Name: Metodologia kompensacji wzmocnienia dla sinusoidalnego skanowania zwierciadła galwanometru w regulacji proporcjonalno-całkowo-różnicowej z wykorzystaniem technik preemfazy (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-04-04T12:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 1 s
Description: Poznaj metodę kompensacji wzmocnienia zwierciadła galwanometru przy sinusoidalnym skanowaniu z regulacją PID i preemfazą. Technika eliminuje rozmycie ruchu bez dodatkowego sprzętu w inżynierii optycznej.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

1. Uzyskiwanie danych wzmocnienia dla lustra galwanometru
<ol>
	<li>Umocuj lustro galwanometru w taki sposób, aby było stabilizowane i chronione przed uszkodzeniem podczas oscylacji. Jeśli nie zostanie zamocowane za pomocą specjalnie wykonanego metalowego uchwytu z okrągłym otworem na lustro galwanometru, porusza się nie tylko samo lustro, ale także obudowa galwanometru. Zamocuj uchwyt na nośniku optycznym i na stole optycznym.</li>
	<li>Podłącz przewody BNC z płyty AD/DA poprzez blok zaciskowy do wejściowych gniazd sygnału i pozycji w sterowniku serwomechanizmu lustra galwanometru.</li>
	<li>Zaprogramuj generator funkcji sinusoidalnych jako graficzny interfejs użytkownika (GUI) za pomocą zestawu SDK płyty AD/DA w języku C++, umożliwiający ustawienie dowolnej częstotliwości, amplitudy i czasu trwania, jak pokazano na ryc. 3. 
	UWAGA: Ten dostosowany generator funkcji przyczynia się do skrócenia czasu potrzebnego na ciągłe powtarzanie prób w kroku 1.5, ponieważ próba jest wykonywana wielokrotnie.</li>
	<li>Ustaw częstotliwość w zakresie od 100 Hz do 500 Hz z krokiem co 100 Hz oraz amplitudę w zakresie od 10 mV do 500 mV z krokiem co 10 mV w interfejsie GUI. Łącznie istnieje 250 kombinacji. Aby przetestować 250 kombinacji, efektywnym rozwiązaniem jest zastosowanie podwójnej pętli. Pierwsza pętla dotyczy częstotliwości od 100 Hz do 500 Hz i jest wykonywana 5 razy. Druga pętla dotyczy amplitud od 10 mV do 500 mV i jest wykonywana 50 razy.</li>
	<li>Dodaj sygnał ścieżki fali sinusoidalnej do płyty AD/DA na 2000 próbek jako czas trwania w GUI. Jednocześnie rejestruj sygnał pozycji lustra galwanometru, aby odczytać wartość analogową z płyty AD/DA. W kodzie C++ z wykorzystaniem biblioteki płyty AD/DA, użyj tego samego wątku do zapisu i odczytu w programowaniu. Oblicz aktualny kąt lustra galwanometru θ (informacja do zapisu) za pomocą równania 
	<img alt="Równanie trygonometryczne dla ruchu oscylacyjnego, θ=A_in sin(2πft), reprezentacja matematyczna." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> 
	gdzie t to czas, <img alt="Pojęcie równowagi statycznej, ΣFx=0, równanie, badanie mechaniki, wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> to amplituda, ƒ to częstotliwość.</li>
	<li>Zapisz dane sygnału pozycji jako plik .csv, włączając do nazwy pliku wartości częstotliwości i amplitudy.</li>
	<li>Powtórz kroki od 1.4 do 1.6 łącznie 250 razy.</li>
</ol>
2. Obliczenie współczynników wstępnej korekcji
<ol>
	<li>Zastosuj filtr medianowy do plików csv (zarejestrowane sygnały), aby uniknąć wpływu szumów. Rozmiar przestrzenny filtra medianowego wynosi 5.</li>
	<li>Uruchom skrypt do obliczenia wartości międzyszczytowej (odpowiadającej amplitudzie pomnożonej przez 2), używając oprogramowania MATLAB dla każdego z plików csv, jak pokazano na rysunku 4 (wykres przedstawia dane ścieżki w kształcie fali sinusoidalnej).</li>
	<li>Wykreśl dane międzyszczytowe na wykresie, aby określić liniowość dla każdej częstotliwości, oraz ogranicz zakres stosowania amplitudy wejściowej, gdy wykresy są nieliniowe, jak pokazano na rysunku 5. 
	UWAGA: Nieliniowa część wykresu oznacza nasycenie sterowania PID; dlatego zaleca się unikanie tych obszarów, aby zapewnić przestrzeganie ograniczeń specyfikacji sterowania.</li>
	<li>Wykonaj regresję liniową dla danych międzyszczytowych w arkuszu kalkulacyjnym, aby uzyskać współczynniki interpolacji liniowej dla każdej częstotliwości. W tym procesie uzyskuje się pięć zestawów współczynników nachylenia i wyrazów wolnych. Odpowiadają one częstotliwościom od 100 Hz do 500 Hz co 100 Hz. Przybliżona prosta linia dla 300 Hz jest przedstawiona na rysunku 5(A), a współczynniki interpolacji liniowej dla poszczególnych częstotliwości zamieszczono w tabeli 1.</li>
	<li>Korzystając z kwadratowej regresji liniowej wielokrotnej, wykonaj interpolację czwartego stopnia, aby uzyskać współczynniki interpolacji czwartego stopnia (współczynniki preemphasis) w arkuszu kalkulacyjnym dla współczynników interpolacji liniowej każdej częstotliwości. Współczynniki preemphasis przedstawiono w tabeli 2. 
	UWAGA: W tym badaniu współczynniki interpolacji liniowej zmieniają się zgodnie z krzywą kwadratową; jednakże inne typy funkcji, takie jak równania kwadratowe i sześcienne, mogą być stosowane, jeśli błąd jest minimalny.</li>
</ol>
3. Wzmacnianie sygnału w trybie online oparte na technice preemfazy
<ol>
	<li>Uruchom oprogramowanie, które oblicza zaktualizowaną wartość amplitudy wejściowej <img alt="Równanie statycznej równowagi; ΣFx=0; ΣFy=0; Στ=0; diagram; siły wektorowe, analiza momentu siły." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> na podstawie idealnej wartości amplitudy wejściowej <img alt="Pojęcie statycznej równowagi, ΣFx=0, równanie, badanie mechaniki, wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> oraz częstotliwości ƒ, wykorzystując współczynniki preemfazy.
