מתודולוגיה רווח-פיצוי עבור סריקה סינוסי המראה גַלוָנוֹמֶטֶר ב פרופורציונלי-אינטגרל-דיפרנציאל בקרה באמצעות טכניקות טרום דגש

Summary

אנו מציעים שיטה להאריך את התדירות המתאימה באמצעות טכניקה טרום דגש. שיטה זו מפצה על הירידה ברווח של מראה גַלוָנוֹמֶטֶר בנתיב גל סינוס מעקב באמצעות שליטת הפרש יחסי-נפרד.

Abstract

מראה גַלוָנוֹמֶטֶר משמשים ליישומים אופטיים כגון מעקב יעד, ציור, ושליטת סריקה בגלל המהירות והדיוק הגבוהה שלהם. עם זאת, התגובה של מראה גַלוָנוֹמֶטֶר מוגבלת על ידי האינרציה שלה; ומכאן, הרווח של מראה גַלוָנוֹמֶטֶר מצטמצם כאשר נתיב הבקרה הוא תלול. במחקר זה, אנו מציעים שיטה להאריך את התדר המתאים באמצעות טכניקה-דגש מראש כדי לפצות על ירידה ברווח של מראות גַלוָנוֹמֶטֶר בנתיב גל סינוס מעקב באמצעות שליטה יחסית-אינטגרלי דיפרנציאלי (PID). הטכניקה טרום הדגש מקבלת ערך קלט עבור ערך תפוקה רצוי מראש. ע"פ שיטה זו כדי לשלוט במראה גַלוָנוֹמֶטֶר, הרווח הגולמי של מראה גַלוָנוֹמֶטֶר בכל תדירות אמפליטודה עבור נתיב גל סינוס מעקב באמצעות בקר PID חושב. איפה מלא PID אינו יעיל, שמירה על רווח של 0 dB כדי לשפר את דיוק מעקב מסלול, אפשרלהרחיב את טווח המהירות שבה רווח של 0 dB ניתן להשיג ללא כוונון הפרמטרים המלאים PID. עם זאת, אם יש תדר אחד בלבד, הגברה אפשרית עם מקדם טרום דגש יחיד. לכן, גל סינוס מתאים הטכניקה הזו, בניגוד גלי משולש זגזג. לפיכך, אנו יכולים לאמץ טכניקה טרום דגש להגדיר את הפרמטרים מראש, ואנחנו לא צריכים להכין מודלי בקרה פעילים נוספים וחומרה. הפרמטרים מתעדכנים מייד בתוך במחזור הבא בגלל הלולאה הפתוחה לאחר המקדמים טרום דגש נקבעים. במילים אחרות, כדי לראות את הבקר כמו קופסה שחורה, אנחנו צריכים לדעת רק את יחס קלט לפלט, וכן מודלים מפורטים אינה נדרשת. פשטות זו מאפשרת למערכת שלנו להיות מוטבעת בקלות ביישומים. השיטה שלנו באמצעות הטכניקה טרום דגש על מערכת פיצוי תנועה-לטשטש את הניסוי נערך על מנת להעריך את השיטה מוסברת.

Introduction

מפעיל שיטות שליטה אופטיות שונים מתאימות ליישומים אופטיים שונים הוצע ופתח ^{1, 2.} מפעילים אופטיים אלה מסוגלים לשלוט על הנתיב האופטי; מראה גַלוָנוֹמֶטֶר במיוחד להציע איזון טוב מבחינת דיוק, מהירות, ניידות, וכן אעלה ^{3, 4, 5.} למעשה, היתרון שמציע את המהירות ודיוק של מראות גַלוָנוֹמֶטֶר הוביל למימוש במגוון יישומים אופטיים, כגון מעקב יעד ציור, שליטת סריקה, ו-הצעה לטשטש פיצוי ^{6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.} עם זאת, ב compensati תנועת הטשטוש הקודם שלנועל מערכת, מראה גַלוָנוֹמֶטֶר באמצעות דיפרנציאלי יחסים-אינטגרלי (PID) בקר ספק רווח קטן; ומכאן, היה קשה להשיג תדירות גבוהה יותר, מהירה יותר ^11.

