Metodologia Gain-risarcimento per una scansione sinusoidale di un galvanometro specchio in proporzionale-integrale-differenziale di controllo Utilizzando tecniche di pre-enfasi

Riepilogo

Si propone un metodo per estendere la frequenza corrispondente utilizzando una tecnica di pre-enfasi. Questo metodo compensa la riduzione del guadagno di uno specchio galvanometro nel percorso sinusoidale inseguimento utilizzando il controllo proporzionale-integrale-differenziale.

Abstract

specchi galvanometro sono utilizzati per applicazioni ottiche come il monitoraggio di destinazione, disegno, e il controllo di scansione a causa della loro elevata velocità e precisione. Tuttavia, la reattività di uno specchio galvanometro è limitata dalla sua inerzia; quindi, il guadagno di uno specchio galvanometro viene ridotta quando il percorso di controllo è ripida. In questa ricerca, si propone un metodo per estendere la frequenza corrispondente utilizzando una tecnica di pre-enfasi per compensare la riduzione del guadagno di specchi galvanometro a percorso sinusoidale monitoraggio utilizzando proporzionale-integrale-differenziale di regolazione (PID). La tecnica di pre-enfasi ottiene un valore di ingresso per un valore di uscita desiderato in anticipo. Applicando questo metodo per controllare lo specchio galvanometro, il guadagno grezzo di uno specchio galvanometro in ogni frequenza e ampiezza per percorso sinusoidale tracciamento utilizzando un regolatore PID è stato calcolato. Dove il controllo PID non è efficace, mantenendo un guadagno di 0 dB per migliorare la precisione di inseguimento traiettoria, è possibileampliare la gamma di velocità in cui un guadagno di 0 dB può essere ottenuta senza ottimizzazione dei parametri di controllo PID. Tuttavia, se v'è una sola frequenza, amplificazione è possibile con un singolo coefficiente pre-enfasi. Pertanto, un'onda sinusoidale è adatto a questa tecnica, a differenza di onde triangolari e dente di sega. Quindi, siamo in grado di adottare una tecnica di pre-enfasi per configurare i parametri in anticipo, e non abbiamo bisogno di preparare i modelli di controllo attivi aggiuntivi e hardware. I parametri vengono aggiornati immediatamente nel ciclo successivo a causa del ciclo aperto dopo i coefficienti pre-enfasi sono impostati. In altre parole, a considerare il controllore come scatola nera, dobbiamo conoscere solo il rapporto tra ingresso e uscita, e la modellazione dettagliata non è necessaria. Questa semplicità permette al nostro sistema di essere facilmente incorporato nelle applicazioni. Il nostro metodo utilizzando la tecnica di pre-enfasi per un sistema di compensazione del movimento-sfocatura e l'esperimento condotto per valutare il metodo sono spiegati.

Introduzione

Vari attuatori ottici ei metodi di controllo adatte per varie applicazioni ottiche sono stati proposti e sviluppati ^{1, 2.} Questi attuatori ottici sono in grado di controllare il percorso ottico; specchi galvanometro soprattutto offrono un buon equilibrio in termini di precisione, velocità, la mobilità, e costano ^{3, 4, 5.} In realtà, il vantaggio offerto dalla velocità e la precisione di specchi galvanometro ha portato alla realizzazione di una varietà di applicazioni ottiche, come il monitoraggio di destinazione e il disegno, il controllo di scansione, e la compensazione ^{6, 7, 8, 9, 10 moto-sfocatura, 11, 12.} Tuttavia, nel nostro precedente Compensati motion-blursul sistema, uno specchio galvanometro utilizzando un proporzionale-integrale-differenziale (PID) controllore fornito un piccolo guadagno; perciò, è stato difficile ottenere una frequenza più alta e una maggiore velocità ^11.

