Metodologia ganho de compensação para uma varredura senoidal de um espelho Galvanômetro em Proporcional-Integral-Diferencial de controle usando técnicas de pré-ênfase

Resumo

Propomos um método para estender a frequência correspondente utilizando uma técnica de pré-ênfase. Este método compensa a redução de ganho de um espelho galvanométrico no caminho da onda de seno de acompanhamento usando controlo-integral-diferencial proporcional.

Resumo

espelhos galvanométricos são usados ​​para aplicações ópticas tais como o de seguimento do alvo, o desenho, e controlo de varrimento devido à sua elevada velocidade e precisão. No entanto, a capacidade de resposta de um espelho galvanométrico é limitada pela sua inércia; Assim, o ganho de um espelho galvanométrico é reduzida quando o caminho de controle é íngreme. Nesta pesquisa, propõe-se um método para estender a frequência correspondente utilizando uma técnica de pré-ênfase para compensar a redução de ganho de espelhos galvanométricos no caminho da onda de seno de acompanhamento usando controlo-integral-diferencial proporcional (PID). A técnica de pré-ênfase obtém um valor de entrada para um valor de saída desejado com antecedência. Aplicando este método para controlar o espelho galvanométrico, o ganho bruto de um espelho galvanométrico em cada frequência e amplitude para caminho-de onda sinusoidal de acompanhamento usando um controlador PID foi calculada. Onde o controle PID não é eficaz, mantendo um ganho de 0 dB para melhorar a precisão de rastreamento de trajetória, é possívelexpandir a gama de velocidades em que um ganho de 0 dB pode ser obtido sem ajustar os parâmetros de controle PID. No entanto, se houver apenas uma frequência, amplificação é possível com um único coeficiente de pré-ênfase. Portanto, uma onda sinusoidal é adequado para esta técnica, ao contrário de ondas triangulares e em dente de serra. Assim, podemos adotar uma técnica de pré-ênfase para configurar os parâmetros de antecedência, e não precisamos preparar modelos de controle de ativos adicionais e hardware. Os parâmetros são atualizados imediatamente no próximo ciclo por causa da malha aberta após os coeficientes de pré-ênfase está definido. Em outras palavras, a considerar o controlador como uma caixa preta, precisamos saber apenas o rácio input-to-saída e modelagem detalhada não é necessária. Esta simplicidade permite que nosso sistema para ser facilmente incorporado em aplicações. Nosso método usando a técnica de pré-ênfase para um sistema de compensação de movimento-borrão eo experimento realizado para avaliar o método são explicados.

Introdução

Vários actuadores ópticas e os métodos de controlo adequados para várias aplicações ópticas têm sido propostos e desenvolvidos ^{1, 2.} Estes actuadores ópticos são capazes de controlar o trajecto óptico; espelhos galvanômetro especialmente oferecer um bom equilíbrio em termos de precisão, velocidade, mobilidade e custam ^{3, 4, 5.} Na verdade, a vantagem oferecida pela velocidade e precisão de espelhos galvanométricos levou à realização de uma variedade de aplicações ópticas, tais como o de seguimento do alvo e desenho, de controlo de varrimento e de compensação ^{6, 7, 8, 9, 10} motion ^{blur, 11, 12.} No entanto, em nossa compensati motion-blur anteriorno sistema, um espelho galvanométrico utilizando um-integral-diferencial proporcional (PID) controlador fornecido um pequeno ganho; Por isso, foi difícil alcançar uma frequência mais elevada e uma velocidade mais rápida ^11.