	<ol>
		<li>Zapisz współczynniki preemfazy jako stałe wartości w oprogramowaniu C++. Po aktualizacji urządzenia te wartości stałe są również aktualizowane.</li>
		<li>Zaprogramuj funkcję 
		<img alt="Równanie dopasowania wielomianowego; wyrażenie algebraiczne; modelowanie danych naukowych; analiza matematyczna." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 7"> 
		w oprogramowaniu C++ i uzyskaj współczynniki interpolacji liniowej. Podstaw je do ai, bi, ci, di oraz ei w równaniu i Tabela 2.</li>
		<li>Zaprogramuj funkcję 
		<img alt="Równanie wzoru chemicznego, A'in = k(o,f) Ain + k(1,f), metoda analizy kinetyki." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq13.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 13"> 
		w oprogramowaniu C++ i uzyskaj zaktualizowaną wartość amplitudy wejściowej <img alt="Równanie statycznej równowagi; ΣFx=0; ΣFy=0; Στ=0; diagram; siły wektorowe, analiza momentu siły." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5">, którą należy podstawić za <img alt="Pojęcie statycznej równowagi, ΣFx=0, równanie, badanie mechaniki, wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> oraz współczynniki interpolacji liniowej uzyskane w kroku 3.1.2.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Powtórz kroki 1.4–1.6 dowolną liczbę razy, stosując <img alt="Równanie statycznej równowagi; ΣFx=0; ΣFy=0; Στ=0; diagram; siły wektorowe, analiza momentu siły." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 5"> i technikę preemfazy w interfejsie graficznym. UWAGA: Aby uniknąć nasycenia zakresu sterowania PID, ustaw 400 mV do 200 Hz, 200 mV do 300 Hz, 100 mV do 400 Hz oraz 50 mV do 500 Hz.</li>
	<li>Powtórz krok 2.2 i sporządź wykres danych międzyszczytowych, aby ocenić poprawę wzmocnienia.</li>
</ol>
4. Eksperyment dotyczący kompensacji rozmycia ruchowego
<ol>
	<li>Przygotuj taśmę przenośną, która może poruszać się z prędkością 30 km/h, używając taśmy mogącej przylegać do powierzchni lepkich. Taśma przenośna wykonana na zamówienie składa się z silnika z regulacją prędkości, taśmy gumowej stalowej i innych elementów. Można ją zastąpić gotową taśmą przenośną, która umożliwia regulację prędkości.</li>
	<li>Wyprintuj wzór o drobnej fakturze na taśmie nadrukiwanej i przyklej go na taśmie przenośnej. 
	NOTKA: Naklejona faktura pokazana jest na rysunku 6. Paski zostały zaprogramowane za pomocą biblioteki „ofxPDF” w openFrameworks, a obraz fotograficzny pochodzi od firmy dostarczającej zdjęcia stockowe.</li>
	<li>Ustaw urządzenia optyczne, takie jak kamera, obiektyw i oświetlenie, jak pokazano na rysunku 2. Umieść lusterko galwanometryczne przed obiektywem połączonym z kamerą oraz ustaw oświetlenie tak, aby oświetlać taśmę przenośną.
	<ol>
		<li>Ustaw częstotliwość kamery na 333 Hz, czas ekspozycji na 1 ms, a liczbę pikseli na 848 × 960 (szerokość × wysokość).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Synchronizuj chwilę obrotu lusterka galwanometrycznego z czasem ekspozycji kamery. W oprogramowaniu, gdy kąt lusterka galwanometrycznego osiągnie pozycję rozpoczęcia ekspozycji, program wysyła sygnał wyzwalający (software trigger) do kamery. Czas wysłania sygnału wyzwalającego pokazano na rysunku 7.</li>
	<li>Wprowadź do interfejsu graficznego (GUI) jak pokazano na rysunku 8, prędkość taśmy przenośnej vt (30 km/h) oraz odległość od kamery do taśmy przenośnej L (3,0 m), aby obliczyć wymaganą prędkość kątową ωr lusterka galwanometrycznego. ωr oblicza się według wzoru: 
	<img alt="Równanie równowagi statycznej: ωr = 2tan⁻¹(vt/L); wyrażenie matematyczne do analizy." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq18.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 18"></li>
	<li>Wprowadź częstotliwość ƒ (330,0 Hz) w interfejsie graficznym (GUI) jak na rysunku 8, aby obliczyć pierwotną amplitudę wejściową <img alt="Koncepcja równowagi statycznej, ΣFx=0, równanie, badanie mechaniki, wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3">. Oblicz <img alt="Koncepcja równowagi statycznej, ΣFx=0, równanie, badanie mechaniki, wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> według wzoru: 
	<img alt="Równanie równowagi statycznej, Ain=ωr/4f, wzór stosowany w obliczeniach fizycznych." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq19.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 19"></li>
	<li>Skopiuj i wklej <img alt="Koncepcja równowagi statycznej, ΣFx=0, równanie, badanie mechaniki, wzór fizyczny." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3"> do kodu źródłowego i obracaj lusterko galwanometryczne z wyprzedzeniem z wartością sterującą θ dla sterownika serwomechanizmu lusterka galwanometrycznego według wzoru: 
	<img alt="Wzór ruchu kątowego θ=A'in sin(2πft), równanie matematyczne do analizy ruchu oscylacyjnego." src="/files/ftp_upload/55431/55431eq20.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 20"> 
	gdzie t oznacza czas. Figure 7 ilustruje sposób obliczania θ na podstawie A.</li>
	<li>Nagrywaj obrazy, gdy taśma przenośna porusza się z prędkością vt (30 km/h). 
	NOTKA: Figure 9 ilustruje ruch taśmy przenośnej.</li>
</ol>

