Технические науки:12.Автоматизированные системы управления на производстве.

Бойков В.В., Бушуев А.Б., Быстров С,В., Григорьев В,В.,

Литвинов Ю.В., Мансурова О.К.

Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий Механики и Оптики. Россия.

Исследование статических и динамических характеристик систем с адаптивной оптикой

При разработке сложных, многорежимных электромеханических систем с адаптивной оптикой достаточно часто неизбежно возникает задача построения регулятора с учетом не стационарности. В современной теории управления еще не разработаны общие подходы к решению задач синтеза нелинейных систем управления рассматриваемого класса, с помощью которых мог бы быть решен весь спектр задач, связанных с проектированием систем управления. В докладе рассматриваются условия обеспечения качественной экспоненциальной устойчивости для дискретных систем и объектов с периодически изменяющимися коэффициентами на основе модификации классических уравнений Ляпунова и Риккати путем последовательного решения цепочки матричных уравнений Ляпунова, что позволяет получать более высокие качественные показатели качества переходных процессов проектируемых динамических систем. Разработана структура комплекса для измерения качественных показателей систем с адаптивной оптикой и предложены методы цифровой обработки информации и ее использования для целей управления[1-9].

Цифровой контрольно-измерительный стенд

При разработке и исследовании систем адаптивной оптики, где основные функции связаны с прецизионным позиционирование оптических элементов в микрометровом диапазоне с погрешностями в десятки нанометров, центральное место занимают вопросы, связанные с градуировкой датчиков положения, снятием статических и динамических характеристик исполнительных пьезоприводов, отработки алгоритмов снятия и преобразования информации с датчиков волнового фронта, а также алгоритмов управления.

Рассмотрим, в качестве примера, один из вариантов построения такой измерительной системы. На рисунке 1 показана функциональная схема измерительного стенда. Оптическая часть измерительного стенда построена по схеме интерферометра Майкельсона.

Зеркало 3 является аналогом сегмента составного зеркала телескопа и перемещается тремя пьезоприводами ПД1-ПД3. В качестве приемника изображения используется цифровая видеокамера 9. Цифровое изображение интерферограммы передается в компьютер 1 через порт USB. Блок управления 2 построен на базе микроконтроллера и осуществляет управление тремя приводами, получая задания на перемещения зеркала от компьютера 1. Таким образом, зеркало с тремя пьезоприводами, блок управления и видеокамера связаны с компьютером 1, образуя единый контрольно-измерительный комплекс.

Принцип действия стенда

Расширитель пучка преобразует квазиплоский волновой фронт волны лазерного излучения в сферический. В результате сложения падающей и отраженной волн на экране 8 наблюдается чередование концентрических колец, соответствующих минимумам и максимумам интенсивности интерференционной картины, как показано на рисунке 2.

При продольном перемещении зеркала на величину, равную четверти длины волны лазерного излучения, в центре интерференционной картины наблюдается максимальный размер кольца с минимумом освещенности. При перемещении на величину, равную половине длины волны, в центре интерференционной картины наблюдаем максимальный размер кольца с максимумом освещенности.

Наклон зеркала, вызванный линейным перемещением испытуемого привода, приводит к смещению центра интерференционных колец относительно первоначального положения. Два дополнительных пьезопривода используются для компенсации указанного смещения.

Измерение перемещения штока испытуемого пьезоактюатора выполняется по способу компенсации наклонов зеркала. Для этого после перемещения штока испытуемого пьезоактюатора на некоторую величину выполняется компенсация наклона зеркала посредством контроля интерференционной картины и управляемого перемещения штоков дополнительных приводов. После завершения компенсации наклона величина продольного перемещения зеркала определяется по интерференционной картине и считается равной линейному перемещению штока испытуемого пьезоактюатора.

Структурная схема измерительной системы

Структурная схема измерительной системы представлена на рисунке 3. По командам ЭВМ верхнего уровня блок управления формирует напряжение, которое подается на пьезоактюатор. Пьезоактюатор перемещает управляемое зеркало интерферометра на некоторое расстояние, что приводит к изменениям в интерферограмме, которые фиксируются видеокамерой и передаются в компьютер. По специальной программе рассчитывается линейное перемещение пьезоактюатора, сопоставляемое сигналу датчика микроперемещений.

На рисунке 3 приняты следующие обозначения:

- передаточная функция преобразователя, - передаточная функция исследуемого пьезоактюатора, - передаточная функция компенсирующего пьезоактюатора, - нелинейная передаточная характеристика исследуемого датчика, - коэффициент передачи датчика микроперемещений, - коэффициент передачи разомкнутого пьезопривода, - передаточная функция регулятора компенсирующего пьезопривода, - передаточная функция регулятора верхнего уровня,S - параллельное перемещение зеркала,, - углы наклона зеркала.

Система управления верхнего уровня реализована на базе персонального компьютера. С него на блок управления поступает задание на перемещение штока испытуемого пьезоактюатора и снимается оцифрованный сигнал градуируемого датчика. Обработка интерферограммы сводится к решению следующих задач.

Первой задачей по обработке изображения интерферограммы является нахождения центра интерферограммы (центра колец).