Por outro lado, o controle PID é um método amplamente utilizado, uma vez que satisfaz um certo nível de precisão de acompanhamento ^13. Uma variedade de métodos têm sido propostos para corrigir o ganho no controle PID. Como uma solução típica, PID parâmetro controle de sintonia é realizada manualmente. No entanto, é preciso tempo e habilidade especial para manter. Um método mais sofisticado, uma função de auto-ajuste para determinar automaticamente os parâmetros, foi proposto e é amplamente utilizado ^14. A precisão de rastreamento para operações de alta velocidade é melhorada usando a função de auto-ajuste quando os proporcionais de valor ganho P aumenta. No entanto, isso também aumenta o tempo de convergência e de ruído na faixa de baixa velocidade. Por isso, a precisão de rastreamento não ét necessariamente melhorado. Embora um controlador de auto-ajuste pode ser ajustado para definir os parâmetros apropriados para controlo PID, o ajuste introduz um atraso devido à necessidade de obter os parâmetros adequados; portanto, é difícil adotar este método em aplicações em tempo real ^15. Um controlador PID prolongado ^{16, 17} e um controlador de previsão estendida ¹⁸ foram propostos para estender o controlo PID geral e para melhorar o desempenho de rastreio de espelhos galvanométricos por uma variedade de caminhos de rastreio, tais como ondas triangulares, ondas em dente de serra, e ondas sinusoidais. No entanto, em tais sistemas, o sistema galvanómetro foi considerada como uma caixa preta, ao passo que foi necessário um modelo do sistema de controlo, e o sistema de controlo não foi considerada como uma caixa preta. Assim, esses métodos requerem que o seu modelo para cada espelho galvanometer ser atualizado. Além disso, embora Mnerie et al. validado o seu método de focusing em uma onda de saída detalhada e fase, sua pesquisa não incluem a atenuação de toda a onda. Na verdade, na nossa investigação anterior ^11, o ganho foi significativamente reduzido quando a frequência sinusoidal era elevada, indicando, assim, a necessidade de compensar o ganho de toda a onda.

Nesta pesquisa, o nosso procedimento para a compensação de ganho com controle PID ¹² é baseado na técnica de pré-ênfase ^{19, 20, 21} -a método para melhorar a qualidade ou a velocidade de comunicação em comunicações de engenharia que permite a construção de um sistema experimental utilizando equipamentos existentes. A Figura 1 mostra a estrutura de escoamento. A técnica de pré-ênfase é capaz de obter antecipadamente o valor de saída desejada a partir de um valor de entrada, em que o controlo PID não é eficaz, mesmo se o espelho galvanométricoe seu controlador são considerados como caixas pretas. Isto lhes permite expandir a frequência e faixa de amplitude em que um ganho de 0 dB pode ser obtido sem ajustar os parâmetros de controle PID.

Quando o ganho é amplificado, as características de resposta do espelho galvanométrico geralmente diferem em diferentes frequências, e, por conseguinte, é necessário para amplificar cada frequcia com coeficientes de amplificação. Assim, uma onda sinusoidal é adequado para a técnica de pré-ênfase, como existe apenas uma frequência em cada onda seno. Nesta pesquisa, porque nós aplicar a compensação de ganho para realizar a compensação de movimento-blur, o sinal de controle é limitado a varredura de onda senoidal, e o sinal de onda senoidal constitui uma única freqüência, ao contrário de outras ondas, como ondas triangulares e dente de serra. Além disso, o sinal de entrada para o espelho galvanométrico é actualizada imediatamente no próximo ciclo, devido à malha aberta após o pré-ênfase coeficientes são definidos. Em outras palavras, precisamos de to saber apenas o rácio input-to-output a considerar o controlador como uma caixa preta, e modelagem detalhada não é necessária. Esta simplicidade permite que nosso sistema para ser facilmente incorporado em aplicações.

O objectivo global do presente método consiste em estabelecer um processo experimental de compensação de movimento-borrão como uma aplicação por compensação de ganho utilizando a técnica de pré-ênfase. dispositivos de hardware múltiplas são utilizados nestes processos, tais como um espelho galvanométrico, uma câmara, um transportador de correia, a iluminação, e uma lente. programas desenvolvidos pelo usuário de software Central escritos em C ++, também fazem parte do sistema. A Figura 2 mostra um esquema da montagem experimental. O espelho galvanométrico gira com uma velocidade angular com compensação de ganho, tornando assim possível avaliar a quantidade de borrão a partir das imagens.

