방법 논문

프리 엠 퍼시스 기술을 사용하여 비례 - 적분 - 미분 제어에 검류계 미러의 사인 스캔에 대한 이득 보상 방법론

DOI:

10.3791/55431

⸱

2017년 4월 4일

 ,  ,  , 
1Department of Creative Informatics, University of Tokyo, 2Hitachi Industry & Control Solutions, Ltd.

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

우리는 프리 - 엠 퍼시스 기술을 이용하여 대응하는 주파수를 확장하는 방법을 제안한다. 이 방법은 비례 적분 미분 제어를 사용하여 추적 정현파 경로의 갈바 노 미러의 이득 감소를 보상한다.

초록

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검류계 미러 때문에 높은 정확도와 속도의 이러한 목표 추적, 드로잉, 및 주사 제어와 같은 광학 용도에 사용된다. 그러나, 갈바 노 미러의 응답을 그 관성에 의해 제한된다; 제어 경로가 가파른 경우 따라서, 갈바 노 미러의 이득이 감소된다. 본 연구에서 우리는 비례 적분 미분 (PID) 제어를 사용하여 추적 정현파 경로 갈바 노 미러의 이득 저하를 보충하기위한 프리 - 엠 퍼시스 기술을 이용하여 대응하는 주파수를 확장하는 방법을 제안한다. 프리 엠 퍼시스 기술은 미리 소정의 출력값에 대한 입력 값을 구한다. PID 제어기를 사용하여 추적 정현파 경로 검류계 미러, 각 주파수에서의 갈바 노 미러의 원료 이득 및 진폭을 조절하기 위해이 방법을 적용하는 계산 하였다. PID 제어 효과가없는 경우에는 0 dB의 게인을 유지하는 것은 가능하다, 궤도 추적의 정확성을 향상시키기 위해0dB의 이득은 PID 제어 파라미터를 조정하지 않고 얻어 질 수있는 속도 범위를 확장. 단지 하나 개의 주파수가있는 경우에는, 증폭 한 프리 - 엠 퍼시스 계수가 가능하다. 따라서, 사인파와 삼각 톱니파 달리 본 기술에 적합하다. 따라서, 우리는 사전에 매개 변수를 구성하는 프리 엠 퍼시스 기술을 채택 할 수있다, 우리는 추가 활성 제어 모델과 하드웨어를 준비 할 필요가 없습니다. 프리 엠 퍼시스 계수 설정 후 파라미터로 인해 개방 루프의 다음 사이클에서 즉시 갱신된다. 즉, 블랙 박스로 간주하는 컨트롤러, 우리는 입력 대 출력의 비율을 알아야 상세한 모델은 필요하지 않다. 이 단순함은 우리의 시스템은 쉽게 응용 프로그램에 포함 할 수 있습니다. 모션 흐림 보상 시스템에 대한 프리 엠 퍼시스 기술과 방법을 평가하기 위해 수행 된 실험을 사용하여 우리의 방법이 설명되어 있습니다.

서론

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광학 드라이브 및 각종 광학 용도에 적합한 제어 방법은 여러가지 제안되었고, (2) (1)이 개발되었다. 이들 광학 액추에이터는 광학 경로를 제어 할 수있다; 검류계 거울은 특히 정확성, 속도, 이동성의 측면에서 좋은 균형을 제공하고, 5 4, 3 요. 실제로, 속도 및 갈바 노 미러의 정확도에 의해 제공되는 이점은 대상 추적과 도면, 주사 제어, 모션 블러 보정 6, 7, 8, 9, 10 등의 광학 용도의 다양한 실현하게되었다, 11, 12. 그러나 이전 모션 블러 보상 설치에시스템에서, 비례 - 적분 - 미분을 사용하여 검류계 미러 (PID) 제어기가 작은 이득을 제공; 따라서, 더 높은 주파수 및 더 빠른 속도 (11)를 달성하는 것은 어려웠다.

