Méthodologie de compensation de gain pour un balayage sinusoïdales d'un miroir galvanomètre proportionnelle intégrale différentielle de contrôle au moyen de techniques Préaccentuation

Résumé

Nous vous proposons une méthode pour prolonger la fréquence correspondante en utilisant une technique de pré-accentuation. Cette méthode compense la réduction de gain d'un miroir de galvanomètre dans la boucle de poursuite en utilisant une onde sinusoïdale de contrôle différentiel intégral proportionnel.

Résumé

un miroir de galvanomètre sont utilisés pour des applications optiques telles que le suivi de la cible, le dessin et la commande de balayage en raison de leur grande vitesse et la précision. Cependant, la réactivité d'un miroir de galvanomètre est limitée par son inertie; Par conséquent, le gain d'un miroir de galvanomètre est réduite lorsque le chemin de contrôle est raide. Dans cette étude, nous proposons une méthode pour prolonger la fréquence correspondante à l'aide d'une technique de pré-accentuation pour compenser la réduction de gain de miroirs de galvanomètre en chemin sinusoïdal suivi en utilisant proportionnel-intégral-différentiel (PID). La technique de pré-accentuation obtient une valeur d'entrée pour une valeur de sortie souhaitée à l'avance. L'application de cette méthode pour contrôler le miroir de galvanomètre, le gain brut d'un miroir de galvanomètre dans chaque fréquence et l'amplitude pour les trajets d'onde sinusoïdale de suivi en utilisant un contrôleur PID a été calculée. Lorsque le contrôle PID n'est pas efficace, le maintien d'un gain de 0 dB pour améliorer la précision de suivi de trajectoire, il est possible deétendre la plage de vitesse dans laquelle on peut obtenir un gain de 0 dB sans réglage des paramètres de régulation PID. Cependant, s'il n'y a qu'une seule fréquence, l'amplification est possible avec un seul coefficient préaccentuation. Par conséquent, une onde sinusoïdale est adapté à cette technique, à la différence des ondes triangulaires et en dents de scie. Par conséquent, nous pouvons adopter une technique préaccentuation pour configurer les paramètres à l'avance, et nous ne devons pas préparer des modèles de contrôle actifs supplémentaires et du matériel. Les paramètres sont immédiatement mis à jour dans le prochain cycle en raison de la boucle ouverte après les coefficients préaccentuation sont fixés. En d'autres termes, à considérer le contrôleur comme une boîte noire, il faut savoir que le rapport d'entrée-sortie, et la modélisation détaillée est pas nécessaire. Cette simplicité permet à notre système d'être facilement intégré dans des applications. Notre méthode en utilisant la technique de pré-accentuation d'un système de compensation de flou de mouvement et l'expérience menée pour évaluer la méthode sont expliqués.

Introduction

Divers actionneurs optiques et des méthodes de contrôle appropriées pour diverses applications optiques ont été proposés et mis au point ^{1, 2.} Ces actionneurs optiques sont capables de contrôler le trajet optique; miroirs de galvanomètre offrent surtout un bon équilibre en termes de précision, de la vitesse, la mobilité et le coût ^{3, 4, 5.} En fait, l'avantage offert par la vitesse et la précision des miroirs galvanométriques a conduit à la réalisation d'une grande variété d'applications optiques, tels que le repérage de la cible et le dessin, le contrôle de la numérisation, et la compensation-flou de mouvement ^{6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.} Cependant, dans notre précédent mouvement flou compensatisur le système, un miroir de galvanomètre en utilisant un contrôleur différentiel proportionnel-intégral (PID) pourvu d'un petit gain; Par conséquent, il était difficile d'obtenir une fréquence plus élevée et une vitesse plus rapide ^11.

