Metodología de ganancia de compensación para una exploración sinusoidal de un galvanómetro de espejo en Proporcional-Integral-Diferencial de control Uso Técnicas Pre-énfasis

Resumen

Proponemos un método para extender la frecuencia correspondiente mediante el uso de una técnica de pre-énfasis. Este método compensa la reducción de ganancia de un galvanómetro de espejo en la trayectoria de onda senoidal de seguimiento utilizando el control-integral-diferencial proporcional.

Resumen

espejos galvanómetro se usan para aplicaciones ópticas, tales como seguimiento de objetivos, dibujo, y el control de exploración debido a su alta velocidad y precisión. Sin embargo, la capacidad de respuesta de un galvanómetro de espejo está limitada por su inercia; Por lo tanto, la ganancia de un galvanómetro de espejo se reduce cuando la trayectoria de control es empinada. En esta investigación, se propone un método para extender la frecuencia correspondiente utilizando una técnica de pre-énfasis para compensar la reducción de ganancia de los espejos de galvanómetro en la trayectoria de onda senoidal de seguimiento utilizando el control-integral-diferencial proporcional (PID). La técnica de pre-énfasis obtiene un valor de entrada para un valor de salida deseado con antelación. La aplicación de este método para controlar el galvanómetro de espejo, la ganancia en bruto de un galvanómetro de espejo en cada frecuencia y la amplitud para la trayectoria de la onda sinusoidal de seguimiento usando un controlador PID se calculó. Donde el control PID no es eficaz, manteniendo una ganancia de 0 dB para mejorar la precisión de seguimiento de trayectoria, es posibleexpandir el rango de velocidad en el que una ganancia de 0 dB se puede obtener sin el ajuste de los parámetros de control PID. Sin embargo, si sólo hay una frecuencia, la amplificación es posible con un coeficiente de pre-énfasis sola. Por lo tanto, una onda sinusoidal es adecuado para esta técnica, a diferencia de las ondas triangulares y en diente de sierra. Por lo tanto, podemos adoptar una técnica de pre-énfasis para configurar los parámetros de antemano, y no tenemos que preparar modelos de control de activos adicionales y hardware. Los parámetros se actualizan de inmediato dentro del siguiente ciclo debido a la bucle abierto después se fijan los coeficientes de pre-énfasis. En otras palabras, al considerar que el controlador como un cuadro negro, necesitamos conocer solamente la relación de entrada a salida, y no es necesario un modelo detallado. Esta simplicidad permite a nuestro sistema se integra fácilmente en las aplicaciones. Nuestro método utilizando la técnica de pre-énfasis para un sistema de compensación de borrosidad por movimiento y el experimento llevado a cabo para evaluar el método se explican.

Introducción

Varios accionadores ópticos y métodos de control adecuados para diversas aplicaciones ópticas se han propuesto y desarrollado ^{1, 2.} Estos accionadores ópticos son capaces de controlar la trayectoria óptica; espejos de galvanómetro ofrecen un buen equilibrio en especial en términos de precisión, velocidad, movilidad, y cuestan ^{3, 4, 5.} En realidad, la ventaja ofrecida por la velocidad y precisión de los espejos de galvanómetro ha llevado a la realización de una variedad de aplicaciones ópticas, tales como seguimiento de objetivos y el dibujo, de control de barrido, y la compensación ^{6, 7, 8, 9, 10} de borrosidad por ^{movimiento, 11, 12.} Sin embargo, en nuestro anterior de compensa el movimiento borrosoen el sistema, un espejo de galvanómetro usando un-integral-diferencial proporcional (PID) proporcionó una pequeña ganancia; por lo tanto, era difícil conseguir una frecuencia más alta y una velocidad más rápida ^11.