D'altra parte, il controllo PID è un metodo ampiamente utilizzato, in quanto soddisfa un certo livello di precisione ¹³ inseguimento. Una varietà di metodi sono stati proposti per correggere il guadagno nel controllo PID. Come soluzione tipica, PID sintonizzazione parametro di controllo viene effettuato manualmente. Tuttavia, ci vuole tempo e abilità speciali da mantenere. Un metodo più sofisticato, una funzione di auto-tuning per determinare automaticamente i parametri, è stato proposto ed è ampiamente utilizzato ^14. La precisione di monitoraggio per operazioni ad alta velocità è migliorata utilizzando la funzione di autotuning quando il proporzionali P aumenta il valore di guadagno. Tuttavia, questo aumenta anche il tempo di convergenza e rumore nella gamma di bassa velocità. Quindi, la precisione di rilevamento non èt necessariamente migliorato. Anche se un controllore di auto-sintonizzazione può essere sintonizzata per impostare i parametri adatti per il controllo PID, la sintonizzazione introduce un ritardo a causa della necessità di ottenere parametri adatti; Pertanto, è difficile adottare questo metodo in applicazioni in tempo reale ^15. Un controllore PID esteso ^{16, 17} e un controllore predittivo estesa ¹⁸ sono state proposte per estendere il controllo PID generale e per migliorare le prestazioni di inseguimento di specchi galvanometro per una varietà di percorsi di tracciamento, come le onde triangolari, a dente di sega, onde e onde sinusoidali. Tuttavia, in quei sistemi, il sistema del galvanometro è stato considerato come una scatola nera, mentre è stato richiesto un modello del sistema di controllo, e il sistema di controllo non è stata considerata come una scatola nera. Quindi, tali metodi richiedono che il loro modello per ogni singolo specchio galvanometro essere aggiornato. Inoltre, sebbene Mnerie et al. convalidato il loro metodo di focusing su un'onda output dettagliato e fase, la loro ricerca non includeva l'attenuazione dell'intera onda. Infatti, nella precedente ricerca ^11, il guadagno era significativamente diminuita quando la frequenza sinusoidale era alto, indicando in tal modo la necessità di compensare il guadagno dell'intero onda.

In questa ricerca, la nostra procedura di compensazione del guadagno con controllo PID ¹² è basato sulla tecnica di pre-enfasi ^{19, 20, 21} -a metodo per migliorare la qualità o la velocità di comunicazione in comunicazione ingegneria che consente la costruzione di un sistema sperimentale che utilizza apparecchiature esistenti. La Figura 1 mostra la struttura del flusso. La tecnica di pre-enfasi è in grado di ottenere in anticipo il valore di uscita desiderato da un valore di ingresso, dove il controllo PID non è efficace, anche se lo specchio galvanometroe il suo controller sono considerati come scatole nere. Ciò consente loro di ampliare la frequenza e l'intervallo di ampiezza in cui un guadagno di 0 dB può essere ottenuta senza ottimizzazione dei parametri di controllo PID.

Quando il guadagno è amplificato, le caratteristiche di risposta dello specchio galvanometro generalmente differiscono a frequenze diverse, e quindi, necessitano di amplificare ogni frequenza con coefficienti di amplificazione. Pertanto, un'onda sinusoidale è adatto per la tecnica di pre-enfasi, in quanto v'è una sola frequenza in ciascuna onda sinusoidale. In questa ricerca, perché applichiamo compensazione del guadagno per realizzare la compensazione del movimento-sfocatura, il segnale di controllo è limitato alla scansione sinusoidale, e il segnale sinusoidale costituisce una singola frequenza, a differenza di altre onde, come le onde triangolari e dente di sega. Inoltre, il segnale di ingresso nello specchio galvanometro viene aggiornato immediatamente nel ciclo successivo a causa del ciclo aperto dopo la pre-enfasi sono impostati coefficienti. In altre parole, abbiamo bisogno di to conoscere solo il rapporto tra ingresso e uscita a considerare il controllore come scatola nera, e la modellazione dettagliata non è necessaria. Questa semplicità permette al nostro sistema di essere facilmente incorporato nelle applicazioni.

L'obiettivo generale di questo metodo è quello di stabilire una procedura sperimentale di compensazione del movimento-sfocatura come applicazione compensazione di guadagno utilizzando la tecnica di pre-enfasi. dispositivi hardware multipli sono utilizzati in queste procedure, come uno specchio galvanometro, una videocamera, un nastro trasportatore, illuminazione, e una lente. software centrale programmi sviluppati dagli utenti scritti in C ++ costituiscono anche parte del sistema. La figura 2 mostra uno schema del setup sperimentale. Lo specchio galvanometro ruota con velocità angolare guadagno compensata, rendendo così possibile valutare la quantità di sfocatura dalle immagini.