Второй задачей является нахождение перемещения пьезоактюатора по наклону зеркала.

Третья задача заключается в нахождении точного значения перемещения зеркала по площади центрального кольца.

Характеристики измерительного стенда. Измерительный стенд на базе интерференционного измерителя положения зеркала с цифровой обработкой изображения на базе компьютера и активными управляемыми пьезоприводами позволяет полностью автоматизировать процесс определения параметров пьезоактюатора и градуировки датчика микроперемещения. Используемые пьезоактюаторы обеспечивают линейное перемещение зеркала до 12 мкм. Центр колец интерференционной картины остается в пределах поля зрения видеокамеры при наклонах зеркала до 2 угл. мин. На стенде уверенно определяются перемещения испытуемого пьезоактюатора с разрешением 0.01 мкм.

Литература

1. В.И Бойков, С.В. Быстров, В.В. Григорьев. .Система управления положением сегментов составного зеркала адаптивного телескопа.//Изв. Вузов. Приборостроение.2004.Т.47.,№8.

2. Бобцов А. А., Быстров С. В., Григорьев В. В., Дудров П. В., Козис Д. В., Костина О. В., Мансурова О. К. Построение областей допустимых изменений параметров гарантированного качества процессов динамических систем // Мехатроника, автоматизация, управление. Приложение. – 2006. – №10. – С. 2–5.

3. Бобцов А.А., Григорьев В.В., Наговицина А.Г. Алгоритм адаптивного управления нестационарным объектом в условиях возмущения и запаздывания // Мехатроника, автоматизация, управление. – 2006.- №7

4. Быстров С.В., Бойков В.И., Бобцов А.А., Григорьев В.В. Устройство для испытания пьезоэлектрического привода и его элементов. Патент на полезную модель №76138, рег.10.09.2008, по заявке №2008111341, приоритет от 24.03.2008.

5. Патент № 87 043 на полезную модель. Бобцов А.А., Бойков В.И., Бушуев А.Б., Быстров С.В., Григорьев В.В.. Устройство для испытания пьезоэлектрического привода и его элементов. Зарегистрировано 20.09. 2009 г.

6. Бойков В.И., Быстров С.В., Григорьев В.В., Обертов Д.Е. Пьезопривод на основе тонкопленочного пакетного пьезоактюатора. // Изв.вузов. Приборостроение. 2009.Т.52, №11.С.72-77.

Сведения об авторах:

1. Бойков Владимир Иванович,

ГОУВПО «Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий Механики и Оптики», к.т.н., доцент. Адрес: Россия, Санкт-Петербург, Смоленская наб., д.1, кв.123, р.т. (812) 595-41-28, д.т. (812) 745-30-81. Email: vibru@mail.ru

Boikov Vladimir Ivanovich, the senior lecturer of chair of Control systems and Computer science, the St.-Petersburg State University of Information Technologies Mechanics and Optics

2. Бушуев Александр Борисович,

ГОУВПО «Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий Механики и Оптики», к.т.н., доцент. Адрес: Россия, Санкт-Петербург, Петергофское шоссе, д.11/21, кв.434., р.т. (812) 595-41-28, д.т. (812) 745-30-81 Email: bushyev@inbox.ru

Bushyev Alexandr Borisovich, the senior lecturer of chair of Control systems and Computer science, the St.-Petersburg State University of Information Technologies Mechanics and Optics.

3. Быстров Сергей Владимирович,

ГОУВПО «Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий Механики и Оптики», к.т.н., доцент. Адрес: Россия, Санкт-Петербург, Невский пр.,д.109, кв.28, р.т. (812) 595-41-28 Email:sbystrov@mail.ru

Bystrov Sergey Vladimirovich, the senior lecturer of chair of Control systems and Computer science, the St.-Petersburg State University of Information Technologies Mechanics and Optics.

4. Григорьев Валерий Владимирович.

Профессор кафедры Систем Управления и Информатики, ГОУВПО «Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных технологий Механики и Оптики» Адрес: г.С-Петербург, ул. Ленина, д.50, кв.31,р.т. (812) 595-41-28, д.т. (812) 235-55-34 Email: grigvv@yandex.ru

Grigoriev Valery Vladimirovich. The professor of chair of Control systems and Computer science, the St.-Petersburg State University of Information Technologies Mechanics and Optics.

5. Литвинов Юрий Володарович,

доцент кафедры Систем Управления и Информатики, ГОУВПО «Санкт-Петербургский Государственный Университет Информационных Технологий Механики и Оптики», к.т.н., г.С-Петербург, ул.Решетникова, д.13, кв.30, р.т. (812) 595-41-28, д.т. (812) 656-97-25 Email: yurl13@yandex.ru

Litvinov Jury Volodarovich, the senior lecturer of chair of Control systems and Computer science, the St.-Petersburg State University of Information Technologies Mechanics and Optics

6. Мансурова Ольга Карибековна,

доцент кафедры Автоматизации производственных процессов «Северо-западный политехнический университет», ктн., г.С-Петербург, ул. Ленина, д.50, кв.31., р.т. (812) 571-60-02, доб. 5137.

Mansurovа Olga Karibekovna, the senior lecturer of chair of Automation of productions «Northwest polytechnical university»