超导加速度计反馈控制的研究

摘要

超导重力仪器以其低噪声、低漂移、稳定好等优点而著称。实验室现主要研制的单轴超导重力仪与超导重力梯度仪的核心都是超导加速度计探头。超导加速度计探头的核心是由检验质量、悬浮平面线圈、上探测平面线圈以及维持检验质量运动姿态的侧壁曲面线圈构成的磁力弹簧振子。首先对于检验质量侧壁来说，现有侧壁线圈对检验质量水平稳定性的调控处于开环状态，可提供的水平刚度有限，会导致系统的交叉耦合问题比较严重。其次对于检验质量的敏感轴向即可运动自由度方向来说，系统是工作在开环探测状态，因此相比闭环控制系统的非线性效应也相对较大。并且从微弱信号检测的角度来看，对开环探测系统做闭环控制可以有效提升系统的信噪比。综上所述，对超导加速度计的闭环控制的研究有其重要意义。
　　鉴于检验质量水平方向的闭环控制涉及多对控制回路而难度较大，所以从检验质量敏感轴向的闭环控制出发来研究基于超导量子干涉仪(SQUID)的超导系统的闭环控制。具体实现过程是在开环探测的基础上将SQUID输出电压通过反馈网络以反馈电流的方式推动执行机构即悬浮平面线圈来实现对检验质量的闭环控制。
　　在闭环控制研究中，首先对相关物理系统进行数学建模，其次以结构简单、调试方便的比例控制为出发点，通过相关仿真分析和实验来探索比例控制的可行性。同时在此基础上也进一步结合PID控制器进行了相关仿真分析，并且根据比例控制实验中的问题搭建集成有一阶有源高通滤波器、PID控制器和压流转换器等模块的电路板，并对其进行了相关测试。
　　基于超导加速度计，完成了比例控制实验、PD和PID控制实验。首先实验表明比例反馈不能够实现明显的闭环控制效果；其次通过外接激励法实测了系统的开环传递函数,为后续研究提供了指导。而PD控制实验初步证实了PD控制的有效性，而PID控制效果受限于系统故障而没得到证实。

目录

声明

1 绪论

1.1背景介绍

1.2 课题的内容、目标与意义

2 超导加速度计闭环控制的建模与仿真

2.1 超导加速度计的开环探测原理与建模

2.2 超导加速度计比例控制的理论建模与仿真分析

2.2.1比例控制系统的建模与参数选择

2.2.2比例控制系统的控制分析

2.3超导加速度计PID控制及PID控制器的理论建模与仿真

2.3.1PID控制系统的建模与仿真

2.3.2高通滤波器设计

2.3.3PID模块设计

2.3.4压流转换器设计

2.4 本章小结

3 实验装置搭建

3.1 实验装置系统

3.1.1超导加速度计探头

3.1.2走线与超导连接

3.1.3SQUID系统

3.1.4反馈网络搭建

3.2系统的抗扰性设计

3.3 本章小结

4 闭环控制实验以及结果分析

4.1 比例闭环控制低温实验

4.2 PD与PID控制低温实验

4.3 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献