[发明专利]一种基于锁相环分段PID的光泵磁强计闭环控制方法

说明书

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。

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。

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。