Protocolo

1. Aquisição de Ganho de dados para um espelho Galvanômetro

1. Fixar o espelho galvanômetro de tal forma que é estabilizado para protegê-la de danos, enquanto oscilando. Não só o espelho galvanômetro, mas também o corpo do espelho galvanometer, move se não corrigidas no local usando um gabarito de metal feito por encomenda com um furo circular para o espelho galvanômetro. Fixar o dispositivo de montagem para uma portadora óptica e um banco óptico.
2. Conectar cabos BNC da placa de AD / DA através de um bloco de terminais para as tomadas de entrada e de posição no controlador servo do espelho galvanométrico.
3. Programa do gerador de função de onda senoidal como uma interface gráfica de utilizador (GUI), utilizando o SDK do bordo AD / DA com C ++, que é capaz de definir uma frequência arbitrária, amplitude e duração, como mostrado na Figura 3.
   NOTA: Este gerador de função personalizado contribui para a redução do custo temporais para ensaios contínuos na etapa 1.5, uma vez que o julgamento é realizado muitas vezes.
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4. Definir a frequência a variar de 100 Hz a 500 Hz, em intervalos de 100 Hz, e definir a amplitude a variar de 10 mV a 500 mV em 10-mV em intervalos a GUI. No geral, existem 250 combinações. Para testar combinações de 250, um circuito duplo é eficiente para implementar. O primeiro circuito é de frequências de 100 Hz a 500 Hz, que é implementada 50 vezes. O segundo circuito é para amplitudes de 10 mV a 500 mV, que é implementada para 50 vezes.
5. Adicionar o sinal de caminho-de onda senoidal na placa de AD / DA para 2.000 amostragens como duração na GUI. Simultaneamente gravar o sinal de posição do espelho galvanometer para ler o valor analógico do conselho AD / DA. Em C ++ codificação usando uma biblioteca de AD bordo / DA, use o mesmo fio para escrita e leitura na programação. Calcule o ângulo atual de θ espelho galvanometer (escrevendo informações) por esta equação
   
   onde t é o tempo,es / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg"/> é amplitude, ƒ é a frequência.
6. Guardar os dados do sinal posição como um arquivo .csv e incluem o valor da frequência e amplitude em seu nome de arquivo.
7. Repita os passos de 1,4-1,6 para 250 iterações.

2. Cálculo Chegar Coeficientes de pré-ênfase

1. Aplicar uma média filtro para o CSV arquivos (gravado sinais) para evitar ruídos efeitos. O tamanho espacial do filtro médio é de 5.
2. Executar o script para calcular o valor de pico-a-pico (correspondente com a amplitude multiplicado por 2), usando MATLAB para cada um dos arquivos CSV, como mostrado na Figura 4 (o gráfico representa os dados do caminho da onda de seno).
3. Determinar os dados de pico-a-pico em um gráfico para determinar a linearidade em cada frequência, e limitar o uso região da amplitude de entrada quando os lotes não são lineares, como mostrado na Figura 5.
   NOTA: A parte não-linear do gráfico representa a saturação deo controlo PID; Assim, é aconselhável evitar usá-los para assegurar a limitação de especificação de controlo.
4. Executar regressão linear dos dados de pico-a-pico em um folha de cálculo para obter os coeficientes de interpolação linear de cada frequência. Neste processo, são obtidos cinco conjuntos de pistas e intercepta. Eles correspondem com as frequências de 100 Hz a 500 Hz a 100 Hz cada. Uma aproximação da linha recta de 300 Hz é apresentada na Figura 5 (A), e os coeficientes de interpolação linear de cada uma das frequências estão apresentados na Tabela 1.
5. Usando regressão linear múltipla quadrática, executar interpolação quártico para obter os coeficientes de interpolação quárticas (coeficientes de pré-ênfase) na folha de cálculo para os coeficientes de interpolação linear de cada frequência. Os coeficientes de pré-ênfase são apresentados na Tabela 2.
   NOTA: Nesta pesquisa, os coeficientes de interpolação linear variam na forma de um quadratic curva; no entanto, outros tipos de funções, tais como as equações quadráticas e cúbicos, são aplicados, se o erro é mínima.

3. online amplificação de sinal com base na técnica de pré-ênfase

1. Executar o software que calcula o valor de amplitude de entrada atualizada a partir do valor ideal amplitude de entrada ea freqüência ƒ com base nos coeficientes de pré-ênfase.
   1. Salve os coeficientes de pré-ênfase valores como constantes no software C ++. Quando o dispositivo é atualizado, esses valores constantes também são atualizados.
   2. Programar uma função
      
      no software C ++ e obter os coeficientes de interpolação linear. Substituí-los por um _i, b _i, c _i, d _i,e e _i a partir da equação e Tabela 2.
   3. Programar uma função
      
      no C ++ software e obter um valor de amplitude de entrada atualizada para substituir e os coeficientes de interpolação linear que foram obtidas no passo 3.1.2.
2. Repita os passos 1,4-1,6 por vezes com arbitrárias utilizando a técnica de pré-ênfase na GUI.NOTE: Para evitar a saturação da região de controlo PID, definir 400 mV para até 200 Hz, 200 mV para até 300 Hz, 100 mV para até 400 Hz, e 50 mV para até 500 Hz.
3. Passo 2.2 e trama de dados de repetição de pico-a-pico como um gráfico para ver a melhora no ganho.

