一种基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统和方法

本发明属于磁屏蔽，尤其涉及一种用于磁屏蔽装置的基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统和方法。

背景技术：

1、磁场作为常见物理量之一，已经有许多的技术应用，近年来发展较快的心磁成像和脑磁成像技术作为磁场的新型应用技术，在临床诊断、功能研究、疾病预防等方面都有着极广阔的应用前景，而心磁与脑磁的磁场在ft量级，仅有地磁场的十亿分之一左右，因此，在地磁场与外界干扰磁场的环境下直接测量心磁和脑磁几乎没有可行性，目前所采取的方法一般通过被动磁屏蔽和主动磁补偿的方法达到近零磁场，在近零磁场环境中对心磁和脑磁进行测量。

2、磁屏蔽装置作为被动磁屏蔽方法，通过高磁导率材料与高电导率材料的共同作用，对地磁场和干扰磁场有显著的屏蔽抑制效果，但磁屏蔽装置内部的剩磁还难以达到直接测量心脑磁的标准，且磁屏蔽装置的制造成本较高，因此，需要在磁补偿装置上应用主动磁补偿系统，将装置内部剩磁和干扰进一步降低和抑制，同时也能降低成本。

3、目前的主动磁补偿系统一般主要采用pi和pid闭环控制，在各种环境下都有一定的补偿效果，但其抗干扰能力还较差，且控制精度不高、参数调整过程繁琐，在实际工程应用中难以满足需求，目前已有研究针对扰动抑制提出了扰动观测器、无模型自适应控制等方法，使得控制效果有一定程度的提高，但在遇到一些特殊类型的干扰时效果较为一般，有时还会因为此类干扰而失去本来的控制效果甚至导致失稳。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，提供一种基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统和方法，在针对特殊的复杂干扰包括固定频率类干扰、动态变频类干扰以及短时冲激类干扰时有较好的干扰抑制效果，实现磁屏蔽装置内磁场稳定控制。

2、为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

3、一种基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统，包括：自适应比例谐振控制模块、磁通门传感器、a/d信号处理模块、高精度电流源、磁补偿线圈；自适应比例谐振控制模块包含：自适应计算模块和比例谐振控制器，其中；

4、磁通门传感器采集环境磁场模拟信号，经由a/d信号处理模块将模拟信号转为数字信号；自适应计算模块根据数字信号进行自适应计算，对比例谐振控制器参数进行迭代更新，参数更新后的比例谐振控制器的输出结果经由a/d信号处理模块转为模拟电压信号，输出给高精度电流源，最后由高精度电流源将模拟电压信号转为电流信号输出至磁补偿线圈进行磁场补偿。

5、作为优选，比例谐振控制器参数包含：比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益。

6、作为优选，自适应计算模块包括：

7、信号频谱分析单元，用于对环境磁场模拟信号经延迟补偿处理减去控制器输出的近似复原信号进行基于kaiser窗的离散傅里叶变换；

8、干扰峰频率定位单元，用于对信号频谱分析的结果通过三点作差定位极值点，并通过阈值过滤和幅值倒序排序对所定位到的干扰峰数据进行处理；

9、自适应计算单元，用于将干扰峰的处理结果进行函数换算处理后，对比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益参数进行迭代更新；

10、高精度微调单元，用于在干扰峰处理迭代更新时，对干扰峰稳定性进行判断，判断干扰峰稳定后进行高精度自适应微调计算，根据对由实际信号和近似复原信号计算得来的干扰峰补偿效果进行变化梯度判断来进行高精度微调，微调结果代替干扰峰处理结果对比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益参数进行迭代更新。

11、作为优选，比例谐振控制器采用准谐振控制算法。

12、本发明还提供一种基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制方法，包括以下步骤：

13、步骤s1、获取环境磁场模拟信号；

14、步骤s2、根据环境磁场模拟信号进行自适应计算，对比例谐振控制器参数进行迭代更新；

15、步骤s3、将参数更新后比例谐振控制器的输出结果发送至磁补偿线圈进行磁场补偿。

16、作为优选，比例谐振控制器参数包含：比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益。

17、作为优选，步骤s2包括：

18、步骤s21、对环境磁场模拟信号经延迟补偿处理减去控制器输出的近似复原信号进行基于kaiser窗的离散傅里叶变换；

19、步骤s22、对对信号频谱分析的结果通过三点作差定位极值点，并通过阈值过滤和幅值倒序排序对所定位到的干扰峰数据进行处理；

20、步骤s23、将干扰峰的处理结果进行函数换算处理后，对比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益参数进行迭代更新；

