我们提出一种利用预加重技术来扩展相应频率的方法。该方法通过比例-积分-微分控制，补偿振镜在正弦波路径跟踪过程中增益降低的问题。
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本文内容
摘要
摘要
由于具有高速度和高精度，检流计镜被广泛应用于目标跟踪、绘图和扫描控制等光学领域。然而，检流计镜的响应性能受限于其惯性，因此当控制路径变化陡峭时，其增益会降低。本研究提出一种采用预加重技术的方法，以补偿在正弦波路径跟踪中使用比例-积分-微分（PID）控制时检流计镜的增益下降问题，从而扩展其响应频率范围。预加重技术可预先计算出实现期望输出值所需的输入值。将该方法应用于检流计镜控制，可计算出在不同频率和振幅下，使用PID控制器进行正弦波路径跟踪时检流计镜的原始增益。在PID控制效果不佳、难以维持0 dB增益以提高轨迹跟踪精度的情况下，该方法能够在不调整PID控制参数的前提下，扩展可实现0 dB增益的速度范围。然而，若仅涉及单一频率，则可通过单个预加重系数实现信号放大，因此该技术适用于正弦波，而不适用于三角波和锯齿波。因此，我们可以预先配置预加重技术的参数，而无需构建额外的主动控制模型或增加硬件。一旦设定预加重系数，由于系统为开环结构，参数可在下一个周期立即更新。换言之，可将控制器视为一个黑箱，仅需了解其输入与输出之间的比例关系，无需进行详细的建模。这种简洁性使得本系统易于嵌入各类应用中。本文还阐述了将预加重技术应用于运动模糊补偿系统的方法以及为评估该方法所开展的实验。
引言
已提出并开发了多种适用于不同光学应用的光学子系统及控制方法1,2。这些光学子系统能够控制光路；其中，检流计镜尤其在精度、速度、灵活性和成本之间实现了良好平衡3,4,5。事实上，检流计镜在速度和精度方面的优势已促成了多种光学应用的实现，例如目标跟踪与绘图、扫描控制以及运动模糊补偿6,7,8,9,10,11,12。然而，在我们此前的运动模糊补偿系统中，采用比例-积分-微分（PID）控制器的检流计镜增益较小，因此难以实现更高的频率和更快的速度11。
另一方面，PID 控制是一....
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方案
1. 获取振镜的增益数据
- 固定振镜，使其在振荡时保持稳定，以防止损坏。如果不使用带有圆形孔的定制金属夹具来固定振镜及其本体，则振镜本体也会随之移动。将该夹具固定在光学载板和光学平台上。
- 通过接线端子，将来自AD/DA板的BNC电缆连接至振镜伺服驱动器的输入和位置插座。
- 使用C++语言结合AD/DA板的SDK，编写一个图形用户界面（GUI）形式的正弦波函数发生器程序，能够任意设置频率、振幅和持续时间，如图3所示。
注意：由于该实验步骤1.5需多次重复进行，此自定义函数发生器有助于显著减少连续试验的时间成本。 - 在GUI中设置频率以100 Hz为间隔，从100 Hz变化至500 Hz；设置振幅以10 mV为间隔，从10 mV变化至500 mV。总共存在250种组合。为测试全部250种组合，采用双重循环结构更为高效。外层循环对应频率从100 Hz到500 Hz，共执行50次；内层循环对应振幅从10 mV到500 mV，每次外层循环中执行50次。
- 在GUI中，向AD/DA板写入持续时间为2,000个采样点的正弦波路径信号。同时记录振镜的位置信号，以读取AD/DA板的模拟值。在使用AD/DA板库函数的C++编程中，读取和写入操作应使用同一线程。通过以下公式计算振镜当前角度θ（写入信息）：
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结果
本文所示结果采用AD/DA板卡和相机获得。图1展示了预加重技术的流程，因此是本文的核心。在初始化状态之后，无需设置PID控制的参数，因此在线过程显著简化。
图10展示了在本系统中应用预加重技术所获得的结果。如图10(A)和图10(B)所示，几乎所有的输出图均位于直线y = x上，且几乎所有的幅值图均位于y = 0 dB直线上。
图11和图12 展示我们应用系统的结果。尽管图像中的 图11(D) 和 12(D) 与……相比，锐度有所下降 图11(A).......
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讨论
本文介绍了一种能够扩展正弦波频率范围以实现高精度轨迹跟踪的PID控制方法。由于检流计镜的响应能力受其惯性限制，在控制路径较陡时使用检流计镜尤为关键。然而，在本研究中，我们提出了一种改进控制性能的方法，并通过获取实验结果验证了该方法的有效性。
在我们的实验流程中，第2.5步是最关键的步骤。我们通过线性插值系数获得预加重系数，从而能够使用任意频率。如果没有这一步骤，我们只能使用离散频率。该流程包含离线和在线两个部分。离线部分在设备初始使用阶段是必需的；然而，获取预加重参数耗时较长。因此，从手动操作过渡到自动化流程是合理的。在第2.4步中，我们未手动使用数据的非线性部分，该步骤可通过具备识别线性能力的自动化步骤替代。我们已在MATLAB和电子表格中分别准备了独立的脚本和处理流程；但通过开发一个带图形用户界面的C++程序，该流程可进一步简化。
该技术存在以下局限性：不适用于放大后的信号未达到理想强度的情况。在此情况下，设备本身需要增加扭矩，或应采用更轻质的镜片。该方法的优势在于，当使用任意正弦波更新控制系统时，有助于降低成本。尽管可以.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 检流计镜 | Cambridge Technology | M3s X轴 | |
| 定制金属夹具 | ASKK | - | 带用于检流计镜的圆形孔 |
| 光学载台 | SIGMAKOKI | CAA-60L | |
| 光学平台 | SIGMAKOKI | OBT-1500LH | |
| 示波器 | Tektronix | MSO 4054 | |
| AD/DA板 | Interface | PCI-361216 | |
| 计算机 | DELL | Precision T3600 | |
| 检流计镜伺服控制器 | Cambridge Technology | Minisax | |
| 镜头 | Nikon | AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II | |
| 高速相机 | Mikrotron | Eosens MC4083 | 已停产，但作为MC4087销售。与MC4083的电缆连接方式不同 |
| 传送带 | ASUKA | - | 配备调速电机（Oriental Motor生产的BX5120A-A）、铁氟龙橡胶带（NOK生产的100-F20-800A-J）等 |
| 可打印胶带 | A-one | F20A4-6 | |
| 摄影纹理 | Shutterstock, Inc. | 231357754 | 印刷电路主板带微电路，特写 |
| 接线端子 | Interface | TNS-6851B | |
| CoaXPress板 | AVALDATA | APX-3664 | |
| MATLAB | mathworks | MATLAB R2015a |
参考文献
- Bass, M. Handbook Of Optics. 3, 2nd ed, (1995).
- Marshall, G. F., Stutz, G. E. Handbook of optical and laser scanning. , CRC Press. (2011).
- Aylward, R. P. Advanced galvanometer-based optical scanner design. Sensor Rev. 23 (3), 216-222 (2003).
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重印与许可
