Ön vurgu Teknikleri Kullanarak Oransal-İntegral-Diferansiyel Kontrolü bir Galvanometre Mirror bir sinüsoidal Tarama için Kazanç-tazminat Metodolojisi

Özet

Bir ön-vurgu tekniği kullanılarak karşılık gelen frekans genişletmek için bir yöntem önerilmektedir. Bu yöntem, orantılı-entegral-ayırıcı kontrol kullanarak izleme sinüs dalgası yolundaki bir galvano aynanın kazanç azaltılması için telafi eder.

Özet

Galvanometre aynalar için yüksek hız ve doğruluk, hedef takibi, çekme, ve tarama kontrol olarak, optik uygulamalarda kullanılır. Bununla birlikte, bir galvano aynanın yanıt ataletinden ile sınırlıdır; Kontrol yolu dik olduğunda dolayısıyla bir galvanometrenin aynanın kazanç azalır. Bu araştırmada, orantılı-integral-diferansiyel (PID) kontrolü ile izleme sinüs dalgası yolu galvanometrenin aynalar kazanç azalmasını dengelemek için bir ön-vurgu tekniği kullanılarak karşılık gelen frekans genişletmek için bir yöntem önerilmektedir. önvurgulama tekniği önceden istenen bir çıkış değeri için bir girdi değeri elde edilir. Bir PID denetleyici kullanarak izleme sinüs dalgası yolu için galvanometrenin aynası, her bir frekansta bir galvano aynanın ham kazanç ve genliğini kontrol etmek için bu yöntemi uygulamak hesaplandı. PID kontrol etkili olmadığı yerlerde, 0 dB'lik bir kazanç sağlamak bu mümkündür, yörünge izleme doğruluğunu geliştirmek için0 dB kazanç PID kontrol parametrelerini ayarlayarak olmadan elde edilebileceği hız aralığını genişletmek. tek frekans vardır, ancak amplifikasyon tek bir ön-vurgu katsayısı ile mümkündür. Bu nedenle, bir sinüs dalgası ve üçgen testere dişi dalgaları farklı Bu teknik, için uygundur. Dolayısıyla, önceden parametrelerini yapılandırmak için bir ön vurgu tekniğine geçiş ve biz de ek aktif kontrol modelleri ve donanım hazırlamak gerekmez. önvurgulama katsayıları ayarlandıktan sonra parametreler nedeniyle açık döngünün bir sonraki döngüsü içinde hemen güncellenir. Başka bir deyişle, bir kara kutu olarak denetleyici kabul etmek, sadece giriş-çıkış oranını bilmek gerekir, ve ayrıntılı modelleme gerekli değildir. Bu basitlik sistemimiz kolayca uygulamalarda gömülü edilmesini sağlar. Bir hareket bulanıklığı kompanzasyon sistemi için ön vurgu tekniği ve yöntemi değerlendirmek için yapılan deney kullanarak Bizim yöntem açıklanmıştır.

Giriş

Optik elemanları ve farklı optik uygulamalar için uygun kontrol yöntemleri çeşitli önerilen ve ^{1, 2} geliştirilmiştir. Bu optik elemanları optik yol kontrol edebilmektedir; galvanometrenin aynalar özellikle doğruluk, hız, hareketlilik açısından iyi bir denge sunarlar ^{ve, 5 4, 3} mal oldu. Aslında, hız ve galvano aynalar doğruluğu sunduğu avantaj, hedef izleme ve çekme, tarama kontrol ve hareket bulanıklık dengeleme ^{6, 7, 8, 9, 10,} optik uygulamalarda, çeşitli gerçekleşmesine yol ^{açmıştır, 11, 12.} Ancak, bizim daha önceki hareket bulanıklığı COMPENSATI içindesistemde, orantılı-integral-diferansiyel kullanılarak galvano ayna (PID) bir kontrol düzeni, küçük bir kazancı temin; dolayısıyla daha yüksek frekans ve daha hızlı bir hıza ¹¹ elde etmek zordu.