D'autre part, le contrôle PID est une méthode largement utilisée, car elle répond à un certain niveau de précision de suivi ^13. Diverses méthodes ont été proposées pour corriger le gain de régulation PID. En tant que solution typique, le réglage des paramètres de régulation PID est effectuée manuellement. Cependant, il faut du temps et des compétences particulières pour maintenir. Une méthode plus sophistiquée, une fonction d' auto-réglage pour déterminer automatiquement les paramètres, a été proposé et est largement utilisé ^14. La précision de suivi pour les opérations à grande vitesse est amélioré en utilisant la fonction d'auto-réglage lorsque l'augmentation de la valeur de gain proportionnel P. Cependant, cela augmente aussi le temps de convergence et le bruit dans la plage basse vitesse. Par conséquent, la précision de suivi est past nécessairement amélioré. Bien qu'un dispositif de commande de réglage automatique peut être réglé pour régler les paramètres appropriés pour la régulation PID, le réglage introduit un retard en raison de la nécessité d'obtenir les paramètres adéquats; , il est donc difficile d'adopter cette méthode dans les applications en temps réel ^15. Un régulateur PID étendu ^{16, 17} et une unité de commande prédictive avancée ¹⁸ ont été proposées pour augmenter la régulation PID général et pour améliorer la performance de poursuite des miroirs de galvanomètre pour une variété de voies de suivi, telles que des ondes triangulaires, des ondes en dents de scie, et des ondes sinusoïdales. Cependant, dans ces systèmes, le système de galvanomètre était considéré comme une boîte noire, alors qu'un modèle du système de contrôle était nécessaire, et le système de contrôle n'a pas été considéré comme une boîte noire. Par conséquent, ces méthodes nécessitent que leur modèle pour chaque miroir galvanomètre être mis à jour. En outre, bien que Mnerie et al. validé leur procédé de focusing sur une onde de sortie détaillée et en phase, leurs recherches ne comprenait pas l'atténuation de l'onde entière. En fait, dans notre étude précédente ^11, le gain est diminué de manière significative lorsque la fréquence sinusoïdale est élevée, ce qui indique la nécessité de compenser le gain de l'onde entière.

Dans cette recherche, notre procédure de compensation de gain de contrôle PID ¹² est basé sur la technique de pré-accentuation ^{19, 20, 21} -un procédé pour améliorer la qualité ou la vitesse de communication en ingénierie qui communications permet la construction d'un système expérimental utilisant équipements existants. La figure 1 montre la structure de l' écoulement. La technique de pré-accentuation est capable d'obtenir à l'avance la valeur de sortie désirée à partir d'une valeur d'entrée, où le contrôle PID est sans effet, même si le miroir de galvanomètreet son contrôleur sont considérés comme des boîtes noires. Cela leur permet d'élargir la gamme de fréquence et d'amplitude, dans lequel on peut obtenir un gain de 0 dB sans réglage des paramètres de régulation PID.

Lorsque le gain est amplifié, les caractéristiques de réponse du miroir galvanomètre diffèrent généralement à des fréquences différentes, et par conséquent, nous devons amplifier chaque fréquence avec des coefficients d'amplification. Ainsi, une onde sinusoïdale est adapté à la technique de pré-accentuation, comme il n'y a qu'une fréquence de chaque onde sinusoïdale. Dans cette recherche, parce que nous appliquons une compensation de gain pour accomplir compensation flou de mouvement, le signal de commande est limitée à balayage onde sinusoïdale et le signal sinusoïdal constitue une seule fréquence, contrairement à d'autres vagues, comme des ondes triangulaires et en dents de scie. En outre, le signal d'entrée dans le miroir de galvanomètre est mis à jour immédiatement dans le cycle suivant en raison de la boucle ouverte après les coefficients de pré-accentuation sont fixés. En d'autres termes, nous avons besoin de to savoir que le rapport entrée-sortie de considérer le contrôleur comme une boîte noire, et la modélisation détaillée est inutile. Cette simplicité permet à notre système d'être facilement intégré dans des applications.

L'objectif global de cette méthode est d'établir une procédure expérimentale de compensation du flou de mouvement comme une application par compensation de gain en utilisant la technique de pré-accentuation. Plusieurs dispositifs matériels sont utilisés dans ces procédés, par exemple un miroir de galvanomètre, une caméra, une bande transporteuse, illumination, et une lentille. programmes développés utilisateur logiciel central écrit en C ++ font également partie du système. La figure 2 montre un schéma du dispositif expérimental. Le miroir de galvanomètre tourne avec une vitesse angulaire à compensation de gain, ce qui permet d'évaluer la quantité de flou de l'image.

Protocole

1. Acquisition de données de gain pour un miroir galvanométrique

1. Fixer le miroir galvanomètre telle qu'elle est stabilisée pour le protéger contre les dommages tout en oscillant. Non seulement le miroir de galvanomètre, mais aussi le corps du miroir de galvanomètre, se déplace sinon fixé en place à l'aide d'un gabarit métallique sur mesure avec un trou circulaire pour le miroir de galvanomètre. Fixer le gabarit sur une porteuse optique et un banc optique.
2. Connecter les câbles BNC de la carte AD / DA à travers un bloc de connexion aux prises d'entrée et la position du pilote d'asservissement du miroir de galvanomètre.
3. Programme du générateur de fonction sinusoïdale comme une interface utilisateur graphique (GUI) en utilisant le kit de développement de la carte de AD / DA avec C ++, qui est capable de régler une fréquence arbitraire, l' amplitude et la durée, comme représenté sur la Figure 3.
   NOTE: Ce générateur de fonction sur mesure contribue à réduire le coût temporel pour les essais continus dans l'étape 1.5, puisque le procès se déroule à plusieurs reprises.
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4. Régler la fréquence à varier entre 100 Hz et 500 Hz dans des intervalles de 100 Hz, et régler l'amplitude de varier de 10 mV à 500 mV par intervalles de 10 mV dans l'interface graphique. Dans l'ensemble, il existe 250 combinaisons. Pour tester 250 combinaisons, une double boucle est efficace à mettre en œuvre. La première boucle est pour des fréquences de 100 Hz à 500 Hz, qui est mis en œuvre 50 fois. La deuxième boucle est pour des amplitudes de 10 mV à 500 mV, ce qui est mis en oeuvre pendant 50 heures.
5. Ajouter le signal de voie sinusoïdal dans la carte de AD / DA pour 2000 échantillons que la durée dans l'interface graphique. enregistrer simultanément le signal de position du miroir de galvanomètre pour lire la valeur analogique de la carte de AD / DA. En C ++ de codage en utilisant une bibliothèque de carte de AD / DA, utiliser le même fil pour l'écriture et la lecture dans la programmation. Calculer l'angle courant de miroir de galvanomètre θ (informations d'écriture) par l'équation
   