<ol><li>Bass, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBass%2C+M+%22Handbook+Of+Optics%22">Handbook Of Optics</a>. 3, 2nd ed, (1995).</li>
<li>Marshall, G. F., Stutz, G. E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMarshall%2C+GF+%22Handbook+of+optical+and+laser+scanning%22">Handbook of optical and laser scanning</a>. , CRC Press. (2011).</li>
<li>Aylward, R. P. <a target="_blank" href="http://www.emeraldinsight.com/doi/abs/10.1108/02602280310481968">Advanced galvanometer-based optical scanner design.</a> Sensor Rev. 23 (3), 216-222 (2003).</li>
<li>Duma, V., Rolland, J. P., Group, O., Vlaicu, A., Ave, R. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=1840700">Advancements on galvanometer scanners for high-end applications.</a> Proc SPIE. 8936, Cm 1-12 (2014).</li>
<li>Duma, V. -F., Lee, K., Meemon, P., Rolland, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+investigations+of+the+scanning+functions+of+galvanometer-based+scanners+with+applications+in+OCT%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Opt%22%5BJournal%5D)">Experimental investigations of the scanning functions of galvanometer-based scanners with applications in OCT.</a> Appl Opt. 50 (29), 5735-5749 (2011).</li>
<li>Wang, C., Shumyatsky, P., Zeng, F., Zevallos, M., Alfano, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Computer-controlled+optical+scanning+tile+microscope%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+opt%22%5BJournal%5D)">Computer-controlled optical scanning tile microscope.</a> Appl opt. 45 (6), 1148-1152 (2006).</li>
<li>Jofre, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fast+beam+steering+with+full+polarization+control+using+a+galvanometric+optical+scanner+and+polarization+controller%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Exp%22%5BJournal%5D)">Fast beam steering with full polarization control using a galvanometric optical scanner and polarization controller.</a> Opt Exp. 20 (11), 12247-12260 (2012).</li>
<li>Liu, X., Cobb, M. J., Li, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+scanning+all-reflective+optical+delay+line+for+real-time+optical+coherence+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+lett%22%5BJournal%5D)">Rapid scanning all-reflective optical delay line for real-time optical coherence tomography.</a> Opt lett. 29 (1), 80-82 (2004).</li>
<li>Li, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laser+beam+scanning+by+rotary+mirrors.+II.+Conic-section+scan+patterns%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+opt%22%5BJournal%5D)">Laser beam scanning by rotary mirrors. II. Conic-section scan patterns.</a> Appl opt. 34 (28), 6417-6430 (1995).</li>
<li>Duma, V. I. L., Tankam, P. A., Huang, J. I., Won, J. U., Rolland, J. A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+galvanometer+scanning+for+optical+coherence+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+opt%22%5BJournal%5D)">Optimization of galvanometer scanning for optical coherence tomography.</a> Appl opt. 54 (17), 5495-5507 (2015).</li>
<li>Hayakawa, T., Watanabe, T., Ishikawa, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+high-speed+motion+blur+compensation+system+based+on+back-and-forth+motion+control+of+galvanometer+mirror%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+Exp%22%5BJournal%5D)">Real-time high-speed motion blur compensation system based on back-and-forth motion control of galvanometer mirror.</a> Opt Exp. 23 (25), 31648-31661 (2015).</li>
<li>Hayakawa, T., Watanabe, T., Senoo, T., Masatoshi, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gain-compensated+sinusoidal+scanning+of+a+galvanometer+mirror+in+proportional-integral-+differential+control+using+the+pre-emphasis+technique+for+motion-blur+compensation%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+opt%22%5BJournal%5D)">Gain-compensated sinusoidal scanning of a galvanometer mirror in proportional-integral- differential control using the pre-emphasis technique for motion-blur compensation.</a> Appl opt. 55 (21), 5640-5646 (2016).</li>
<li>Visioli, R. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVisioli%2C+R+%22Practical+PID+Control%22">Practical PID Control</a>. , Springer-Verlag London. London. (2006).</li>
<li>Vilanova, R., Visioli, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVilanova%2C+R+%22PID+Control+in+the+Third+Millennium%22">PID Control in the Third Millennium</a>. , Springer-Verlag London. London. (2012).</li>
<li>Ortega, R., Kelly, R. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/4158562/">PID Self-Tuners: Some Theoretical and Practical Aspects.</a> IEEE Transa Ind Electron. 31 (4), 332-338 (1984).</li>
<li>Mnerie, C., Preitl, S., Duma, V. -F. <a target="_blank" href="http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=1687383">Mathematical model of a galvanometer-based scanner: simulations and experiments.</a> Proc SPIE. 8789, 878915(2013).</li>
<li>Mnerie, C. A., Preitl, S., Duma, V. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6608952/">Performance Enhancement of Galvanometer Scanners Using Extended Control Structures.</a> 8th IEEE International Symposium on Applied Computational Intelligence and Informatics. , 127-130 (2014).</li>
<li>Mnerie, C., Preitl, S., Duma, V. -F. <a target="_blank" href="http://spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.2043034">Control architectures of galvanometer-based scanners for an increased precision and a faster response.</a> Proc of SPIE. 8925, 892500(2014).</li>
<li>Farjad-rad, R., Member, S., Yang, C. K., Horowitz, M. A., Lee, T. H. <a target="_blank" href="http://www-smirc.stanford.edu/papers/VLSI98p-ramin.pdf">A 0.4- m CMOS 10-Gb/s 4-PAM Pre-Emphasis Serial Link Transmitter.</a> IEEE J Solid-State Circuits. 34 (5), 580-585 (1999).</li>
<li>Buckwalter, J. F., Meghelli, M., Friedman, D. J., Hajimiri, A. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/1637603/">Phase and amplitude pre-emphasis techniques for low-power serial links.</a> IEEE Journal of Solid-State Circuits. 41 (6), 1391-1398 (2006).</li>
<li>Le, S., Blow, K., Turitsyn, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Power+pre-emphasis+for+suppression+of+FWM+in+coherent+optical+OFDM+transmission%5BTitle%5D)+AND+%22Opt+exp%22%5BJournal%5D)">Power pre-emphasis for suppression of FWM in coherent optical OFDM transmission.</a> Opt exp. 22 (6), 7238-7248 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

