CN112764453A - 一种基于pid算法的瞬变电磁发射系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统及其控制方法，解决了现有瞬变电磁发射装置不足的问题。该系统包括：主控电路、光耦开关、H桥路、霍尔传感器、模数转换器和负载线圈；主控电路发出弱电信号，通过光耦开关将弱电信号转换为强电信号，并驱动H桥路开启和闭合，在负载线圈中形成电流信号，传输回H桥路，形成闭环；霍尔传感器采集流经负载线圈上的模拟信号，由模数转换器进行转换，将数字信号反馈至主控电路。本发明突破了传统瞬变电磁发射电流关断时间受负载线圈特性的限制，延长了发射电流关断时间，发射电流的上升沿和下降沿的斜率固定，且线性度更高，能够更准确的剔除一次场对瞬变电磁信号的影响，得到更加准确的地下介质反演结果。

Description

一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及瞬变电磁发射系统与控制方法领域，具体一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统及其控制方法。
背景技术
瞬变电磁法作为一种时间域物探方法，通过在发射线圈中通入双极性电流方波，使用接收端传感器接收一次场信号及地下介质感应引起的二次场信号。通过分析接收到的信号，得到地下介质的电阻率信息。
地表下化石能源的探寻和金属类矿藏的开采仍是最主要的资源消耗，寻找大深度矿藏是缓解能源危机的重要途径。因此发明一种高效、准确和大深度的资源探测仪器是目前迫在眉睫的问题。
现有增大瞬变电磁探测深度的发射装置与发射系统，但均未涉及对发射电流关断时间的控制。瞬变电磁发射电流关断时间直接影响探测结果，若关断时间较大，接收到的早期信号少，中、晚期信号多，反映深部地电信息多。随着关断时间的增加，电阻率曲线反映的深部信息更加丰富。
发明内容
本发明的目的是针对现有瞬变电磁发射装置不足，提出一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统及其控制方法。
一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统，该系统包括：主控电路、光耦开关、H桥路、霍尔传感器、模数转换器和负载线圈；所述主控电路发出弱电信号，通过光耦开关将所述弱电信号转换为强电信号，并驱动所述H桥路开启和闭合，在所述负载线圈中形成电流信号，传输回所述H桥路，形成闭环；所述霍尔传感器采集流经所述负载线圈上的模拟信号，由模数转换器进行转换，将数字信号反馈至主控电路。
优选的，所述光耦开关连接主控电路与H桥路控制端，所述H桥路的输出端的两路分别于所述负载线圈的进口和出口连接，形成闭环；所述霍尔传感器套在负载线圈上，所述模数转换器连接所述主控电路和霍尔传感器。
优选的，所述光耦开关为光电耦合器，实现强弱电的隔离。
优选的，所述H桥路由4个MOS管构成。
一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统的控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：初始化主控电路，配置输出的电流波形曲线，包括电流大小、频率、占空比与电流的关断时间；
步骤二：主控电路发射高频PWM波，经光耦开关驱动H桥路开关，在负载线圈上得到电流波形；
步骤三：霍尔传感器设置在负载线圈回路上，实时采集流经负载线圈的电流波形，同时用高速模数转换器采集回馈电流值，并回馈给主控电路；
步骤四：主控电路对比配置电流值与所述回馈电流值，利用嵌入在所述主控电路中的PID控制器调节输出的PWM波占空比，减小流经负载线圈的所述回馈电流值与配置值间的差距，在负载线圈上得到与配置的曲线相吻合的电流波形。
优选的，所述的步骤一中根据配置输出波形曲线，将一个发射周期划分为若干离散时间点，电流曲线上升沿、平顶段和下降沿连接成与离散时间相关的直线波形，平顶段为固定电流值，上升沿和下降沿为电流开启和关断时间。
优选的，所述上升沿和平顶段的离散点时间间隔100us，下降沿的离散点时间间隔5us。
优选的，所述步骤一中电流选择小于50A、占空比为50％的双极性方波，关断时间一般大于1ms。