13는 정확도를 추적하는 특정 레벨을 만족시키는 한편, PID 제어는 널리 사용되는 방법이다. 다양한 방법이 PID 제어의 이득을 해결하기 위해 제안되었다. 일반적인 솔루션으로서, PID 제어 파라미터의 조정을 수동으로 행한다. 그러나, 유지하기 위해 시간과 특별한 기술이 걸립니다. 더 정교한 방법, 자동으로 매개 변수를 결정하는 오토 튜닝 기능이 제안되었다 널리 (14)를 사용한다. 고속 동작에 대한 추적 정밀도 때 비례 게인 값 P 증가 자동 선국 기능을 이용하여 개선된다. 그러나, 이것은 또한, 저속 영역에서의 수렴 시간 및 잡음을 증가시킨다. 따라서, 추적 정확도는 더는 없다t 반드시 개선되었다. 자체 조정 제어부는 PID 제어에 적합한 파라미터를 설정하도록 조정될 수 있지만, 상기 튜닝 때문에 적절한 파라미터를 획득하기 위해 필요한 지연을 도입; 따라서 실시간 애플리케이션 (15)에이 방법을 적용하기는 어렵다. 확장 된 PID 제어기 (16), (17) 및 확장 된 예측 제어기 (18)는 일반적인 PID 제어를 확장 및 삼각파, 톱니파 및 사인파로서 추적 경로의 다양한 갈바 노 미러의 추적 성능을 향상시키기 위해 제안되었다. 그러나, 이러한 시스템에서는, 갈바 시스템은 제어 시스템의 모델이 요구되었다 반면, 블랙 박스로 간주하고, 상기 제어 시스템은 블랙 박스로서 간주되지 않았다. 따라서, 이러한 방법은 각 갈바 노 미러에 대한 자신의 모델을 업데이트해야합니다. 또한 Mnerie 등 알 않는다. F들의 검증 방법자세한 출력 파형 및 위상에 ocusing, 그들의 연구는 전체 파의 감쇠를 포함하지 않았다. 정현파 주파수하여 전체 파장의 이득을 보상 할 필요성을 나타내는 높은 때 실제로, 우리의 이전 연구 11, 이득이 크게 감소 하였다.

이 연구에서, PID 제어부 (12)와 이득 보상을위한 우리의 방법은 통신에서의 통신 품질이나 속도를 향상시키기 위해 프리 - 엠 퍼시스 기법을 19, 20, 21 -a 방법에 기초 엔지니어링 이용한 실험계의 구성을 가능하게 기존 장비. 도 1은 유동 구조를 나타낸다. 프리 엠 퍼시스 기술은 미리 PID 제어가 유효하지 않은 입력 값에서 원하는 출력 값을 획득 할 수있다하더라도 검류계 미러 경우그 컨트롤러는 블랙 박스로 간주된다. 이 0 dB의 이득이 PID 제어 파라미터를 조정하지 않고 획득 될 수있는 주파수 및 진폭 범위를 확장하도록 할 수있다.

이득가 증폭되면, 갈바 노 미러의 응답 특성은 일반적으로 상이한 주파수에서 다르며, 따라서 증폭 계수를 각 주파수를 증폭해야한다. 각 정현파에 하나의 주파수가 이와 같이, 정현파는 프리 - 엠 퍼시스 기법에 적합하다. 우리는 모션 블러 보정을 수행하기 위해 이득 보상을 적용하기 때문에 본 연구에서는, 제어 신호는 사인파 스캐닝에 한정되고, 정현파 신호는 삼각형 톱니파 다른 파도와는 달리, 단일 주파수를 구성한다. 또한, 갈바 노 미러로 입력 신호 때문에 계수가 설정되는 프리 - 엠 퍼시스 한 후에 루프의 다음 사이클에서 즉시 갱신된다. 즉, 우리는 t이 필요O 블랙 박스로 간주하는 컨트롤러 만 입력 대 출력의 비율을 알아 상세한 모델링은 필요하지 않다. 이 단순함은 우리의 시스템은 쉽게 응용 프로그램에 포함 할 수 있습니다.

이 방법의 전체 목표는 프리 - 엠 퍼시스 기법을 이용하여 이득을 보상하여 응용 프로그램으로 모션 블러 보정의 실험 방법을 확립하는 것이다. 다수의 하드웨어 장치는 이러한 갈바 노 미러, 카메라, 컨베이어 벨트, 조명 및 렌즈로서, 다음 절차에 사용된다. C ++로 작성된 중앙 소프트웨어 사용자가 개발 한 프로그램은 시스템의 일부를 구성한다. 도 2는 실험 장치의 개략도를 나타낸다. 검류계 미러는, 이로써 화상에서 흐림의 양을 평가하기 위해, 이득 보상 각속도로 회전한다.