W artykule przedstawiono procedurę zdolną do rozszerzenia zakresu częstotliwości fali sinusoidalnej w celu uzyskania bardzo dokładnego śledzenia trajektorii z regulacją PID. Ponieważ responsywność lustra galwanometru jest ograniczona przez jego bezwładność, bardzo ważne jest, aby używać lustra galwanometru, gdy ścieżka sterowania jest stroma. Jednak w tych badaniach proponujemy metodę poprawy specyfikacji kontroli, a następnie udowadniamy metodę poprzez uzyskanie wyników eksperymentalnych.
W n...

Zaproponowano i opracowano różne siłowniki optyczne i metody sterowania odpowiednie do różnych zastosowań optycznych1,2. Te siłowniki optyczne są w stanie kontrolować ścieżkę optyczną; Lustra galwanometryczne zapewniają szczególnie dobrą równowagę pod względem dokładności, szybkości, mobilności i kosztów3,4,5. W rzeczywistości przewaga wynikająca z szybkości i dokładności zwierciadeł galwanometrycznych doprowadziła do realizacji różnorodnych zastosowań optycznych, takich jak śledzenie i rysowanie celów, kontrola skanowania i kompensacja rozmycia ruchu6,7,8,9,10,11,12. Jednak w naszym poprzednim systemie kompensacji rozmycia ruchu zwierciadło galwanometryczne wykorzystujące regulator proporcjonalno-całkująco-różnicowy (PID) zapewniało niewielkie wzmocnienie; W związku z tym trudno było osiągnąć wyższą częstotliwość i większą prędkość11.
Z drugiej strony, kontrola PID jest powszechnie stosowaną metodą, ponieważ spełnia pewien poziom dokładności śledzenia13. Zaproponowano różne metody korygowania wzmocnienia w regulacji PID. Typowym rozwiązaniem jest dostrajanie parametrów regulacji PID w sposób ręczny. Jednak utrzymanie go wymaga czasu i specjalnych umiejętności. Zaproponowano bardziej wyrafinowaną metodę, funkcję automatycznego dostrajania do automatycznego określania parametrów, która jest szeroko stosowana14. Dokładność śledzenia w przypadku operacji z dużą prędkością jest poprawiana dzięki funkcji automatycznego dostrajania, gdy proporcjonalna wartość wzmocnienia P wzrasta. Zwiększa to jednak również czas konwergencji i hałas w zakresie niskich prędkości. W związku z tym dokładność śledzenia niekoniecznie ulega poprawie. Chociaż regulator samodostrajający może być dostrojony tak, aby ustawiał odpowiednie parametry dla regulacji PID, strojenie wprowadza opóźnienie ze względu na konieczność uzyskania odpowiednich parametrów; Dlatego trudno jest zastosować tę metodę w aplikacjach czasu rzeczywistego15. Zaproponowano rozszerzony regulator PID16,17 oraz rozszerzony regulator predykcyjny18 w celu rozszerzenia ogólnej kontroli PID i zwiększenia wydajności śledzenia luster galwanometrycznych dla różnych ścieżek śledzenia, takich jak fale trójkątne, fale piłokształtne i fale sinusoidalne. Jednakże w tych systemach system galwanometryczny był uważany za czarną skrzynkę, podczas gdy wymagany był model systemu sterowania, a system sterowania nie był uważany za czarną skrzynkę. W związku z tym metody te wymagają, aby ich model dla każdego lustra galwanometru został zaktualizowany. Co więcej, chociaż Mnerie i in. potwierdzili swoją metodę skupiania się na szczegółowej fali wyjściowej i fazie, ich badania nie obejmowały tłumienia całej fali. W rzeczywistości, w naszych poprzednich badaniach11, wzmocnienie było znacznie zmniejszone, gdy częstotliwość sinusoidalna była wysoka, co wskazuje na konieczność kompensacji wzmocnienia całej fali.
W tym badaniu, nasza procedura kompensacji zysku za pomocą kontroli PID12 opiera się na technice pre-emfazy19,20,21 — metoda poprawy jakości lub szybkości komunikacji w inżynierii komunikacyjnej — która umożliwia budowę eksperymentalnego systemu przy użyciu istniejącego sprzętu. Rysunek 1 przedstawia strukturę przepływu. Technika preemfazy jest w stanie uzyskać z góry pożądaną wartość wyjściową z wartości wejściowej, w której regulacja PID nie jest skuteczna, nawet jeśli lustro galwanometru i jego sterownik są uważane za czarne skrzynki. Dzięki temu mogą rozszerzyć zakres częstotliwości i amplitudy, w którym można uzyskać wzmocnienie 0 dB bez dostrajania parametrów regulacji PID.