Por otra parte, el control PID es un método ampliamente utilizado, ya que satisface un cierto nivel de precisión de seguimiento ^13. Se han propuesto una variedad de métodos para corregir la ganancia de control PID. Como una solución típica, PID ajuste de parámetros de control se lleva a cabo manualmente. Sin embargo, se necesita tiempo y habilidad especial para mantener. Un método más sofisticado, una función de auto ajuste para determinar automáticamente los parámetros, se ha propuesto y se utiliza ampliamente ^14. La precisión de seguimiento para operaciones de alta velocidad es mejorado usando la función de ajuste automático cuando el valor de ganancia proporcional P aumenta. Sin embargo, esto también aumenta el tiempo de convergencia y el ruido en el rango de baja velocidad. Por lo tanto, la exactitud de seguimiento hayt mejoró necesariamente. Aunque un controlador de autosintonización se puede ajustar para establecer los parámetros adecuados para el control de PID, la sintonización introduce un retraso debido a la necesidad de obtener parámetros adecuados; Por lo tanto, es difícil adoptar este método en aplicaciones en tiempo real ^15. Un controlador PID extendida ^{16, 17} y un controlador predictivo extendida ¹⁸ se han propuesto para extender el control PID general y para mejorar el rendimiento de rastreo de los espejos de galvanómetro para una variedad de rutas de seguimiento, tales como ondas triangulares, ondas de diente de sierra, y ondas sinusoidales. Sin embargo, en dichos sistemas, el sistema de galvanómetro fue considerado como un cuadro negro, mientras que se requiere un modelo del sistema de control, y el sistema de control no se consideraba como un recuadro negro. Por lo tanto, estos métodos requieren que su modelo para cada espejo galvanómetro se actualizará. Además, aunque Mnerie et al. validado su método de focusing en una onda de salida detallada y fase, su investigación no incluye la atenuación de toda la onda. De hecho, en nuestra investigación anterior ^11, la ganancia se redujo significativamente cuando la frecuencia sinusoidal fue alta, lo que indica la necesidad de compensar la ganancia de toda la onda.

En esta investigación, nuestro procedimiento para la compensación de ganancia con control PID ¹² se basa en la técnica de pre-énfasis ^{19, 20, 21} -un método para mejorar la calidad o la velocidad de la comunicación en las comunicaciones de ingeniería, que permite la construcción de un sistema experimental usando los equipos existentes. La Figura 1 muestra la estructura de flujo. La técnica de pre-énfasis es capaz de obtener de antemano el valor de salida deseado a partir de un valor de entrada, donde el control PID no es eficaz, incluso si el galvanómetro de espejoy su controlador son considerados como cajas negras. Esto les permite ampliar la frecuencia y rango de amplitud en el que una ganancia de 0 dB se puede obtener sin el ajuste de los parámetros de control PID.

Cuando se amplifica la ganancia, las características de respuesta del galvanómetro de espejo generalmente difieren en diferentes frecuencias, y por lo tanto, tenemos que amplificar cada frecuencia con coeficientes de amplificación. Por lo tanto, una onda sinusoidal es adecuado para la técnica de pre-énfasis, ya que sólo hay una frecuencia en cada onda sinusoidal. En esta investigación, ya que aplicamos compensación de ganancia para llevar a cabo la compensación de movimiento, falta de definición, la señal de control se limita a la exploración de onda sinusoidal, y la señal de onda senoidal constituye una sola frecuencia, a diferencia de otras ondas, como las ondas triangulares y en diente de sierra. Además, la señal de entrada en el espejo galvanómetro se actualiza inmediatamente dentro del siguiente ciclo debido a la bucle abierto después de que el pre-énfasis se establecen coeficientes. En otras palabras, necesitamos tO conocer solamente la relación de entrada a salida a considerar el controlador como un cuadro negro, y no es necesario un modelo detallado. Esta simplicidad permite a nuestro sistema se integra fácilmente en las aplicaciones.

El objetivo general de este método es establecer un procedimiento experimental de la compensación de borrosidad por movimiento como una aplicación por compensación de la ganancia utilizando la técnica de pre-énfasis. Múltiples dispositivos de hardware son usados ​​en estos procedimientos, tal como un galvanómetro de espejo, una cámara, una cinta transportadora, iluminación, y una lente. los programas desarrollados por el usuario de software central escritas en C ++ también constituyen parte del sistema. La Figura 2 muestra un esquema de la configuración experimental. El galvanómetro de espejo gira con velocidad angular de ganancia compensada, lo que permite evaluar la cantidad de desenfoque de las imágenes.

