信号函数表达式为：
二者进入乘法器2调制后，得到
其中，K为调制系数，V0＝VΩVc。通过低通滤波器3后，高频分量滤出，得到低频差分量：
通过极坐标转换4，提取出其中差分误差相位考虑到系统中存在相位延迟，故添加设定相位使目标相位严格等于期望相位。通过第一加法器6，即可得到待控制相位：
比较器7的结果决定了第一与门10、第二与门11的通断，第一PID单元13、第二PID单元14通过第二加法器8、第三加法器9的传递函数为：
其中，k为传递函数系数，e(t)为输入时变量，T为时间常数。
在本方案所构建的光泵磁强计中，采用K原子为敏感源，其旋磁比γ约为7Hz/nT。根据原子与磁场相互作用属性，待测磁场10000nT是一个比较明显的分界线，即比它大或小的时候，需要不同的PID参数来控制系统，故与数控振荡器(12)的输出作比较的设定临界值ωs可选取：
ωs＝γB＝7Hz/nT×10000nT＝70kHz
以上所述仅为本发明的一个具体的实施方法，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的相关人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的保护范围以内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：包括解调器(1)、第一加法器(6)、第二加法器(8)、第三加法器(9)、比较器(7)、第一与门(10)、第二与门(11)、第一PID单元(13)、第二PID单元(14)和数控振荡器(12)，其中解调器(1)对输入光泵磁强计信号与输出频率信号进行分析对比，输出一个误差相位信号；第一加法器(6)将此相位信号与设定相位叠加，输出一个待控制信号；数控振荡器(12)的输出与设定临界值通过比较器(7)得出比较结果，与第一加法器(6)的输出一起进入第一与门(10)、第二与门(11)，共同控制不同PID参数第一PID单元(13)、第二PID单元(14)通道的通断，而PID参数中的P、I、D又通过第二加法器(8)、第三加法器(9)合成一个控制信号，用于控制数控振荡器(12)产生最终待移位频率信号。
2.如权利要求1所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述解调器(1)包括：乘法器(2)、低通滤波器(3)、极坐标转换(4)、移相器(5)，其综合作用是对输入光泵磁强计频率信号与输出频率信号进行分析对比输出一个误差相位信号，用于后续控制系统进行闭环控制。
3.如权利要求2所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述的解调器(1)中，所述乘法器(2)将输入光泵磁强计频率信号与输出控制频率信号相乘，调制出共模项与差模项，用于后续处理。
4.如权利要求2所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述的解调器(1)中，所述低通滤波器(3)将高阶共模项抑制，输出差模项，用于后续处理。
5.如权利要求2所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述的解调器(1)中，所述极坐标转换(4)将传输前端的笛卡尔坐标量转换为极坐标量，即幅值相位，并提取出其中相位，用于后续处理。
6.如权利要求2所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述的解调器(1)中，所述移相器(5)将数控振荡器(12)输出的频率信号的相位调节至与输入光泵磁强计频率信号匹配的位置，即消除各控制环节中带来的相位偏移。
7.如权利要求1所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述第一加法器(6)、第二加法器(8)、第三加法器(9)的作用是将输出各项相加，输出一个叠加量，其中第一加法器(6)是将解调器(1)输出的误差相位信号与设定相位叠加，输出待控制相位信号；第二加法器(8)、第三加法器(9)分别将第一PID单元(13)、第二PID单元(14)中的P、I、D各控制参数加权叠加，输出综合控制函数信号，用于控制数控振荡器(12)产生最终待移位频率信号。
8.如权利要求1所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述比较器(7)用于比较设定临界值与数控振荡器(12)输出的大小，从而决定不同第一PID单元(13)、第二PID单元(14)参数通道的通断。
9.如权利要求1所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述第一与门(10)、第二与门(11)的2个输入通道均有信号时，其导通；具体来说，比较器(7)输出值的不同决定了第一加法器(6)输出待控制信号的走向。
10.如权利要求1所述的一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法，其特征在于：所述第一PID单元(13)、第二PID单元(14)用于具体调节系统的稳定性与精度，其中P、I、D参数的选取需综合预期目标属性与待控制量的特性来综合决定；
所述数控振荡器(12)受PID控制，产生与输入信号频率一致的控制信号，达到追踪输入频率的目的。
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