Gdy wzmocnienie jest wzmacniane, charakterystyka odpowiedzi lustra galwanometru zazwyczaj różni się przy różnych częstotliwościach, dlatego musimy wzmocnić każdą częstotliwość za pomocą współczynników wzmocnienia. Tak więc fala sinusoidalna jest odpowiednia dla techniki preemfazy, ponieważ w każdej fali sinusoidalnej występuje tylko jedna częstotliwość. W tym badaniu, ponieważ stosujemy kompensację wzmocnienia w celu uzyskania kompensacji rozmycia ruchu, sygnał sterujący jest ograniczony do skanowania fali sinusoidalnej, a sygnał fali sinusoidalnej stanowi pojedynczą częstotliwość, w przeciwieństwie do innych fal, takich jak fale trójkątne i piłokształtne. Ponadto sygnał wejściowy do zwierciadła galwanometru jest aktualizowany natychmiast w następnym cyklu z powodu otwartej pętli po ustawieniu współczynników wstępnego nacisku. Innymi słowy, musimy znać tylko stosunek sygnału wejściowego do wyjściowego, aby traktować sterownik jako czarną skrzynkę, a szczegółowe modelowanie nie jest wymagane. Ta prostota pozwala na łatwe osadzenie naszego systemu w aplikacjach.
Ogólnym celem tej metody jest ustanowienie eksperymentalnej procedury kompensacji rozmycia ruchu jako zastosowania poprzez uzyskanie kompensacji za pomocą techniki preemfazy. W procedurach tych używanych jest wiele urządzeń sprzętowych, takich jak lustro galwanometru, kamera, przenośnik taśmowy, oświetlenie i obiektyw. Częścią systemu są również oprogramowanie centralne, programy tworzone przez użytkowników napisane w języku C++. Rysunek 2 przedstawia schemat konfiguracji eksperymentalnej. Lustro galwanometryczne obraca się z prędkością kątową z kompensacją wzmocnienia, umożliwiając w ten sposób ocenę stopnia rozmycia obrazów.

<table><tbody><tr><td>Lustro galwanometryczne</td><td>Cambridge Technology</td><td>M3s oś</td><td></td>X</tr><tr><td>Wykonany na zamówienie metalowy przyrząd</td><td>ASKK-Z</td><td></td> <td>okrągłym otworem na lustro galwanometru</td></tr><tr><td>Nośnik optyczny</td><td>SIGMAKOKI</td><td>CAA-60L</td><td></td></tr><tr><td>Ławka optyczna</td><td>SIGMAKOKI</td><td>OBT-1500LH</td><td></td></tr><tr><td>Oscyloskop</td><td>Tektronix</td><td>MSO 4054</td><td></td></tr><tr><td>AD/DA Interfejs płyty</td><td></td><td>PCI-361216</td><td></td></tr><tr><td>PC</td><td>DELL</td><td>Precision T3600</td><td></td></tr><tr><td>Galwanometr lustro kontroler serwo</td><td>Cambridge Technology</td><td>Minisax</td><td></td></tr><tr><td>Lens</td><td>Nikon</td><td>AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Szybka kamera</td><td>Mikrotron</td><td>Eosens MC4083</td><td>Wycofana z produkcji, ale sprzedawana jako MC4087. Połączenie kablowe różni się od MC4083</td></tr><tr><td>Przenośnik taśmowy</td><td>ASUKA-Z</td><td></td> <td>silnikiem kontroli prędkości (BX5120A-A firmy Oriental Motor), paskiem z gumy żelaznej (100-F20-800A-J wyprodukowanym przez NOK) i tak dalej</td></tr><tr><td>Taśma do druku</td><td>A-one</td><td>F20A4-6</td><td></td></tr><tr><td>Tekstura fotograficzna</td><td>Shutterstock, Inc.</td><td>231357754</td><td>Drukowana płyta główna komputera z mikroukładem, zbliżenie</td></tr><tr><td>Listwa zaciskowa</td><td>Interfejs</td><td>TNS-6851B</td><td></td></tr><tr><td>CoaXProdzonka główna</td><td>AVALDATA</td><td>APX-3664</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>mathworks</td><td>MATLAB R2015a</td><td></td></tr></tbody></table>

metodologia kompensacji wzmocnienia dla sinusoidalnego skanowania zwierciadła galwanometru w regulacji proporcjonalno-całkowo-różnicowej z wykorzystaniem technik preemfazy