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프로토콜

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검류계 미러에 대한 이득 데이터의 1. 취득

  1. 이 진동하는 동안 손상으로부터 보호하기위한 안정화되도록 검류계 미러를 고정. 검류계 미러 원형 구멍 주문품 금속 지그를 사용하여 제자리에 고정되지 않는 경우, 갈바 노 미러, 또한 갈바 노 미러의 본문뿐만 움직인다. 광 캐리어와 광학 벤치로 지그를 고정.
  2. 검류계 미러의 서보 드라이버의 입력 위치 소켓 단자대 통해 AD / DA 보드에서 BNC 케이블을 연결한다.
  3. 프로그램도 3에 도시 된 바와 같이, 임의의 주파수, 진폭 및 지속 기간을 설정할 수있는 C ++, 함께 AD / DA 보드 SDK를 사용하여 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)로서 정현파 함수 발생기.
    주 : 시험은 여러 번 수행되므로이 ​​정의 함수 발생기는, 스텝 150에서 연속적인 실험에 대한 시간적 비용 절감에 기여한다. >
  4. 100 Hz에서 100 Hz의 간격에서 500 Hz로 변화하는 주파수를 설정하고, GUI에서 10 mV의 간격을 10mV 500 mV의로 변화시키는 진폭을 설정. 전반적으로, 250 개 조합이 존재한다. 250 개 조합을 테스트하기 위해 이중 루프 구현하기가 효율적입니다. 첫 번째 루프는 100 Hz에서 50 회 시행 500 ㎐, 주파수에 대한 것이다. 두번째 루프는 10mV로 50 회 500 mV의 구현에 대한 진폭이다.
  5. GUI의 기간 2,000 샘플링의 AD / DA 보드에 사인파 경로 신호를 추가합니다. 동시에, AD / DA 보드의 아날로그 값을 읽어 검류계 미러의 위치 신호를 기록한다. C ++에서 쓰기 위해 동일한 스레드를 사용하여 AD / DA 보드의 라이브러리를 사용하여 코딩 및 프로그래밍에 읽기. 이 식에 의해 갈바 노 미러 θ (저작 정보)의 현재 각도를 계산
    figure-protocol-1
    여기서 t는 시간,ES / ftp_upload / 55,431 / 55431eq3.jpg는 "/> ƒ는 주파수, 진폭이다.
  6. .csv 파일로 위치 신호 데이터를 저장하고 그 파일명의 주파수 및 진폭의 값을 포함한다.
  7. 반복 1.4 단계 - 250 반복 1.6.

2. 계산 프리 엠 퍼시스 계수를 가져 오기

  1. 노이즈의 영향을 피하기 위해 CSV 파일 (기록 신호)에 대한 메디안 필터를 적용한다. 메디안 필터의 공간 크기는 5이다.
  2. 도 4 (그래프는 정현파로의 데이터를 나타냄)에 나타낸 바와 같이, CSV 파일마다 MATLAB을 사용하여 (2를 곱한 크기에 대응하는)의 피크 - 피크 값을 계산하는 스크립트를 실행한다.
  3. 각각의 주파수에서의 선형성을 결정하는 그래프의 피크 간 데이터를 플롯하고, 플롯이 비선형 인 경우,도 5에 도시 된 바와 같이, 입력 된 진폭의 사용 영역을 제한한다.
    주 : 그래프의 직선 부분의 채도를 나타낸다PID 제어; 그러므로, 제어 규격의 한계를 보호하는 그것들의 사용을 피하는 것이 바람직하다.
  4. 각 주파수의 선형 보간 계수를 획득하기 위해 스프레드 시트의 피크 - 투 - 피크 데이터에 대한 선형 회귀 분석을 실행한다. 이 과정에서, 기울기 및 인터셉트 5 개 세트가 얻어진다. 이들은 각각 100 Hz에서 100 Hz에서 500 Hz의 주파수에서 행과 대응한다. 300 Hz에서의 직선 근사가도 5 (A)에 표시되며, 각 주파수의 선형 보간 계수를 표 1에 나타낸다.
  5. 이차 다중 선형 회귀를 이용하여, 각 주파수의 선형 보간 계수를 위해 스프레드 시트의 4 차 보간 계수 (프리 - 엠 퍼시스 계수)을 얻었다 사차 보간을 실행한다. 프리 엠 퍼시스 계수는 표 2에 나타낸다.
    참고 : 본 연구에서는 선형 보간 계수는 quadrati의 형태로 변화곡선 C; 오차가 최소 인 경우 그러나, 이러한 차 및 차 방정식으로서 기능하는 다른 형태는 적용된다.