Protocollo

1. Acquisizione di guadagno dati per uno specchio Galvanometer

1. Fissare lo specchio galvanometro tale che è stabilizzato per proteggerlo da danni oscillando. Non solo lo specchio galvanometro, ma anche il corpo dello specchio galvanometro, si muove se non fissato in posizione utilizzando una maschera metallica misura con un foro circolare per lo specchio galvanometro. Fissare la maschera su una portante ottica ed un banco ottico.
2. Collegare i cavi BNC dalla scheda / DA AD tramite una morsettiera alle prese di ingresso e di posizione nel servoazionamento dello specchio galvanometro.
3. Programma generatore di funzione sinusoidale come interfaccia utente grafica (GUI) utilizzando l'SDK della AD / DA scheda con C ++, che è in grado di impostare un arbitrario frequenza, ampiezza e durata, come mostrato nella figura 3.
   NOTA: Questo generatore funzione personalizzata contribuisce a ridurre il costo temporale per gli studi continui passo 1.5, in quanto il processo è condotto molte volte. >
4. Impostare la frequenza varia da 100 Hz a 500 Hz a intervalli di 100 Hz, e impostare l'ampiezza variare da 10 mV e 500 mV a 10 mV-intervalli nella GUI. In generale, esistono 250 combinazioni. Per testare 250 combinazioni, un doppio anello è efficiente da implementare. Il primo ciclo è di frequenze da 100 Hz a 500 Hz, che viene realizzato 50 volte. Il secondo anello è per ampiezze da 10 mV a 500 mV, che viene realizzato per 50 volte.
5. Aggiungere il segnale percorso sinusoidale nella scheda / DA AD per 2.000 campionamenti come durata nel GUI. Registrare simultaneamente il segnale di posizione dello specchio galvanometro per leggere il valore analogico della scheda AD / DA. In C ++ codifica utilizzando una libreria di AD bordo / DA, utilizzare lo stesso filo per la scrittura e la lettura in programmazione. Calcolare l'angolo corrente di θ specchio galvanometro (scrittura delle informazioni) da questa equazione
   
   dove t è il tempo,es / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg />" è l'ampiezza, ƒ è la frequenza.
6. Salvare i dati del segnale di posizione come un file .csv e comprendono il valore della frequenza e ampiezza al suo nome.
7. Ripetere i passaggi 1,4-1,6 per 250 iterazioni.

2. Calcolo ottenere coefficienti di pre-enfasi

1. Applicare un filtro mediano per i file CSV (segnali registrati) al fine di evitare gli effetti del rumore. La dimensione spaziale del filtro mediano è 5.
2. Eseguire lo script per calcolare il valore picco-picco (corrispondente all'ampiezza moltiplicato per 2), utilizzando MATLAB per ognuno dei file csv, come mostrato in figura 4 (grafico rappresenta i dati del percorso sinusoidale).
3. Tracciare i dati picco-picco su un grafico per determinare la linearità ad ogni frequenza, e limitare la regione di utilizzo dell'ampiezza ingresso quando le trame sono non lineari, come illustrato in figura 5.
   NOTA: La parte non lineare del grafico rappresenta saturazioneil controllo PID; quindi, è consigliabile per evitare di usarle per fissare la limitazione di specificazione di controllo.
4. Eseguire una regressione lineare per i dati picco-picco in un foglio di calcolo per ottenere i coefficienti di interpolazione lineare di ciascuna frequenza. In questo processo, cinque serie di piste e intercetta state ottenute. Esse corrispondono alle frequenze da 100 Hz a 500 Hz per ogni 100 Hz. Un'approssimazione della retta di 300 Hz è illustrato nella Figura 5 (A), ed i coefficienti di interpolazione lineare di ciascuna frequenza sono mostrati in Tabella 1.
5. Utilizzando quadratica regressione lineare multipla, eseguire interpolazione quartiche per ottenere i coefficienti di interpolazione quartici (coefficienti pre-enfasi) nel foglio di calcolo per i coefficienti di interpolazione lineare di ciascuna frequenza. I coefficienti pre-enfasi sono riportati nella Tabella 2.
   NOTA: In questa ricerca, i coefficienti di interpolazione lineare variano nella forma di una Quadratic curva; Tuttavia, altri tipi di funzioni, come equazioni quadratiche e cubiche, si applicano se l'errore è minimo.