Bu doğruluk ¹³ izleme belirli bir düzeyde tatmin Diğer taraftan, PID kontrol, yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. çeşitli yöntemler PID kontrol kazancı düzeltmek için önerilmiştir. Tipik bir çözüm olarak, PID kontrol parametre ayarlama manuel olarak yapılır. Ancak, korumak için zaman ve özel beceri ister. Daha karmaşık bir yöntem olup, otomatik parametreleri belirlemek için bir otomatik ayarlama fonksiyonu önerilmiştir ve yaygın olarak ¹⁴ kullanılır. Yüksek hızlı operasyon için izleme doğruluğu ne zaman orantılı kazanç değeri P artar otomatik ayarlama fonksiyonu kullanılarak artırıldı. Ancak, bu da düşük devirlerde yakınsama süresini ve gürültüyü arttırır. Dolayısıyla, izleme doğruluğu hayırt zorunlu geliştirilmiş. bir kendini ayarlama kontrol PID kontrol için uygun parametreleri ayarlamak için ayarlanmış olabilir, ancak ayarlama için uygun parametreleri elde etmek için ihtiyaç bir gecikmeye neden olur; nedenle, gerçek zamanlı uygulamalarda ¹⁵ bu yöntemi benimsemeye zordur. Genişletilmiş bir PID kontrolör ^{16, 17} ve uzun bir akıllı kontrol ^18, genel PID kontrol genişletmek ve üçgen dalgalar, testere dişi dalgaları ve sinüs dalgası olarak izleme yolları, çeşitli galvano aynalar izleme performansını artırmak için önerilmiştir. Bununla birlikte, bu sistemlerde, galvano sistem kontrol sisteminin bir modeli gerekli ise, bir kara kutu olarak kabul edildi, ve kontrol sistemi, bir kara kutu olarak kabul edildi. Dolayısıyla, bu yöntemler her galvanometrenin aynanın onların modeli güncellenmiş olmasını gerektirir. Ayrıca, Mnerie ve diğerleri, ancak. f metodunu doğrulanmışdetaylı çıkış dalgası ve faz üzerinde ocusing, araştırma, tüm dalga zayıflamasını içermiyordu. Sinüzoidal frekans böylece tüm dalga kazanç telafi etmek gerekliliğini gösteren, yüksek Aslında, daha önceki araştırmalar ^11, kazanç önemli ölçüde azalmıştı.

Bu araştırmada, PID kontrol ^12, kazanç telafisi için prosedür iletişimde iletişim kalitesinin veya hızını artırmak için ön-vurgu tekniği ^{19, 20, 21} a metoduna dayanır tekniği kullanan bir sistemde inşaat sağlar varolan ekipmanı. Şekil 1, akım yapısını göstermektedir. önvurgulama tekniği önceden PID kontrol etkili değildir bir girdi değeri, arzu edilen çıkış değeri elde etmek mümkün olsa bile galvano ayna durumundave kontrolör siyah kutular olarak kabul edilmektedir. Bu 0 dB kazanç PID kontrol parametrelerini ayarlayarak olmadan elde edilebildiği sıklığını ve genlik aralığını genişletmek için onları sağlar.

kazanç büyütülmüşse, galvanometrenin aynanın cevap karakteristikleri genel olarak farklı frekanslarda farklıdır ve bu nedenle, amplifikasyon katsayıları her frekansını yükseltmek gerekir. Her bir sinüs dalgası olarak sadece tek bir frekans vardır Böylece, bir sinüs dalgası, ön-vurgu tekniği için de uygundur. Biz hareket bulanıklık telafisi gerçekleştirmek için kazanç telafi uygulamak için bu araştırmada, kontrol sinyali, bir sinüs dalga tarama ile sınırlıdır, ve sinüs dalgası sinyal, üçgen ve testere dişi dalgaları gibi diğer dalgalar, farklı olarak, tek bir frekans oluşturmaktadır. Ayrıca, galvanometrenin aynaya giriş sinyali çünkü katsayıları ayarlanır ön vurgu sonra açık döngünün bir sonraki döngüsü içinde hemen güncellenir. Diğer bir deyişle, biz t ihtiyacımızo bir kara kutu olarak kontrolör kabul sadece bir giriş-çıkış oranını bilmek ve detaylı modelleme gerekli değildir. Bu basitlik sistemimiz kolayca uygulamalarda gömülü edilmesini sağlar.