프리 엠 퍼시스 기술을 바탕으로 3. 온라인 신호 증폭

  1. 갱신 된 입력 진폭 값을 계산하는 소프트웨어를 실행 figure-protocol-2 이상적인 입력 진폭 값으로부터 figure-protocol-3 상기 프리 - 엠 퍼시스 계수를 이용하여 주파수 ƒ.
    1. 는 C ++ 소프트웨어의 프리 엠 퍼시스 계수를 상수 값을 저장합니다. 장치가 업데이트 될 때,이 정수 값도 갱신된다.
    2. 기능을 프로그램
      figure-protocol-4
      및 C ++ 소프트웨어의 선형 보간 계수를 얻었다. A I 그들을 대체, I, B, C, I, I (D)를,방정식과 표 2에서 I를 전자.
    3. 기능을 프로그램
      figure-protocol-5
      은 C ++ 소프트웨어와 갱신 입력 된 진폭 값을 구하는 figure-protocol-6 대체합니다 figure-protocol-7 단계 3.1.2 얻었다 선형 보간 계수.
  2. 와 임의의 시간에 대해 1.6 - 반복 1.4 단계 figure-protocol-8 GUI.NOTE에 프리 - 엠 퍼시스 기법을 사용 : PID 제어의 영역의 포화를 피하기 최대 200 Hz에서 400 mV의 설정하려면, 200 mV의 최대 300 Hz에서 들면 100 mV의 최대 400 ㎐, 50 mV의 대 500 Hz에서까지합니다.
  3. 그래프 단계를 반복 2.2 플롯 첨두 데이터 이득의 향상을 볼 수있다.

모션 블러 COMPE 4. 실험nsation

  1. 텍스처 끈적을 준수 할 수있는 벨트를 사용하여 30km/h에서 이동할 수있는 컨베이어 벨트를 준비합니다. 주문품 컨베이어 벨트 등 속도 제어 모터, 철 고무 벨트와 함께 구성된다. 그것은 속도를 제어 할 수있는 준비가 만든 컨베이어 벨트로 대체 될 수있다.
  2. 인쇄 테이프에 미세 텍스처 패턴을 인쇄하고 컨베이어 벨트에 붙여 넣습니다.
    참고 : 붙여 넣기 질감은 그림 6에 표시됩니다. 줄무늬는 오픈 프레임 웍스의 도서관 "ofxPDF"를 사용하여 프로그램 및 사진 이미지는 포토 회사에서입니다 수 있습니다.
  3. 도 2에 도시 된 바와 같이, 예컨대, 카메라, 렌즈, 및 조명 광학 장치로서 설정. 카메라에 접속되는 렌즈 앞에 검류계 미러를 배치하고, 반송 벨트를 조명하는 조명 장소.
    1. 333 ㎐, MS의 노출 시간, 및 848 * 960 (폭 * 높이) 픽셀 수 카메라 주파수를 설정한다.
  4. 갈바 노 미러의 회전 타이밍과 카메라의 노광 시간을 동기화. 갈바 노 미러의 각도가 노출을 시작하는 위치가 도착하면 소프트웨어, 프로그램은 카메라 소프트웨어 트리거를 송신한다. 소프트웨어 트리거의 타이밍은도 7에 도시되어있다.
  5. 입력 컨베이어 벨트 (V)를 t (30km/h)와 컨베이어 벨트 L (3.0 m)로 카메라 거리의 속도는도 8에서와 같이 GUI의 갈바 노 미러의 각속도 ω 연구가 필요 계산할. 다음 ω R을 계산한다 :
    figure-protocol-9
  6. 입력도 8에서와 같이 GUI의 주파수 ƒ (330.0 Hz에서)가 원래의 입력 진폭을 계산 figure-protocol-10 . 계산하다수학 식 3 "SRC ="/ 파일 / ftp_upload / 55,431 / 55431eq3.jpg "/ 아래와>과 같이
    figure-protocol-11
  7. 복사 및 붙여 넣기 figure-protocol-12 다음과 같이 소스 코드에, 그리고 갈바 서보 드라이버에 대한 사전 강조 제어 값 θ와 검류계를 회전 :
    figure-protocol-13
    여기서 t는 시간이다. 그림 7은 θ가 계산되는 방법을 보여줍니다.
  8. 컨베이어 벨트 (V)를 t (30km/h)로 이동되어 기록 화상.
    참고 : 그림 9는 컨베이어 벨트의 움직임을 보여줍니다.