21、步骤s24、在干扰峰处理迭代更新时，对干扰峰稳定性进行判断，判断干扰峰稳定后进行高精度自适应微调计算，根据对由实际信号和近似复原信号计算得来的干扰峰补偿效果进行变化梯度判断来进行高精度微调，微调结果代替干扰峰处理结果对比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益参数进行迭代更新。

22、作为优选，比例谐振控制器采用准谐振控制算法。

23、相比现有技术本发明具有以下技术效果：

24、1、针对磁屏蔽装置中特殊类型干扰的变频跟踪及抑制问题，基于现有的准谐振控制器原理，设计了比例谐振控制器及适配的自适应控制算法，能够很好地抑制包括上述特殊类型干扰在内的大多数扰动，显著提高系统在此类扰动环境下的动态响应速度和精度，同时还提高了系统的稳定性和鲁棒性。

25、2、相比pi和pid闭环控制以及采用扰动观测器的控制方法，本发明能够显著提高主动磁补偿控制系统在遇到特殊的复杂干扰，特别是固定频率类干扰、动态变频类干扰以及短时冲激类干扰时的稳定性和整体控制精度。

26、3、相比仅使用固定参数的准谐振控制器或比例谐振控制器，所设计的与比例谐振控制器相适配的自适应控制算法能够快速精确地调整比例谐振控制器的内部参数以适应当前的干扰，省去了复杂的人为干扰识别和参数调整过程，极大地节省了控制时间，同时也提高了系统的控制精度和稳定性。

技术特征：

1.一种基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统，其特征在于，包括：自适应比例谐振控制模块、磁通门传感器、a/d信号处理模块、高精度电流源、磁补偿线圈；自适应比例谐振控制模块包含：自适应计算模块和比例谐振控制器，其中；磁通门传感器采集环境磁场模拟信号，经由a/d信号处理模块将模拟信号转为数字信号；自适应计算模块根据数字信号进行自适应计算，对比例谐振控制器参数进行迭代更新，参数更新后的比例谐振控制器的输出结果经由a/d信号处理模块转为模拟电压信号，输出给高精度电流源，由高精度电流源将模拟电压信号转为电流信号输出至磁补偿线圈进行磁场补偿。

2.如权利要求1所述的基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统，其特征在于，比例谐振控制器参数包含：比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益。

3.如权利要求2所述的基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统，其特征在于，自适应计算模块包括：

4.如权利要求3所述的基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统，其特征在于，比例谐振控制器采用准谐振控制算法。

5.一种基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制方法，其特征在于，比例谐振控制器参数包含：比例谐振控制器的谐振频率和谐振增益。

7.如权利要求6所述的基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制方法，其特征在于，步骤s2包括：

8.如权利要求7所述的基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制方法，其特征在于，比例谐振控制器采用准谐振控制算法。

技术总结本发明公开一种基于变频跟踪和抑制的磁补偿控制系统和方法，通过磁通门传感器采集环境磁场模拟信号，经由A/D信号处理模块将模拟信号转为数字信号；自适应计算模块根据数字信号进行自适应计算，对比例谐振控制器参数进行迭代更新；参数更新后的比例谐振控制器的输出结果经由A/D信号处理模块转为模拟电压信号，输出给高精度电流源，由高精度电流源将模拟电压信号转为电流信号输出至磁补偿线圈进行磁场补偿。采用本发明的技术方案，在针对特殊的复杂干扰包括固定频率类干扰、动态变频类干扰以及短时冲激类干扰时有较好的干扰抑制效果，实现磁屏蔽装置内磁场稳定控制。技术研发人员：张海峰,洪啸廷,赵风文,李海涛,井忠祥,田鹏涛,郑世强,刘刚受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9