Gain-compensation Methodology for a Sinusoidal Scan of a Galvanometer Mirror in Proportional-Integral-Differential Control Using Pre-emphasis Techniques

Lustra galwanometryczne są używane do zastosowań optycznych, takich jak śledzenie celów, rysowanie i kontrola skanowania, ze względu na ich dużą szybkość i dokładność. Jednak czułość zwierciadła galwanometru jest ograniczona przez jego bezwładność; W związku z tym wzmocnienie lustra galwanometru jest zmniejszone, gdy ścieżka sterowania jest stroma. W tym badaniu proponujemy metodę rozszerzania odpowiedniej częstotliwości za pomocą techniki preemfazy w celu skompensacji redukcji wzmocnienia luster galwanometru w śledzeniu ścieżki fali sinusoidalnej przy użyciu sterowania proporcjonalno-całkująco-różnicowego (PID). Technika preemfazy uzyskuje z góry wartość wejściową dla żądanej wartości wyjściowej. Stosując tę metodę do sterowania zwierciadłem galwanometru, obliczono surowe wzmocnienie zwierciadła galwanometru w każdej częstotliwości i amplitudzie do śledzenia ścieżki fali sinusoidalnej za pomocą regulatora PID. Tam, gdzie regulacja PID nie jest skuteczna, utrzymując wzmocnienie 0 dB w celu poprawy dokładności śledzenia trajektorii, możliwe jest rozszerzenie zakresu prędkości, w którym można uzyskać wzmocnienie 0 dB bez strojenia parametrów regulacji PID. Jeśli jednak występuje tylko jedna częstotliwość, wzmocnienie jest możliwe przy pojedynczym współczynniku preemfazy. Dlatego fala sinusoidalna jest odpowiednia dla tej techniki, w przeciwieństwie do fal trójkątnych i piłokształtnych. W związku z tym możemy zastosować technikę preemfazy, aby skonfigurować parametry z wyprzedzeniem i nie musimy przygotowywać dodatkowych aktywnych modeli sterowania i sprzętu. Parametry są aktualizowane natychmiast w następnym cyklu ze względu na otwartą pętlę po ustawieniu współczynników preemfazy. Innymi słowy, aby traktować sterownik jako czarną skrzynkę, musimy znać tylko stosunek sygnału wejściowego do wyjściowego, a szczegółowe modelowanie nie jest wymagane. Ta prostota pozwala na łatwe osadzenie naszego systemu w aplikacjach. Wyjaśniono naszą metodę wykorzystującą technikę preemfazy w systemie kompensacji rozmycia ruchu oraz eksperyment przeprowadzony w celu oceny tej metody.

Wyniki przedstawione w niniejszej pracy uzyskano przy użyciu płyty AD/DA i kamery. Rysunek 1 przedstawia procedurę techniki preemfazy; stanowi ona zatem rdzeń tego artykułu. Nie jest konieczne ustawianie parametrów sterowania PID po stanie inicjalizacji; proces online jest zatem znacznie uproszczony.
Rysunek 10 przedstawia wyniki uzyskane po zastosowaniu techniki preemfazy w naszym systemie. Jak...

Proponujemy metodę rozszerzenia odpowiedniej częstotliwości za pomocą techniki pre-emfazy. Metoda ta kompensuje redukcję wzmocnienia zwierciadła galwanometru w śledzeniu ścieżki fali sinusoidalnej za pomocą sterowania proporcjonalno-całkowo-różnicowego.

Metodologia kompensacji wzmocnienia dla sinusoidalnego skanowania zwierciadła galwanometru w regulacji proporcjonalno-całkowo-różnicowej z wykorzystaniem technik preemfazy