3. linea amplificazione del segnale basato sulla tecnica di pre-enfasi

1. Eseguire il software che calcola il valore di ampiezza di ingresso aggiornato dal valore ideale ampiezza di ingresso e la frequenza ƒ utilizzando i coefficienti pre-enfasi.
   1. Salvare i coefficienti pre-enfasi valori costanti nel software C ++. Quando il dispositivo viene aggiornata, questi valori costanti vengono aggiornati.
   2. Programmare una funzione
      
      nel software C ++ e ottenere i coefficienti di interpolazione lineare. Sostituirli per una _i, b _i, c _i, d _i,e E _i dall'equazione e Tabella 2.
   3. Programmare una funzione
      
      in C ++ software e di ottenere un valore di ampiezza di ingresso aggiornato per sostituire ed i coefficienti di interpolazione lineare che sono stati ottenuti nel passaggio 3.1.2.
2. Ripetere i passaggi 1,4-1,6 per tempi arbitrari con usando la tecnica di pre-enfasi nel GUI.NOTE: Per evitare la saturazione della regione di controllo PID, impostare 400 mV fino a 200 Hz, 200 mV fino a 300 Hz, 100 mV fino a 400 Hz e 50 mV fino a 500 Hz.
3. Ripetere il punto 2.2 e trama di picco-picco dei dati come un grafico per visualizzare il miglioramento del guadagno.

4. Esperimento su Motion-blur Compensation

1. Preparare un nastro trasportatore che può muoversi a 30 km / h utilizzando un nastro che può aderire a appiccicoso texture. Il nastro trasportatore misura è costituito da un motore a velocità-controllo, una cinghia di gomma di ferro, e così via. Può essere sostituito con il nastro trasportatore pronto che può controllare la velocità.
2. Stampare un motivo di fine-tessitura su nastro da stampare e incollarlo sul nastro trasportatore.
   NOTA: La struttura incollato viene mostrata in Figura 6. Le strisce sono programmati utilizzando una libreria "ofxPDF" in openFrameworks, e l'immagine fotografica è da una società di fotografia.
3. Configurare dispositivi ottici come una macchina fotografica, una lente, ed un'illuminazione, come mostrato in figura 2. Posizionare lo specchio galvanometro di fronte alla lente che è collegato alla telecamera, e posizionare l'illuminazione per illuminare il nastro trasportatore.
   1. Impostare la frequenza telecamera a 333 Hz, il tempo di esposizione di 1 ms, e il numero di pixel di 848 * 960 (larghezza * altezza).
4. Sincronizzare la temporizzazione di rotazione dello specchio galvanometro e il tempo di esposizione della fotocamera. Nel software, quando l'angolo dello specchio galvanometro arriva la posizione dove iniziare l'esposizione, il programma invia un trigger software nella fotocamera. I tempi di attivazione software è illustrato nella Figura 7.
5. Ingresso la velocità del nastro trasportatore v _t (30 km / h) e la distanza dalla fotocamera al nastro trasportatore L (3,0 m) per calcolare necessaria velocità angolare ω _r dello specchio galvanometro nella GUI come in Figura 8. ω _R è calcolato come segue:
   
6. Ingresso il ƒ frequenza (330,0 Hz) nella GUI come in figura 8 per calcolare ampiezza di ingresso originale . CalcolareEquazione 3" src = "/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg" /> come segue:
   
7. Copia e incolla nel codice sorgente, e ruotare il galvanometro con il valore di controllo θ pre-enfatizzato per servoazionamento galvanometro come segue:
   
   dove t è il tempo. La figura 7 illustra come θ viene calcolato da A.
8. Registrare le immagini quando il nastro trasportatore si muove a v _t (30 km / h).
   NOTA: la figura 9 illustra il movimento del nastro trasportatore.

Risultati

I risultati presentati sono stati ottenuti usando un / a bordo DA AD e una macchina fotografica. La Figura 1 mostra la procedura della tecnica di pre-enfasi; pertanto, è il nucleo di questo articolo. Non è necessario impostare i parametri del controllo PID dopo lo stato di inizializzazione; di conseguenza, la procedura di acquisto online è notevolmente semplice.

La Figura 10 mostra i risult...

Discussione

Questo articolo presenta un procedimento capace di ampliare la gamma di frequenza sinusoidale di ottenere elevata precisione di traiettoria con controllo PID. Perché la risposta di uno specchio galvanometro è limitata dalla sua inerzia, è fondamentale utilizzare uno specchio galvanometro quando il percorso di controllo è ripida. Tuttavia, in questa ricerca, proponiamo un metodo per migliorare le specifiche di controllo e quindi provare il metodo ottenendo risultati sperimentali.

Nel nost...

Materiali

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