优选的，所述步骤三中高速模数转换器采集频率为1MSPS，通过SPI串行外设接口与主控电路通讯。
优选的，所述步骤四中PID控制器的离散形式为：
u[n]＝kpe[n]+ki{e[n]+e[n-1]+e[n-2]+...}+kd{e[n]-e[n-1]}
e[n]＝ir(n)-i0(n)
式中：ir(n)表示配置电流值，i0(n)表示采样的电流值，e[n]表示此刻电流偏差，u[n]表示输出PWM波占空比；通过对kp、ki、kd三个参数进行调节以控制发射系统的响应特性，得到配置的曲线相吻合的电流波形。
有益效果
本发明与现有技术相比，突破了传统瞬变电磁发射电流关断时间受负载线圈特性的限制，大大延长了发射电流关断时间，适用于深部资源探测。发射电流的上升沿和下降沿的斜率固定，且线性度更高，能够更准确的剔除一次场对瞬变电磁信号的影响，得到更加准确的地下介质反演结果。
附图说明
图1：本发明一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统结构示意图；
图2：本发明一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统的控制方法流程图；
图3：本发明流经负载线圈电流波形图；
图4：本发明发射电流闭环控制方框图。
图中：1、发射系统，2、主控电路，3、光耦开关，4、H桥路，5、霍尔传感器，6、模数转换器，7、负载线圈。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4所示。
本发明一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统1包括有主控电路2、光耦开关3、H桥路4、霍尔传感器5、模数转换器6和负载线圈7，所述主控电路2发出弱电信号，通过光耦开关3将所述弱电信号转换为强电信号，并驱动所述H桥路4开启和闭合，在所述负载线圈7中形成电流信号，传输回所述H桥路4，形成闭环；所述霍尔传感器5采集流经所述负载线圈7上的模拟信号，由模数转换器6进行转换，将数字信号反馈至主控电路2。所述光耦开关3连接主控电路2与H桥路4的控制，所述H桥路4的输出端的两路分别于所述负载线圈7的进口和出口连接，形成闭环；所述霍尔传感器5 套在负载线圈7上，所述模数转换器6连接所述主控电路2和霍尔传感器5。
本实施例中，所述光耦开关3为光电耦合器，实现强弱电的隔离。所述 H桥路由4个MOS管构成。
本发明提供基于PID算法的瞬变电磁发射控制方法，方法如下步骤：
步骤一、初始化主控电路2，配置将要输出的波形曲线，包括电流大小、频率、占空比与电流的关断时间。
本实施例中，主控电路2核心选用DSP芯片，根据实际探测需要配置输出波形曲线，将一个周期划分为若干离散时间点，电流曲线上升沿、平顶段和下降沿连接成与离散时间相关的直线波形，平顶段为固定电流值，上升沿和下降沿为电流开启和关断时间。本实施例中，上升沿和平顶段的离散点时间间隔100us，下降沿的离散点时间间隔5us。配置的电流波形为小于50A、占空比为50％的双极性方波，关断时间一般大于1ms。
步骤二、主控电路2发射高频PWM波，PWM波频率大于100kHz，经光耦开关3驱动H桥路4开关，在负载线圈7上得到电流波形。
步骤三、霍尔传感器5设置在负载线圈7回路上，实时采集流经负载线圈7的电流波形，同时用高速模数转换器6采集电流值，高速模数转换器6 采集频率为1MSPS，通过SPI串行外设接口与主控电路2通讯，将数据回馈给主控电路2。
步骤四、主控电路2对比此时的配置电流值与回馈电流值，利用嵌入在主控电路2内的PID控制器调节输出的PWM波占空比，通过光耦开关3控制H桥路4开启和关闭减小流经负载线圈回馈电流值与配置值间的差距，在负载线圈7上得到与配置的曲线相吻合的电流波形。
如图4所示的本发明的闭环控制框图，线圈负载的开环传递函数可表示为：
G(s)＝R+Ls
PID控制器的时域形式可表示为：
Figure RE-GDA0003005338690000041
e[t]＝ir(t)-i0(t)
式中：ir(t)表示标准电流值，i0(t)表示此刻电流值，e[t]表示电流偏差， u[t]表示输出PWM波占空比。R表示负载线圈7的电阻值，L表示表示负载线圈7的电感值。