   où t est le temps,es / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg »/> est l'amplitude, ƒ est la fréquence.
6. Enregistrer les données de signal de position en tant que fichier .csv et inclure la valeur de la fréquence et de l'amplitude de son nom de fichier.
7. Répéter les étapes 01.04 à 01.06 pour 250 itérations.

2. Calcul à Obtenir Coefficients Préaccentuation

1. Appliquer un filtre médian pour les fichiers csv (signaux enregistrés) afin d'éviter les effets du bruit. La taille spatiale du filtre médian est de 5.
2. Exécuter le script pour calculer la valeur crête-à-crête (correspondant à l'amplitude multipliée par 2), en utilisant MATLAB pour chacun des fichiers CSV, comme représenté sur la figure 4 (graphique représente les données de la voie d'onde sinusoïdale).
3. Tracer les données de crête à crête sur un graphique pour déterminer la linéarité à chaque fréquence, et de limiter la zone d'utilisation de l'amplitude d'entrée lorsque les emplacements sont non linéaires, comme le montre la figure 5.
   NOTE: La partie non linéaire du graphique représente la saturation desla commande PID; Par conséquent, il est conseillé d'éviter de les utiliser pour obtenir la limitation de la spécification de contrôle.
4. Exécuter une régression linéaire pour les données de crête à crête dans une feuille de calcul pour obtenir les coefficients d'interpolation linéaire de chaque fréquence. Dans ce processus, cinq ensembles de pistes et Intercepts sont obtenus. Ils correspondent aux fréquences de 100 Hz à 500 Hz à 100 Hz chacune. Une approximation de la ligne droite de 300 Hz est affiché sur la figure 5 (A), et les coefficients d'interpolation linéaire de chaque fréquence sont présentées dans le tableau 1.
5. En utilisant la régression linéaire multiple quadratique, exécuter une interpolation quartique pour obtenir les coefficients d'interpolation quartiques (coefficients de préaccentuation) dans la feuille de calcul des coefficients d'interpolation linéaire de chaque fréquence. Les coefficients préaccentuation sont présentés dans le tableau 2.
   NOTE: Dans cette étude, les coefficients d'interpolation linéaire varient sous la forme d'un quadraticourbe de c; Cependant, d'autres types de fonctions, telles que des équations du second degré et cubique, sont appliquées si l'erreur est minime.

3. Amplification du signal en ligne basé sur la technique Préaccentuation

1. Exécuter le logiciel qui calcule la valeur d'amplitude d'entrée mis à jour à partir de la valeur d'amplitude d'entrée idéale et la fréquence ƒ en utilisant les coefficients préaccentuation.
   1. Enregistrer les coefficients préaccentuation valeurs constantes dans le logiciel C ++. Lorsque l'appareil est mis à jour, ces valeurs constantes sont également mises à jour.
   2. Programmation d'une fonction
      
      dans le logiciel C ++ et obtenir les coefficients d'interpolation linéaire. Les remplacer par des a _i, b _i, c _i, d _i,et e _i à partir de l'équation et le tableau 2.
   3. Programmation d'une fonction
      
      dans le logiciel C ++ et d'obtenir une valeur d'amplitude d'entrée mis à jour pour remplacer et les coefficients d'interpolation linéaire qui ont été obtenues à l'étape 3.1.2.
2. Répétez les étapes 01.04 à 01.06 pour les temps arbitraires avec en utilisant la technique de pré-accentuation dans le GUI.NOTE: Pour éviter la saturation de la région de régulation PID, à 400 mV pour un maximum de 200 Hz, 200 mV pour un maximum de 300 Hz, 100 mV pour un maximum de 400 Hz, et 50 mV jusqu'à 500 Hz.
3. Répétez l'étape 2.2 et tracer des données de crête à crête comme un graphique pour voir l'amélioration du gain.