Bu yöntem genel amacı, ön-vurgu tekniği kullanılarak kazanım telafisi bir uygulama olarak hareket bulanıklaşma tazminat deneysel prosedür kurmaktır. Birden fazla donanım aygıtları, örneğin, bir galvano ayna, bir kamera, bir konveyör kayışı, aydınlatma ve bir mercek olarak, bu işlemler kullanılmaktadır. C ++ ile yazılmış Orta yazılım kullanıcı geliştirdiği programlar da sistemin bir parçasını oluşturmaktadır. Şekil 2, deneysel kurulum bir şemasını göstermektedir. galvano ayna ve böylece mümkün görüntülerden bulanıklık miktarını değerlendirmek için yapım kazanç telafi bir açısal hızla döner.

Protokol

Bir Galvanometre Yansıtmasının Kazanç Verilerinin 1. Toplama

1. o salınan ederken hasardan korumak için stabilize şekilde galvanometrenin aynayı sabitleyin. galvanometrenin ayna için dairesel delik olan bir ısmarlama metal jig ile sabitlenmiştir değilse galvanometrenin ayna değil, aynı zamanda galvanometrenin aynanın vücut, sadece hareket eder. bir optik taşıyıcı ve bir optik tezgah üzerine jig sabitleyin.
2. galvanometrenin aynanın servo sürücü giriş ve pozisyon soketlerine bir terminal blok içinden AD / DA kartından BNC kablolar bağlayın.
3. Program, Şekil 3'te gösterildiği gibi, isteğe bağlı bir frekans, genlik ve süresi ayarlamak mümkün olduğu C ++, AD / DA kurulu SDK kullanılarak bir grafiksel kullanıcı arabirimi (GUI) gibi bir sinüs dalgalı fonksiyon jeneratörü.
   NOT: deneme defalarca yapılan edildiğinden, bu özelleştirilmiş fonksiyon jeneratörü, adım 1.5 sürekli denemeler için zamansal maliyeti kesim katkıda bulunur. >
4. 100 Hz ile 100 Hz aralıklı olarak 500 Hz'e değişir frekansı ayarlanır ve GUI 10 mV aralıklarla 10 mV ila 500 mV arasında değişebilir için genliği ayarlayın. Genel olarak, 250 kombinasyonları mevcuttur. 250 kombinasyonu test etmek için, bir çift ilmek uygulamak etkilidir. Birinci döngü, 100 Hz ila 50 kez uygulanan 500 Hz, frekanslar içindir. İkinci çevrim 10 mV ile 50 kez uygulanan 500 mV için genlikleri içindir.
5. GUI süresi gibi 2.000 demonstrasyonların için AD / DA tahta içine sinüs dalga yolu sinyalini ekleyin. Eş zamanlı AD / DA kurulu analog değerini okumak için galvanometrenin aynanın pozisyon sinyalini kaydedin. C ++ yazmak için aynı parçacığı kullanmak, AD / DA kurulu kitaplığı kullanarak kodlama ve programlama okuma. Bu denklemde galvanometrenin ayna İçeride ISTV melerin RWMAIWi'nin (yazma bilgisi) mevcut açısını hesaplayın
   
   burada t zaman,es / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg"/> ƒ frekanstır, genlik olduğunu.
6. .csv dosyası olarak pozisyon sinyal verileri kaydetme ve dosya adı frekans değerini ve genliği vardır.
7. Tekrar 1.4 adımları - 250 tekrarlamalar için 1.6.