4. Experiência em Compe Motion-borrãonsation

1. Prepara-se uma correia transportadora, que pode mover-se em 30 km / h, usando uma correia que pode aderir a pegajoso texturas. A correia de transporte feito por medida é composto com um motor de controle de velocidade, uma correia de borracha de ferro, e assim por diante. Ele pode ser substituído com correia transportadora prontas que podem controlar a velocidade.
2. Imprimir um padrão de bem-textura em fita de impressão e colá-lo na correia transportadora.
   NOTA: A textura colado é mostrado na Figura 6. As listras são programados usando uma biblioteca "ofxPDF" em openFrameworks, e a imagem fotográfica é de uma empresa da fotografia.
3. Configurar os dispositivos ópticos, tais como uma câmara, uma lente, e uma iluminação, como mostrado na Figura 2. Colocar o espelho galvanométrico em frente da lente, que está ligado à câmara, e colocar a iluminação para iluminar a correia transportadora.
   1. Definir a frequência de câmara de 333 Hz, o tempo de exposição de 1 ms, e o número de pixels a 848 * 960 (largura * altura).
4. Sincronizar o tempo de rotação do espelho galvanômetro e o tempo de exposição da câmera. No software, quando o ângulo do espelho galvanometer chega a posição onde começar a exposição, o programa envia um gatilho de software para a câmera. O tempo de disparo de software está ilustrado na Figura 7.
5. Entrada a velocidade da correia transportadora v _t (30 km / h) e a distância a partir da câmara para o transportador de correia de L (3,0 m) para calcular necessária velocidade angular ω _r do espelho galvanométrico na GUI como na Figura 8. ω _r é calculado como se segue:
   
6. Entrada do ƒ frequência (330,0 Hz) na GUI como na Figura 8 para calcular a amplitude de entrada original . CalcularEquação 3" src = "/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg" /> como segue:
   
7. Copiar e colar no código fonte, e rodar o galvanómetro com o θ valor de controlo pré-enfatizado para o controlador servo galvanómetro como se segue:
   
   onde t é o tempo. A Figura 7 ilustra como θ é calculado a partir de uma.
8. Gravar imagens quando a correia transportadora está em movimento em v _t (30 km / h).
   NOTA: A Figura 9 ilustra o movimento da correia transportadora.

Resultados

Os resultados aqui apresentados foram obtidos usando uma placa de AD / DA e uma câmara. A Figura 1 mostra o processo da técnica de pré-ênfase; por conseguinte, é o núcleo de este artigo. Não é necessário definir os parâmetros do controle PID após o estado de inicialização; Assim, o processo on-line é significativamente simples.

A Figura 10 mostra os resultados obtidos através da aplicação da t...

Discussão

Este artigo apresenta um procedimento capaz de se expandir a faixa de freqüência de onda senoidal para alcançar alta precisão trajetória de rastreamento com controle PID. Porque a capacidade de resposta de um espelho galvanométrico é limitada pela sua inércia, é crítica a utilização de um espelho galvanométrico quando o caminho de controle é íngreme. No entanto, no presente estudo, é proposto um método para melhorar a especificação de controlo e, em seguida, o método provar a obtenção de resultados experimentais.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Espelho galvanômetro	Cambridge Technology	M3s Eixo
Gabarito de metal feito sob medida	ASKK-Com		orifício circular para espelho galvanômetro
Portador óptico	SIGMAKOKI	CAA-60L
Bancada óptica	SIGMAKOKI	OBT-1500LH
Osciloscópio	Tektronix	MSO 4054
AD/DA placa	Interface	PCI-361216
PC	DELL	Precision T3600
Galvanômetro espelho servo controlador	Cambridge Technology	Lente Minisax
	Nikon	AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II
Câmera de alta velocidade	Mikrotron	Eosens MC4083	Descontinuado, mas vendido como MC4087. A conexão do cabo é diferente da correia transportadora MC4083
	ASUKA	-	Com um motor de controle de velocidade (BX5120A-A fabricado pela Oriental Motor), correia de borracha de ferro (100-F20-800A-J fabricado pela NOK) e assim por diante
Fita imprimível	A-one	F20A4-6
Textura fotográfica	Shutterstock, Inc.	231357754	Placa-mãe de computador impressa com microcircuito, feche a
interface	do bloco de terminais	TNS-6851B
CoaXPress placa	AVALDATA	APX-3664
MATLAB	mathworks	MATLAB R2015a