מצד השני, בקרת PID היא שיטה הנפוצה ביותר לשימוש, כפי שהוא מספק רמה מסוימת של מעקב דיוק ^13. מגוון של שיטות הוצע על מנת לתקן את הרווח בשליטת PID. כפתרון טיפוסי, כוונון פרמטר מלא PID מתנהל באופן ידני. עם זאת, זה לוקח זמן ומיומנות מיוחדת לשמור. שיטה מתוחכמת יותר, פונקצית auto-tuning כדי לקבוע את הפרמטרים באופן אוטומטי, הוצעה והוא בשימוש נרחב ^14. דיוק המעקב לפעולות במהירות גבוהה משתפר באמצעות פונקציית Auto-tuning כאשר עליות P ערך רווח היחסיות. עם זאת, זה גם מגדיל את זמן ההתכנסות ורעש בטווח במהירות נמוכה. לפיכך, דיוק המעקב שוםt בהכרח השתפר. למרות בקר כוונון עצמי יכול להיות מכוון להגדיר פרמטרים מתאימים לשליטה PID, כוונון עיכוב בשל הצורך להשיג פרמטרים מתאימים; לפיכך, קשה לאמץ שיטה זו ביישומים בזמן אמת ^15. בקר PID מורחב ^{16, 17} ו בקר חזוי מורחב ¹⁸ הוצעו על מנת להאריך בקרה כלכלית PID וכדי לשפר את ביצועי המעקב של מראות גַלוָנוֹמֶטֶר עבור מגוון רחב של מסלולי מעקב, כגון גלי משולש, גלי זגזג, ו גלי סינוס. עם זאת, במערכות אלה, מערכת גַלוָנוֹמֶטֶר נחשבה קופסא שחורה, ואילו מודל של מערכת הבקרה נדרש, ומערכת הבקרה לא נחשבה קופסא שחורה. לפיכך, שיטות אלו דורשות כי המודל שלהם עבור כל מראה גַלוָנוֹמֶטֶר להתעדכן. יתר על כן, למרות שאל Mnerie et. תוקף שיטת F שלהםocusing על גל ואת שלב פלט מפורט, המחקר שלהם לא כלל את ההנחתה של הגל כולו. למעשה, במחקר הקודם שלנו ^11, הרווח היה נמוך באופן משמעותי כאשר תדר סינוסי היה גבוה, ובכך המציין את הצורך לפצות על הרווח של הגל כולו.

במחקר זה, ההליך שלנו לפיצוי רווח עם שליטת PID ¹² מבוסס על הטכניקה-הדגש מראש ^{19, 20, 21} -a שיטה כדי לשפר את האיכות או מהירויות תקשורת בתחום תקשורת הנדסה המאפשרת בניית מערכת ניסיונית באמצעות ציוד קיים. איור 1 מציג את מבנה הזרימה. הטכניקה-הדגש מראש הוא מסוגל להשיג מראש את ערך התפוקה הרצוי ערך קלט, שבו שליטת PID היא לא יעילה, גם אם מראה גַלוָנוֹמֶטֶרוההחשבה נחשבת קופסות שחורות. זה מאפשר להם להרחיב את התדירות ואת הטווח משרעת שבו רווח של 0 dB ניתן להשיג ללא כוונון הפרמטרים המלאים PID.

כאשר הרווח מוגבר, מאפייני התגובה המראה גַלוָנוֹמֶטֶר נבדלים בדרך כלל בתדירויות שונות, ולכן, אנחנו צריכים להגביר כל תדר עם מקדמי הגברה. לפיכך, גל סינוס הוא מתאים את הטכניקה טרום דגש, כמו שיש רק בתדר אחד בכל גל סינוס. במחקר זה, כי אנחנו מיישמים פיצוי רווח כדי להשיג פיצוי תנועה-טשטוש, האות המלאה מוגבלת סריקת גל סינוס, ואת האות-גל סינוס מהווה תדר בודד, בניגוד גלים אחרים, כגון גלים משולשים זגזגו. יתר על כן, אות הקלט במראה גַלוָנוֹמֶטֶר מתעדכנת מייד בתוך במחזור הבא בגלל הלולאה הפתוחה לאחר נקבעים מקדמי-הדגש מראש. במילים אחרות, אנחנו צריכים to לדעת רק את יחס קלט לפלט להתייחס הבקר כמו קופסה שחורה, ועל מודלים מפורטים אינה נדרשת. פשטות זו מאפשרת למערכת שלנו להיות מוטבעת בקלות ביישומים.