4. Expérience sur flou de mouvement Compensation

1. Préparer une bande transporteuse qui peut se déplacer à 30 km / h avec une ceinture qui peut adhérer à des textures collant. La bande transporteuse sur mesure se compose d'un moteur de commande de vitesse, une courroie en caoutchouc de fer, et ainsi de suite. Il peut être remplacé par bande transporteuse prête à l'emploi qui peut contrôler la vitesse.
2. Imprimer un motif de texture fine sur la bande à imprimer et à le coller sur la bande transporteuse.
   REMARQUE: La texture collée est représentée sur la figure 6. Les bandes sont programmées à l'aide d'une bibliothèque « ofxPDF » dans openFrameworks, et l'image photographique est d'une compagnie de stock.
3. Mettre en place des dispositifs optiques tels qu'une caméra, une lentille, et une illumination, comme représenté sur la Figure 2. Placez le miroir de galvanomètre en face de la lentille qui est relié à la caméra, et de placer l'éclairage pour éclairer la bande transporteuse.
   1. Régler la fréquence de la caméra à 333 Hz, la durée d'exposition à 1 ms, et le nombre de pixels de 848 * 960 (largeur * hauteur).
4. Synchroniser le temps de rotation du miroir de galvanomètre et le temps d'exposition de la caméra. Dans le logiciel, lorsque l'angle du miroir de galvanomètre arrive la position où commencer l'exposition, le programme envoie un déclencheur de logiciel dans l'appareil. Le moment de déclenchement logiciel est illustré à la figure 7.
5. Entrée de la vitesse de la bande transporteuse v _t (30 km / h) et la distance entre la caméra et la bande transporteuse L (3,0 m) pour calculer la vitesse angulaire requise ω _r du miroir de galvanomètre dans l'interface graphique selon la figure 8. ω _r est calculé comme suit:
   
6. Entrée ƒ la fréquence (330,0 Hz) dans l'interface graphique selon la figure 8 pour calculer l' amplitude d'entrée d' origine . CalculerL'équation 3" src = "/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg" /> comme suit:
   
7. Copier et coller dans le code source, et faire tourner le galvanomètre avec la valeur de contrôle pré-accentué θ pour le pilote d'asservissement de galvanomètre comme suit:
   
   où t est le temps. La figure 7 illustre la façon dont θ est calculé à partir de A.
8. Enregistrer images lorsque la bande transporteuse se déplace à v _t (30 km / h).
   REMARQUE: La figure 9 illustre le mouvement de la bande transporteuse.

Résultats

Les résultats présentés ici ont été obtenus à l'aide d'une carte AD / DA et une caméra. La figure 1 montre la procédure de la technique préaccentuation; par conséquent, il est au cœur de cet article. Il est inutile de définir les paramètres de la régulation PID après que l'état d'initialisation; Par conséquent, le processus en ligne est beaucoup plus simple.

La figure 10 montre les résultats o...

Discussion

Cet article présente une procédure capable de se dilater la gamme de fréquences d'onde sinusoïdale pour réaliser la trajectoire de haute précision de suivi avec un contrôle PID. Parce que la réactivité d'un miroir de galvanomètre est limitée par son inertie, il est essentiel d'utiliser un miroir galvanomètre lorsque le chemin de contrôle est raide. Cependant, dans cette recherche, nous proposons une méthode pour améliorer la spécification de contrôle et puis prouver la méthode en obtenant des résultats expér...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Miroir galvanomètre	Cambridge Technology	M3s Axe
Gabarit métallique sur mesure	ASKK-Avec		trou circulaire pour miroir galvanomètre
Support optique	SIGMAKOKI	CAA-60L
Banc optique	SIGMAKOKI	OBT-1500LH
Oscilloscope	Tektronix	MSO 4054
AD/DA carte	Interface	PCI-361216
PC	DELL	Precision T3600
Galvanometer miroir servocontrôleur	Cambridge Technology	Minisax
Objectif	Nikon	AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II  ;
Caméra haute vitesse	Mikrotron	Eosens MC4083	Abandonnée, mais vendue sous le nom de MC4087. La connexion du câble est différente de MC4083
Bande transporteuse	ASUKA-Avec		un moteur de contrôle de vitesse (BX5120A-A fabriqué par Oriental Motor), une courroie en caoutchouc de fer (100-F20-800A-J fabriquée par NOK), etc
Bande imprimable	A-one	F20A4-6
Texture photographique	Shutterstock, Inc.	231357754	Carte mère d’ordinateur imprimée avec microcircuit, gros plan
Bloc de connexion		Interface TNS-6851B
CoaXPress AVALDATA		APX-3664
MATLAB	mathworks	MATLAB R2015a