Protocolo

1. Adquisición de Datos de ganancia para un galvanómetro de espejo

1. Fijar el galvanómetro de espejo de tal manera que se estabiliza para protegerlo de daños, mientras oscilante. No sólo el galvanómetro de espejo, sino también el cuerpo del galvanómetro de espejo, se mueve si no se fija en su lugar con una plantilla de metal hechos a medida con un agujero circular para el galvanómetro de espejo. Fijar la plantilla sobre una portadora óptica y un banco óptico.
2. Conectar los cables BNC de la placa / DA anuncio a través de un bloque de terminales a los conectores de entrada y posición en el controlador de servo del galvanómetro de espejo.
3. Programa del generador de función de onda senoidal como una interfaz gráfica de usuario (GUI) utilizando el SDK de la junta AD / DA con C ++, que es capaz de establecer una arbitraria frecuencia, la amplitud y la duración, como se muestra en la Figura 3.
   NOTA: Este generador de funciones personalizadas contribuye a reducir el costo temporal para los ensayos continuos en el paso 1.5, desde el juicio se lleva a cabo muchas veces.
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4. Ajuste la frecuencia a variar de 100 Hz a 500 Hz en intervalos de 100 Hz, y establecer la amplitud que varíe de 10 mV a 500 mV en 10-MV intervalos en la GUI. En general, existen 250 combinaciones. Para probar 250 combinaciones, un bucle doble es eficaz para poner en práctica. El primer bucle es para las frecuencias de 100 Hz a 500 Hz, que se implementa 50 veces. El segundo bucle es para amplitudes de 10 mV a 500 mV, que se implementa para 50 veces.
5. Añadir la señal de ruta de onda senoidal en el tablero / DA AD para 2.000 muestreos como la duración de la interfaz gráfica de usuario. grabar simultáneamente la señal de posición del espejo de galvanómetro para leer el valor analógico de la tabla de AD / DA. En C ++ utilizando la codificación de una biblioteca de AD bordo / DA, utilice el mismo hilo para escribir y leer en la programación. Calcular el ángulo θ actual del galvanómetro de espejo (escritura de información) por esta ecuación
   
   donde t es el tiempo,en / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg"/> es la amplitud, ƒ es la frecuencia.
6. Guardar los datos de señal de posición como un archivo .csv e incluir el valor de la frecuencia y la amplitud de su nombre de archivo.
7. Repita los pasos 1.4 a 1.6 por 250 iteraciones.

2. Cálculo determinar coeficientes Pre-énfasis

1. Aplicar un filtro de mediana para los archivos CSV (señales grabadas) para evitar los efectos del ruido. El tamaño espacial del filtro de mediana es 5.
2. Ejecutar la secuencia de comandos para calcular el valor de pico a pico (correspondiente con la amplitud multiplicado por 2), usando MATLAB para cada uno de los archivos csv, como se muestra en la Figura 4 (el gráfico representa los datos de la trayectoria de onda sinusoidal).
3. Representar gráficamente los datos de pico a pico en un gráfico para determinar la linealidad en cada frecuencia, y limitar la región de uso de la amplitud de entrada cuando las parcelas son no lineales, como se muestra en la Figura 5.
   NOTA: La parte no lineal de la gráfica representa la saturación deel control PID; Por lo tanto, es aconsejable evitar el uso de ellos para garantizar la limitación de la especificación de control.
4. Ejecutar regresión lineal para los datos de pico a pico en una hoja de cálculo para obtener los coeficientes de interpolación lineal de cada frecuencia. En este proceso, se obtienen cinco conjuntos de pendientes e intersecciones. Se corresponden con las frecuencias de 100 Hz a 500 Hz en cada 100 Hz. Una aproximación de la línea recta de 300 Hz se muestra en la Figura 5 (A), y los coeficientes de interpolación lineal de cada frecuencia se muestran en la Tabla 1.
5. El uso de regresión lineal múltiple cuadrática, ejecutar interpolación quartic para obtener los coeficientes de interpolación cuárticas (coeficientes de pre-énfasis) en la hoja de cálculo para los coeficientes de interpolación lineal de cada frecuencia. Los coeficientes de pre-énfasis se muestran en la Tabla 2.
   NOTA: En esta investigación, los coeficientes de interpolación lineal varían en la forma de un quadraticurva c; sin embargo, otros tipos de funciones, tales como ecuaciones cuadráticas y cúbicas, se aplican si el error es mínimo.

3. Línea de amplificación de señal basado en la técnica Pre-énfasis

1. Ejecutar el software que calcula el valor de amplitud de entrada actualizada del valor ideal amplitud de entrada y la frecuencia ƒ utilizando los coeficientes de pre-énfasis.
   1. Guardar los coeficientes de pre-énfasis como valores constantes en el software C ++. Cuando se actualiza el dispositivo, también se actualizan los valores constantes.
   2. Programar una función
      
      en el software de C ++ y obtener los coeficientes de interpolación lineal. Sustituirlos por un _i, b _i, c _i, d _i,y e _i de la ecuación y en la Tabla 2.
   3. Programar una función
      
      en el C ++ software y obtener un valor de amplitud de entrada actualizado para sustituir y los coeficientes de interpolación lineal que se obtuvieron en el paso 3.1.2.
2. Repita los pasos 1.4 a 1.6 para los tiempos arbitrarios con utilizando la técnica de pre-énfasis en el GUI.NOTE: Para evitar la saturación de la región de control PID, ajuste 400 mV para un máximo de 200 Hz, 200 mV para un máximo de 300 Hz, 100 mV para un máximo de 400 Hz, y 50 mV para un máximo de 500 Hz.
3. Paso 2.2 y la trama de datos de repetición de pico a pico como un gráfico para ver la mejora en la ganancia.