Galvanometer mirrors are used for optical applications such as target tracking, drawing, and scanning control because of their high speed and accuracy. ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zaprezentowanie techniki kompensacji redukcji wzmocnienia luster galwanometru podczas śledzenia ścieżki sinusoidalnej, z wykorzystaniem regulacji proporcjonalno-całkująco-różniczkującej do kompensacji rozmycia ruchu. Metoda ta może zostać zastosowana w inżynierii optycznej w takich zagadnieniach jak śledzenie celu, sterowanie skanowaniem oraz kompensacja rozmycia ruchu.Główną zaletą tej techniki jest to, że opiera się ona na wstępnie skonfigurowanych parametrach oraz stosunku wejścia do wyjścia i nie wymaga dodatkowych aktywnych modeli konturów ani sprzętu. Eksperyment należy przeprowadzić na stole optycznym. Należy również przygotować lustro galwanometru do zamontowania na stole.Lustro powinno znajdować się w specjalnie wykonanym uchwycie, aby zapobiec przesuwaniu się lustra i jego korpusu podczas oscylacji. Umieść uchwyt wraz z lustrem w uchwycie optycznym. Następnie przymocuj uchwyt do stołu optycznego, aby kontynuować.Steruj lustrem za pomocą komputera wyposażonego w kartę A/D D/A. Poprowadź prawidłowo podłączone kable z karty do lustra. Następnie podłącz kable do gniazd wejściowego i pozycjonującego lustra galwanometrycznego.Przy komputerze należy uruchomić graficzny interfejs użytkownika generatora funkcji sinusoidalnych. Zaprogramuj interfejs tak, aby przeprowadzić wiele prób przy jednoczesnej zmianie częstotliwości (Frequency) i amplitudy (Amplitude). W tym doświadczeniu zastosuj pętlę zewnętrzną obejmującą zakres częstotliwości.Ustaw częstotliwość minimalną na 100 Hertz. Ustaw częstotliwość maksymalną na 500 Hertz. Zwiększaj częstotliwość o 100 Hertz.Wewnętrzna pętla dotyczy amplitudy napięcia. Należy zastosować minimalne napięcie 10 millivolts. Jako maksymalne napięcie należy przyjąć 500 millivolts.Zwiększ napięcie o 10 millivoltów. Ustaw czas trwania sygnału ścieżki fali sinusoidalnej na 2000 próbek. Steruj lustrem za pomocą komputera, jednocześnie rejestrując sygnał jego położenia i wyznaczając jego kąt.Użyj osobnych plików do zapisywania danych dla każdej częstotliwości oraz każdego poziomu amplitudy napięcia. Po zebraniu wszystkich danych wykreśl amplitudę wyjściową jako funkcję amplitudy wejściowej dla każdej z częstotliwości. Zauważ, że dla niskich częstotliwości dane wykazują większą amplitudę wyjściową w funkcji amplitudy wejściowej niż w przypadku wysokich częstotliwości.Przedstawiono tutaj spadek wzmocnienia w funkcji częstotliwości, który jest kompensowany za pomocą tej techniki. Należy pominąć zachowanie nieliniowe i skupić się na przybliżonej części liniowej wykresów w celu wyznaczenia współczynników preemfazy. Do przeprowadzenia tego doświadczenia wymagany jest ruchomy obraz w polu widzenia lustra.Aby to osiągnąć, należy zastosować przenośnik taśmowy zdolny do poruszania się z prędkością 30 km/h. Obraz do tego doświadczenia, będący wzorem o drobnej teksturze, został wydrukowany na taśmie i naklejony na pas przenośnika. Teraz należy przejść do konfiguracji elementów optycznych.Ustaw aparat z teleobiektywem w taki sposób, aby za pomocą lustra galwanometru mógł on śledzić ruch taśmy przenośnika. Upewnij się, że lustro galwanometru jest podłączone do komputera sterującego z oprogramowaniem do preemfazy. Aby uzyskać obrazy dobrej jakości, oświetl taśmę przenośnika odpowiednim źródłem światła.Przy stanowisku pracy ustaw odpowiednią ostrość obiektywu dla wyświetlacza komputera. Następnie zsynchronizuj lustro i czas naświetlania kamery. Potem wprowadź ustawienia kamery dla oczekiwanych obrazów.Ten obraz przedstawia synchronizację wykorzystywaną przez oprogramowanie wyzwalające. Kąt lustra w funkcji czasu jest przedstawiony przez niebieską krzywą sinusoidalną. Funkcja trójkątna w kolorze czerwonym reprezentuje idealny kąt lustra dla skanowania w funkcji czasu.Wycentruj czas naświetlania w momencie, gdy kąt wynosi zero stopni i zmienia się z dodatnią prędkością kątową. Jest to punkt przecięcia obu krzywych. Skonfiguruj oprogramowanie tak, aby wyzwoliło aparat o połowę czasu naświetlania wcześniej i zakończyło naświetlanie o połowę tego czasu później.Za pomocą oprogramowania do preemfazy wprowadź prędkość taśmociągu w kilometrach na godzinę. Następnie wprowadź odległość od kamery do taśmy w metrach. Oprogramowanie obliczy wymaganą prędkość kątową.Następnie wprowadź częstotliwość, z jaką sterowane jest lustro. Oprogramowanie obliczy amplitudę wejściową. Wartość tej amplitudy należy wykorzystać w oprogramowaniu do preemfazy.Po wprowadzeniu wszystkich parametrów należy powrócić do przenośnika taśmowego. Uruchomić taśmę z prędkością ustawioną w oprogramowaniu w celu uzyskania obrazu w ruchu. Uruchomić oprogramowanie sterujące i rozpocząć rejestrację obrazów z kamery.Kontroler kompensuje bezwładność zwierciadła galwanometru, aby zredukować rozmycie obrazu. Przed zastosowaniem techniki preemfazy wykres sygnału wyjściowego w funkcji sygnału wejściowego prezentował się w ten sposób. Po zastosowaniu tej techniki wykres wygląda następująco.Prawie wszystkie wykresy wyjściowe znajdują się na linii y = x. Podobnie, przed zastosowaniem techniki preemfazy, tak wyglądał wykres wzmocnienia w funkcji sygnału wejściowego. Po zastosowaniu tej techniki prawie wszystkie wykresy amplitudy znajdują się na linii y = 0 dB.Jest to obraz przedmiotu umieszczonego na taśmociągu, przedstawiony w stanie spoczynku taśmy. Niebieska linia wskazuje miejsce, w którym wykonano profil widoczny po prawej stronie. Jest to ten sam obraz w sytuacji, gdy taśmociąg porusza się z prędkością 30 km/h i nie jest aktywna żadna kompensacja rozmycia ruchu.Tutaj zastosowano kompensację rozmycia ruchu, ale preemfaza jest nieaktywna. W tej końcowej wersji zarówno kompensacja rozmycia ruchu, jak i technika preemfazy są aktywne. Stanowi to znaczną poprawę w stosunku do dwóch pozostałych opcji.Po opanowaniu ta technika może zostać wykonana w ciągu godziny, jeśli jest przeprowadzana prawidłowo. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie inżynierii optycznej do badania kompensacji rozmycia ruchu w skanowaniu o wysokiej prędkości.

gain-compensation-methodology-for-sinusoidal-scan-galvanometer-mirror

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystujemy interfejs maszyna-mucha w pętli zamkniętej do badania ogólnych zasad kontroli neuronalnej.