2. Hesaplama Ön vurgu Katsayıları Get

1. Gürültü etkilerinden kaçınmak için csv dosyaları (kayıtlı sinyalleri) için medyan filtresi uygulayın. Medyan filtrenin uzaysal boyutu 5'tir.
2. Şekil 4 (grafiği sinüs dalga yolunun verileri temsil eden) 'de gösterildiği gibi, CSV dosyaların her biri için MATLAB (2 ile çarpılmalıdır genliği ile karşılık gelir) tepe-tepe değerini hesaplamak için komut çalıştırın.
3. Her frekans için doğrusallığı belirlemek için bir grafik üzerinde tepe-tepe verilerini grafiği çizilir ve araziler doğrusal olmayan zaman Şekil 5'te görüldüğü gibi, giriş genlik kullanım bölgesini sınırlar.
   NOT: Grafiğin doğrusal olmayan kısmı doygunluk temsilPID kontrol; dolayısıyla, kontrolden şartname sınırlama sabitlemek için bunları kullanmaktan kaçınmak tavsiye edilir.
4. Her frekans doğrusal enterpolasyon katsayılarını elde etmek üzere bir e-tabloda tepe-tepe veriler için lineer regresyon yürütün. Bu süreçte, yamaçlar ve kesicilerimizden beş set elde edilir. Her 100 Hz'de 100 Hz ile 500 Hz arası frekanslarda tekabül etmektedir. 300 Hz düz çizginin bir yaklaşım Şekil 5 (A) 'da gösterilir ve her frekans doğrusal enterpolasyon katsayıları Tablo 1' de gösterilmiştir.
5. ikinci dereceden çoklu doğrusal regresyon kullanılarak, her bir frekans doğrusal enterpolasyon katsayıları için e-tabloda quartic interpolasyon katsayıları (önvurgulama katsayıları) elde etmek üzere quartic interpolasyon yürütmek. Önvurgulama katsayıları Tablo 2'de gösterilmektedir.
   NOT: Bu araştırmada, doğrusal enterpolasyon katsayıları quadrati formunda farklılıkC eğrisi; Hata minimal ancak, böyle kuadratik ve kübik denklemleri gibi işlevlerden diğer türleri, uygulanır.

Ön vurgu Tekniği dayanarak 3. Çevrimiçi Sinyal Amplifikasyon

1. güncellenmiş girdi genlik değerini hesaplar yazılımını yürütün ideal bir giriş genlik değerinden ve ön-azaltma katsayıları kullanılarak ƒ sıklığı.
   1. C ++ yazılım önvurgulama katsayıları olarak sabit değerleri kaydedin. Cihaz güncellendiğinde, bu sürekli değerler de güncellenir.
   2. Bir fonksiyonu Program
      
      ve C ++ yazılım doğrusal enterpolasyon katsayılarının. Bir _i için onların yerine, _i b, c, _{I, D,}ve denklem ve Tablo 2'den _i e.
   3. Bir fonksiyonu Program
      
      C ++ yazılım ve güncelleştirilmiş giriş genlik değeri elde için yerine ve adım 3.1.2 elde edildi doğrusal enterpolasyon katsayılarıdır.
2. ile keyfi kez 1.6 - Tekrar 1.4 adımları GUI.NOTE ön vurgu tekniği kullanılarak: PID kontrol bölgesi doymasını önlemek kadar 200 Hz, 400 mV ayarlamak için, 200 mV 300 Hz, 100 mV kadar 400 Hz, ve 50 mV 500 Hz'e kadar olan için.
3. bir grafik olarak adımı tekrar 2.2 ve çizim, pik-tepe veri kazanç iyileşmeyi görüntülemek için kullanılır.