המטרה הכוללת של שיטה זו היא להקים הליך ניסיוני של פיצוי תנועת טשטוש כיישום ידי פיצוי רווח באמצעות הטכניקה-הדגש מראש. התקני חומרה מרובים משמשים הליכים אלה, כגון מראה גַלוָנוֹמֶטֶר, מצלמה, מסוע, תאורה, ועדשה. תוכנות שפותחו משתמשים מרכזיים שנכתבו ב- C ++ גם מהוות חלק מהמערכת. איור 2 מראה סכמטי של הגדרת הניסוי. המראה גַלוָנוֹמֶטֶר מסתובב עם המהירות הזוויתית-פיצוי רווח, ובכך אפשר להעריך את כמות לטשטש מהתמונות.

Protocol

1. רכישת הנתונים רווחים עבור Mirror גַלוָנוֹמֶטֶר

1. תקן במראה גַלוָנוֹמֶטֶר כך הוא התייצב כדי להגן עליו מפני נזק תוך נדנוד. לא רק במראה גַלוָנוֹמֶטֶר, אלא גם את הגוף של המראה גַלוָנוֹמֶטֶר, נע אם לא קבוע במקום באמצעות לנענע מתכת מחוייט עם חור עגול עבור במראה גַלוָנוֹמֶטֶר. תקן לנענע גבי נושאת אופטית וכן ספסל אופטי.
2. חבריו כבלי BNC מלוח AD / DA דרך בלוק מסוף אל ארובות הקלט ומיקום של נהג סרוו המראה גַלוָנוֹמֶטֶר.
3. תכנית מחוללת פונקצית גל סינוס כמו ממשק משתמש גרפי (GUI) באמצעות ה- SDK של לוח AD / DA עם C ++, אשר מסוגל לקבוע תדירות שרירותית, משרעת, ומשך, כפי שמוצג באיור 3.
   הערה: מחולל פונקציה מותאמת אישית זו תורם חיתוך העלות הזמנית עבור ניסויים רציפים בשלב 1.5, מאז מתנהל המשפט פעמים רבות. >
4. הגדר את התדירות לערך להשתנות מן 100 הרץ עד 500 הרץ במרווחים 100-הרץ, ולהגדיר את משרעת להשתנות מן 10 mV ל 500 mV ב 10-mV במרווחים של GUI. בסך הכל, 250 שילובים קיימים. כדי לבדוק 250 שילובים, לולאה כפולה יעילה ליישם. הלולאה הראשונה היא לתדרים מ- 100 הרץ עד 500 הרץ, אשר מיושם 50 פעמים. הלולאה השנייה היא עבור אמפליטודות מ 10 mV ל 500 mV, אשר מיושמת עבור 50 פעמים.
5. מוסיף את אות נתיב גל סינוס אל לוח AD / DA עבור 2000 דגימות כמו משך ב GUI. במקביל להקליט את עמדת אות המראה גַלוָנוֹמֶטֶר לקרוא את הערך האנלוגי של לוח AD / DA. ב ++ C קידוד באמצעות ספריה של AD / לוח DA, להשתמש בחוט באותו לכתיבה וקריאה בתכנות. לחשב את הזווית הנוכחית של θ במראה גַלוָנוֹמֶטֶר (מידע בכתב) על ידי המשוואה הזו
   
   כאשר t הוא הזמן,es / ftp_upload / 55,431 / 55431eq3.jpg"/> הוא משרעת, ƒ הוא תדר.
6. שמור את נתוני אותות עמדה כקובץ csv וכוללים את הערך של תדירות אמפליטודה בשם הקובץ שלו.
7. חזור על שלבים 1.4 - 1.6 250 חזרות.