PID控制器离散化后可表示为：
u[n]＝kpe[n]+ki{e[n]+e[n-1]+e[n-2]+...}+kd{e[n]-e[n-1]}
e[n]＝ir(n)-i0(n)
式中：ir(n)表示配置电流值，i0(n)表示采样的电流值，e[n]表示此刻电流偏差，u[n]表示输出PWM波占空比。通过对kp、ki、kd三个参数进行调节以控制发射系统的响应特性，可以得到配置的曲线相吻合的电流波形。

Claims (10)

1.一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统，其特征在于，该系统包括：主控电路、光耦开关、H桥路、霍尔传感器、模数转换器和负载线圈；所述主控电路发出弱电信号，通过光耦开关将所述弱电信号转换为强电信号，并驱动所述H桥路开启和闭合，在所述负载线圈中形成电流信号，传输回所述H桥路，形成闭环；所述霍尔传感器采集流经所述负载线圈上的模拟信号，由模数转换器进行转换，将数字信号反馈至主控电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统，其特征在于，所述光耦开关连接主控电路与H桥路的控制端，所述H桥路的输出端的两路分别于所述负载线圈的进口和出口连接，形成闭环；所述霍尔传感器套在负载线圈上，所述模数转换器连接所述主控电路和霍尔传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统，其特征在于，所述光耦开关为光电耦合器，实现强弱电的隔离。
4.根据权利要求1所述的一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统，其特征在于，所述H桥路由4个MOS管构成。
5.基于权利要求1-4任意一项的一种基于PID算法的瞬变电磁发射系统的控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：初始化主控电路，配置输出的电流波形曲线，包括电流大小、频率、占空比与电流的关断时间；
步骤二：主控电路发射高频PWM波，经光耦开关驱动H桥路开关，在负载线圈上得到电流波形；
步骤三：霍尔传感器设置在负载线圈回路上，实时采集流经负载线圈的电流波形，同时用高速模数转换器采集回馈电流值，并回馈给主控电路；
步骤四：主控电路对比配置电流值与所述回馈电流值，利用嵌入在所述主控电路中的PID控制器调节输出的PWM波占空比，减小流经负载线圈的所述回馈电流值与配置值间的差距，在负载线圈上得到与配置的曲线相吻合的电流波形。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤一中根据配置输出波形曲线，将一个发射周期划分为若干离散时间点，电流曲线上升沿、平顶段和下降沿连接成与离散时间相关的直线波形，平顶段为固定电流值，上升沿和下降沿为电流开启和关断时间。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述上升沿和平顶段的离散点时间间隔100us，下降沿的离散点时间间隔5us。
8.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤一中电流选择小于50A、占空比为50％的双极性方波，关断时间一般大于1ms。
9.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤三中高速模数转换器采集频率为1MSPS，通过SPI串行外设接口与主控电路通讯。
10.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤四中PID控制器的离散形式为：
u[n]＝kpe[n]+ki{e[n]+e[n-1]+e[n-2]+...}+kd{e[n]-e[n-1]}
e[n]＝ir(n)-i0(n)
式中：ir(n)表示配置电流值，i0(n)表示采样的电流值，e[n]表示此刻电流偏差，u[n]表示输出PWM波占空比；通过对kp、ki、kd三个参数进行调节以控制发射系统的响应特性，得到配置的曲线相吻合的电流波形。
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