4. Experimento sobre el movimiento borroso Compensation

1. Preparar una cinta transportadora que puede mover a 30 km / h utilizando un cinturón que puede adherirse a pegajoso texturas. La cinta transportadora a medida se compone con un motor de control de velocidad, una correa de goma de hierro, y así sucesivamente. Puede ser reemplazado con cinta transportadora ya preparado que puede controlar la velocidad.
2. Imprimir un patrón de textura fina sobre la cinta de impresión y pegarlo sobre la cinta transportadora.
   NOTA: La textura pegado se muestra en la Figura 6. Las rayas se programan utilizando una biblioteca "ofxPDF" en openFrameworks, y la imagen fotográfica es de una empresa de la foto.
3. Configurar dispositivos ópticos tales como una cámara, una lente, y una iluminación, como se muestra en la Figura 2. Coloque el galvanómetro de espejo delante de la lente que está conectado a la cámara, y colocar la iluminación para iluminar la cinta transportadora.
   1. Ajuste la frecuencia de cámara a 333 Hz, el tiempo de exposición a 1 ms, y el número de píxeles a 848 * 960 (anchura * altura).
4. Sincronizar el tiempo de rotación del galvanómetro de espejo y el tiempo de exposición de la cámara. En el software, cuando el ángulo del espejo galvanómetro llega la posición dónde comenzar la exposición, el programa envía un disparador de software en la cámara. El momento de gatillo software se ilustra en la Figura 7.
5. Introducir la velocidad de la cinta transportadora v _t (30 km / h) y la distancia de la cámara a la cinta transportadora L (3,0 m) para calcular requiere velocidad angular ω _r del galvanómetro de espejo en la interfaz gráfica de usuario como en la Figura 8. ω _r se calcula como sigue:
   
6. Introducir el ƒ frecuencia (330,0 Hz) en la interfaz gráfica de usuario como en la figura 8 para calcular la amplitud de entrada original . CalcularEcuación 3" src = "/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg" /> como sigue:
   
7. Copiar y pegar en el código fuente, y gire el galvanómetro con el valor de control θ pre-recalcado para el conductor servo galvanómetro como sigue:
   
   donde t es el tiempo. La Figura 7 ilustra cómo θ se calcula a partir A.
8. Imágenes registro cuando la cinta transportadora se está moviendo a v _t (30 km / h).
   NOTA: La Figura 9 ilustra el movimiento de la cinta transportadora.

Resultados

Los resultados aquí presentados se obtuvieron usando una tabla de AD / DA y una cámara. La Figura 1 muestra el procedimiento de la técnica de pre-énfasis; Por lo tanto, es el núcleo de este artículo. No es necesario para establecer los parámetros del control PID después de que el estado de inicialización; Por lo tanto, el proceso en línea es significativamente más simple.

La Figura 10 muestra ...

Discusión

Este artículo presenta un procedimiento capaz de expandir la gama de frecuencias de onda senoidal para lograr trayectoria de alta precisión de seguimiento con el control PID. Debido a que la capacidad de respuesta de un galvanómetro de espejo está limitada por su inercia, es fundamental utilizar un espejo del galvanómetro cuando la ruta de control es empinada. Sin embargo, en esta investigación, se propone un método para mejorar la especificación de control y luego probar el método mediante la obtención de resultados ex...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Espejo galvanométrico	Cambridge Technology	M3s Eje
Plantilla metálica a medida	ASKK-Con		orificio circular para espejo galvanómetro
Soporte óptico	SIGMAKOKI	CAA-60L
Banco óptico	SIGMAKOKI	OBT-1500LH
Osciloscopio	Tektronix	MSO 4054
AD/DA placa	Interfaz	PCI-361216
PC	DELL	Precision T3600
Galvanómetro espejo servocontrolador	Cambridge Technology	Minisax
Lente	Nikon	AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II
Cámara de alta velocidad	Mikrotron	Eosens MC4083	Descatalogada, pero vendida como MC4087. La conexión del cable es diferente de la cinta transportadora MC4083
	ASUKA-Con		un motor de control de velocidad (BX5120A-A fabricado por Oriental Motor), correa de goma de hierro (100-F20-800A-J fabricado por NOK), etc
Cinta imprimible	A-one	F20A4-6
Textura fotográfica	Shutterstock, Inc.	231357754	Placa base de ordenador impresa con microcircuito, primer plano
Interfaz	bloque de terminales	TNS-6851B
Placa CoaXPress	AVALDATA	APX-3664
MATLAB	mathworks	MATLAB R2015a