2. חישובים כדי להגיע מקדמים טרום דגש

1. החל מסנן חציון עבור קבצי CSV (אותות רשם), כדי למנוע תופעות רעש. גודלו המרחבי של מסנן חציון הוא 5.
2. הפעל את הסקריפט כדי לחשב את ערך שיא-לשיא (מקביל עם משרעת מוכפלת 2), באמצעות MATLAB עבור כל אחד מקבצי CSV, כפי שמוצג באיור 4 (הגרף מייצג את הנתונים של נתיב גל סינוס).
3. מגרש את נתוני שיא-לשיא על גרף לקבוע את הליניאריות בכל תדר, ולהגביל את אזור השימוש של משרעת הקלט כאשר המגרשים הם לינארית, כפי שמוצג באיור 5.
   הערה: חלקו ליניארית של הגרף מייצג רוויה שלהשליטה PID; ומכאן, רצוי להימנע משימוש בהם כדי להבטיח את המגבלה של המפרט של שליטה.
4. Execute רגרסיה ליניארית עבור נתוני שיא-לשיא בגיליון אלקטרוני כדי לקבל את מקדמי אינטרפולציה ליניארית של כל תדר. בתהליך זה, חמישה סטים של מדרונות מיירטים מתקבלים. הם עולים בקנה אחד עם תדרים מ 100 הרץ ל 500 הרץ בכל הרץ 100. קירוב הקו הישר של 300 הרץ מוצג באיור 5 (א), ואת מקדמי אינטרפולציה ליניארית של כל תדר מוצגים בלוח 1.
5. באמצעות רגרסיה לינארית מרובה ריבועית, לבצע אינטרפולציה quartic להשיג את מקדמי אינטרפולציה quartic (מקדמי טרום דגש) בגיליון האלקטרוני עבור מקדמי אינטרפולציה ליניארית של כל תדר. המקדמים טרום הדגש מוצגים בלוח 2.
   הערה: במחקר זה, מקדמי אינטרפולציה ליניארית להשתנות בצורה של quadratiעקומת ג; עם זאת, סוגים אחרים של פונקציות, כגון משוואות ריבועיות מעוקב, מוחלים אם הטעות היא מינימאלית.

3. הגברת אות מקוונת המבוסס על הטכניקה-הדגש קדם

1. הפעל את התוכנה שמחשבת את הערך משרעת קלט המעודכן מהערך משרעת הקלט האידיאלי ואת התדירות ƒ באמצעות המקדמים-דגש מראש.
   1. שמור את המקדמים-דגש מראש כערכים מתמידים בתוכנת C ++. כאשר המכשיר מתעדכן, הערכים הקבועים הללו מתעדכנים גם.
   2. לתכנת פונקציה
      
      בתוכנת C ++ ולקבל את מקדמי אינטרפולציה ליניארית. החלף אותם עבור _i, ב _i, c _{i, i} ד,ו- E _i מן המשוואה ולוח 2.
   3. לתכנת פונקציה
      
      ב C ++ תוכנה ולקבל ערך משרעת קלט מעודכן כדי להחליף ואת מקדמי אינטרפולציה ליניארית כי התקבלו בשלב 3.1.2.
2. חזור על שלבי 1.4 - 1.6 פעמים שרירותיות באמצעות הטכניקה-דגש מראש את GUI.NOTE: כדי למנוע הרוויה של האזור שליטה PID, להגדיר 400 mV עד 200 הרץ, 200 mV עד 300 הרץ, 100 mV עד 400 הרץ, ו 50 mV עד 500 הרץ.
3. 2.2 ו העלילה חזור על שלב שיא-לשיא נתונים כגרף להציג שיפור ברווח.