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결과

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여기에 제시된 결과는 AD / DA 보드 및 카메라를 사용하여 획득 하였다. 도 1은 프리 - 엠 퍼시스 기술의 절차를 도시 한 도면 따라서이 문서의 핵심이다. 이는 초기 상태 후의 PID 제어 파라미터를 설정하는 것이 불필요하다; 따라서, 온라인 과정은 매우 간단합니다.

도 10은 우리의 시스템으로 프리 - 엠 퍼시스 기법을 적용함으로써 얻어지는 결과를 나타낸다. 도 10 (A) 및도 10 (B)에 도시 된 바와 같이 각각 그 = x 및 거의 모든 진폭 플롯 라인 Y = 0dB에있는 Y 거의 모든 출력 플롯 라인에있는 것으로 밝혀졌다.

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토론

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이 문서에서는 PID 제어를 추적 고정밀 궤도를 달성하기 위해 사인파 주파수 범위를 확장 할 수있는 절차를 제공합니다. 갈바 노 미러의 응답을 그 관성에 의해 제한되기 때문에, 상기 제어 경로는 가파른 때 갈바 노 미러를 사용하는 것이 중요하다. 그러나,이 연구에서 우리는 제어의 사양을 개선하고 실험 결과를 획득하여 방법을 입증 할 수있는 방법을 제안한다.

우리의 절차, 단계 2.5는 가장 중요한 단계입니다. 우리는 임의의 주파수를 이용하는 선형 보간 계수의 프리 - 엠 퍼시스 계수를 얻었다. 이 단계없이, 우리는 이산 주파수를 사용할 수 있습니다. 우리의 절차는 오프라인과 온라인 부분을 모두 가지고있다. 오프라인 부분은 초기 단계에서 장치를 사용하기 위해 필요하다; 하지만, 프리 엠 퍼시스의 취득은 시간이 걸린다. 그러므로, 자동 프로세스에 직접로부터 시프트 분별한다. 2.4 단계에서 우리는 한수동으로 데이터의 비선형 부분을 사용하고, 이는 선형성을 인식하는 기능을 갖는 자...

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공개 사항

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저자가 공개하는 게 없다.

감사의 글

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저자는 어떤 승인이 없습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
검류계 미러Cambridge TechnologyM3s X 축
맞춤형 금속 지그ASKK-검류계 미러용 원형 구멍 포함
광학 캐리어SIGMAKOKICAA-60L
광학 벤치SIGMAKOKIOBT-1500LH
오실로스코프TektronixMSO 4054
AD/DA 보드인터페이스PCI-361216
PCDELLPrecision T3600
갈바노미터 미러 서보 컨트롤러Cambridge TechnologyMinisax
렌즈NikonAF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II 
고속 카메라MikrotronEosens MC4083단종되었지만 MC4087로 판매되었습니다. 케이블 연결은 MC4083
컨베이어 벨트ASUKA-속도 제어 모터 (BX5120A-A Oriental Motor 제작), 철 고무 벨트 (100-F20-800A-J NOK 제조) 등
인쇄 테이프A-oneF20A4-6
사진 질감Shutterstock, Inc.231357754미세 회로가 있는 인쇄된 컴퓨터 마더보드,
터미널 블록인터페이스TNS-6851B
CoaXPress 보드AVALDATAAPX-3664
MATLABmathworksMATLAB R2015a
와 다릅니다

참고문헌

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