Platforma eksperymentalna do badania wydajności interfejsów mózg-maszyna w pętli zamkniętej

Opisano pełną konstrukcję niestandardowego systemu obrazowania konfokalnego z przeskanowaniem w czasie rzeczywistym. System ten, który może być łatwo wykorzystany do mikroskopii i mikroendoskopii w tempie wideo, umożliwia zastosowanie szeregu geometrii obrazowania i aplikacji niedostępnych w standardowych komercyjnych systemach konfokalnych, przy ułamku ich kosztów.

Skaningowa mikroskopia konfokalna w czasie rzeczywistym i mikroendoskopia

Spektroskopia pojemnościowa pojedynczego elektronu z sondą skanującą ułatwia badanie ruchu pojedynczego elektronu w zlokalizowanych obszarach podpowierzchniowych. Czuły obwód wykrywania ładunku jest wbudowany w kriogeniczny mikroskop skanujący w celu zbadania małych układów domieszek atomów pod powierzchnią próbek półprzewodnikowych.

Spektroskopia pojemnościowa jednoelektronowa z sondą skanującą

Solidna konstrukcja elektrostatycznych siłowników MEMS z obrzeżami pola skutkuje z natury niskimi warunkami tłumienia filmu ściskającego i długimi czasami stabilizacji podczas wykonywania operacji przełączania przy użyciu konwencjonalnego polaryzacji krokowej. Poprawa czasu przełączania w czasie rzeczywistym dzięki przebiegom dynamicznym prądu stałego skraca czas ustalania siłowników MEMS z polem obwódkowym podczas przechodzenia między stanami góra-dół i dół-dół-górę.

Metoda dynamicznego polaryzowania prądu stałego w czasie rzeczywistym w celu poprawy czasu przełączania w mocno niedotłumionych elektrostatycznych siłownikach MEMS z polem obrzeżnym

Nasycone i odwrócone saturable rozpraszanie zostały odkryte w izolowanych cząstkach plazmonicznych i przyjęte jako nowatorska metoda kontrastu bez wybielania w mikroskopii superrozdzielczej. Tutaj szczegółowo wyjaśniono eksperymentalne procedury wykrywania i ekstrakcji rozpraszania nieliniowego, a także sposoby zwiększenia rozdzielczości za pomocą nasyconej mikroskopii wzbudzenia.

Pomiar nieliniowości rozpraszania od pojedynczej nanocząstki plazmonicznej

W tym manuskrypcie opisana jest implementacja mikroskopu z wymuszonym rozpraszaniem Ramana (SRS), uzyskanego przez integrację eksperymentalnego zestawu SRS z laserowym mikroskopem skaningowym. Mikroskop SRS oparty jest na dwóch femtosekundowych (fs) źródłach laserowych, Ti-Sapphire (Ti:Sa) i zsynchronizowanym optycznym oscylatorze parametrycznym (OPO).

Wdrożenie mikroskopu nieliniowego opartego na wymuszonym rozpraszaniu Ramana

Mikroskopia stymulowanego rozpraszania Ramana (SRS) jest potężną, nieniszczącą i bezznacznikową techniką obrazowania. Jednym z pojawiających się zastosowań jest stymulowana histologia Ramana, w której dwukolorowe obrazowanie SRS w przejściach Ramana białek i lipidów jest wykorzystywane do generowania obrazów pseudo-hematoksyliny i eozyny. W tym miejscu demonstrujemy protokół dwukolorowego obrazowania SRS w czasie rzeczywistym w diagnostyce tkanek.

Dwukolorowe, stymulowane rozpraszaniem Ramana w czasie rzeczywistym mózgu myszy w celu diagnozowania tkanek

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Kluczowe etapy funkcjonowania białka, w szczególności zmiany konformacyjne szkieletu i reakcje transferu protonów, często odbywają się w skali od mikrosekund do milisekund. Te dynamiczne procesy można badać za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera ze skanowaniem czasowo-rozdzielczym, w szczególności w przypadku białek, których funkcja jest wyzwalana przez światło.

Transfer protonów i dynamika konformacji białek w białkach światłoczułych za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera ze skanowaniem czasowym i transformacją Fouriera

Metoda badania struktury fotoreceptora białkowego za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) jest opisana w tym artykule. PeakForce Quantitative Nanomechanical Property Mapping (PF-QNM) ujawnia nienaruszone dimery białkowe na powierzchni miki.

Mikroskopia sił atomowych fotoreceptorów światła czerwonego przy użyciu ilościowego mapowania właściwości nanomechanicznych PeakForce

Poznaj metodę kompensacji wzmocnienia zwierciadła galwanometru przy sinusoidalnym skanowaniu z regulacją PID i preemfazą. Technika eliminuje rozmycie ruchu bez dodatkowego sprzętu w inżynierii optycznej.

Metodologia kompensacji wzmocnienia dla sinusoidalnego skanowania zwierciadła galwanometru w regulacji proporcjonalno-całkowo-różnicowej z wykorzystaniem technik preemfazy (Wideo) | JoVE Journal

Metodologia kompensacji wzmocnienia dla sinusoidalnego skanowania zwierciadła galwanometru w regulacji proporcjonalno-całkowo-różnicowej z wykorzystaniem technik preemfazy

Przeglądaj więcej filmów