ניסוי 4. על compe Motion לטשטשnsation

1. כן מסוע שיכול לנוע לעבר 30 קילומטר / h באמצעות חגורה שיכול לדבוק דביקים טקסטורות. המסוע מחוייטת מורכב עם מנוע מהירות שליטה, חגורת גומי ברזל, וכן הלאה. זה יכול להיות מוחלף עם מסוע מוכן אשר יכול לשלוט במהירות.
2. הדפס דפוס עדין ומרקם גבי קלטת להדפסה ולהדביק אותו על המסוע.
   הערה: המרקם הודבק מוצג באיור 6. הפסים מתוכנתים באמצעות הספרייה "ofxPDF" ב openFrameworks, ואת הדימוי הצילומי הוא מחברה מדמין.
3. הגדרת התקנים אופטיים כגון מצלמה, עדשה, וכן תאורה, כפי שמוצג באיור 2. מניח את מראה גַלוָנוֹמֶטֶר מול העדשה אשר מחוברת למצלמה, ומקום התאורה כדי להאיר את המסוע.
   1. הגדר את תדירות המצלמה 333 הרץ, חשיפת זמן 1 ms, ואת מספר הפיקסלים כדי 848 * 960 (רוחב * גובה).
4. סנכרן עיתוי הסיבוב של המראה גַלוָנוֹמֶטֶר ואת זמן החשיפה של המצלמה. בתוך התוכנה, כאשר זווית המראה גַלוָנוֹמֶטֶר מגיעה לתפקיד היכן להתחיל חשיפה, התכנית שולחת הדק תוכנה לתוך המצלמה. התזמון של הדק תוכנה מתואר באיור 7.
5. קלט את המהירות של _t v המסוע (30 ק"מ / שעה) ואת המרחק מן המצלמה אל L המסוע (3.0 מ ') לחשב נדרש _r ω המהירות הזוויתית של המראה גַלוָנוֹמֶטֶר ב GUI כמו באיור 8. _r ω מחושב כדלקמן:
   
6. קלט את תדירות ƒ (330.0 הרץ) ב GUI כמו באיור 8 לחשב משרעת קלט המקורי . לחשבמשוואה 3" src = "/ files / ftp_upload / 55,431 / 55431eq3.jpg" /> כדלקמן:
   
7. העתקה והדבקה לתוך קוד המקור, וסובב את גַלוָנוֹמֶטֶר עם θ הערך המלא טרום הדגיש לנהג סרוו גַלוָנוֹמֶטֶר כדלקמן:
   
   כאשר t הוא הזמן. איור 7 ממחיש כיצד θ מחושבת מ- A.
8. התמונות שיא כאשר המסוע נע ב- _t v (30 ק"מ / שעה).
   הערה: איור 9 ממחיש את תנועת המסוע.

תוצאות

התוצאות המוצגות כאן התקבלו באמצעות לוח AD / DA ומצלמה. איור 1 מציג את ההליך של הטכניקה טרום דגש; ולכן, היא הליבה של מאמר זה. זהו צורך להגדיר את הפרמטרים של בקרת PID לאחר שמדינת האתחול; ומכאן, התהליך המקוון הוא פשוט באופן משמעותי.

Discussion

מאמר זה מציג הליך מסוגל להרחיב את טווח תדרים-גל סינוס להשיג תלול מסלול-דיוק מעקב עם שליטת PID. בגלל ההיענות של מראה גַלוָנוֹמֶטֶר מוגבל על ידי האינרציה שלה, חשוב להשתמש במראה גַלוָנוֹמֶטֶר כאשר נתיב הבקרה הוא תלול. עם זאת, במחקר זה, אנו מציעים שיטה לשפר את המפרט של שליטה...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Galvanometer mirror	GSI	M3s X axis
Custom-made metal jig	ASKK	-	With circular hole for galvanometer mirror
Optical carrier	SIGMAKOKI	CAA-60L
Optical bench	SIGMAKOKI	OBT-1500LH
Oscilloscope	Tektronix	MSO 4054
AD/DA board	Interface	PCI-361216
PC	DELL	Precision T3600
Galvanometer mirror servo controller	GSI	Minisax
Lens	Nikkor	AF-S NIKKOR 200mm f/2G ED VR II
High-speed camera	Mikrotron	Eosens MC4083	Discontinued, but sold as MC4087. The cable connection is different from MC4083
Conveyor belt	ASUKA	-	With a speed-control motor(BX5120A-A made by Oriental Motor), iron rubber belt(100-F20-800A-J made by NOK), and so on
Printable tape	A-one	F20A4-6
Photographic texture	Shutterstock, Inc.	231357754	Printed computer motherboard with microcircuit, close up
Terminal block	Interface	TNS-6851B
CoaXPress board	AVALDATA	APX-3664
MATLAB	mathworks	MATLAB R2015a