Hareket-bulanıklık yet 4. Deneynsation

1. dokular yapışkan yapışabilen bir kayış kullanılarak 30 km / saat hızda hareket edebilen bir konveyör kayışı hazırlayın. ölçüye taşıyıcı bant benzeri bir hız-kontrol motoru, bir demir lastik kayış ve birleşiminden oluşur. Bu hız kontrol edebilir hazır taşıyıcı kayış ile ikame edilmiş olabilir.
2. yazdırılabilir bant üzerine ince doku desenini yazdırın ve konveyör bant yapıştırın.
   Not: yapıştırılan doku, Şekil 6'da gösterilmiştir. çizgili openFrameworks bir kütüphane "ofxPDF" kullanılarak programlanır ve fotografik görüntü stok fotoğraf şirketten olduğunu edilir.
3. Şekil 2'de gösterildiği gibi, bu tür bir kamera, bir lens, bir aydınlatma olarak optik cihazları ayarlayın. Kameraya bağlı olan merceğin önünde galvanometrenin ayna yerleştirin ve taşıyıcı bantı aydınlatmak için aydınlatma yerleştirin.
   1. 333 Hz, 1 ms maruz kalma süresi ve 848 * 960 (genişlik x kalınlık) için piksel sayısı için kamera frekansı ayarlanır.
4. galvanometrenin aynanın dönme zamanlaması ve kameranın pozlama süresini senkronize etme. galvanometrenin aynanın açısı poz başlamak için pozisyon geldiğinde yazılımında, program kameraya bir yazılım tetiği gönderir. Yazılım tetik zamanlaması Şekil 7'de gösterilmektedir.
5. Girdi konveyör kayışı v _t (30 km / s) ve taşıyıcı bandı L (3.0 m) makinesinden mesafe hızı Şekil 8'de olduğu gibi GUI galvanometrenin ayna açısal hızı ω _r gerekli hesaplamak için kullanılır. aşağıdaki gibi ω _r hesaplanır:
   
6. Girdi Şekil 8'de olduğu gibi GUI frekans ƒ (330.0 Hz), orijinal giriş genlik hesaplamak . HesaplamakDenklem 3" src = "/ files / ftp_upload / 55431 / 55431eq3.jpg" / aşağıdaki> gibidir:
   
7. Kopyala ve yapıştır aşağıdaki gibi kaynak koduna ve galvano servo sürücü için ön-işaretli kontrol değeri İçeride ISTV melerin RWMAIWi'nin ile galvanometreye döndürmek:
   
   burada t, zamandır. Şekil 7, θ A nasıl hesaplandığını gösterir.
8. Konveyör kayışı v _t (30 km / s) hareket ettiği kayıt ve görüntüler.
   Not: Şekil 9, taşıyıcı bandın hareketi göstermektedir.

Sonuçlar

Burada sunulan sonuçlar, AD / DA kurulu ve bir kamera kullanılarak elde edilmiştir. Şekil 1, ön-vurgu tekniğin prosedürü göstermektedir; bu nedenle, bu maddenin çekirdeğidir. Başlangıç ​​durumuna sonra PID kontrol parametrelerini ayarlamak için gereksizdir; dolayısıyla, çevrimiçi süreç önemli ölçüde basittir.

Şekil 10, sistemimize önvurgulama tekniği uygulanarak...

Tartışmalar

Bu makalede, PID kontrol izlemeyi yüksek doğruluk eğrisini elde etmek için sinüs dalgalı frekans aralığı genişleme özelliğine sahip bir yöntem sunulur. Bir galvanometrenin aynanın yanıt kendi atalet tarafından sınırlı olduğundan, denetim yolu dik olduğunda galvanometrenin ayna kullanmak için kritik öneme sahiptir. Bununla birlikte, bu çalışmada, bir kontrol özellikleri geliştirmek ve daha sonra deney sonuçlarını elde yöntemini kanıtlamak için bir yöntem önerilmektedir.

Malzemeler

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