Анализ погрешностей системы управления автоколлиматора с активной компенсацией Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 536.8:621.384

А. Е. Городецкий, М. С. Дорошенко, И. Л. Тарасова, И. А. Коняхин

АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОКОЛЛИМАТОРА

С АКТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИЕЙ

Представлен метод увеличения диапазона измерения автоколлиматора посредством активной компенсации угла поворота контрольного элемента. Проанализировано влияние системы автоматического управления на погрешности измерений. Обосновано использование гальванометрического привода в системе управления для уменьшения динамических погрешностей и времени измерения.

Ключевые слова: автоколлиматор, погрешность виньетирования, система автоматического управления, динамическая погрешность.

Для контроля углового положения крупногабаритных конструкций требуются измерительные системы, обеспечивающие высокую точность измерения при значительной рабочей дистанции и относительно широком диапазоне измерения. Например, для измерения углового положения элементов конструкции 70 метрового радиотелескопа РТ-70 (Суффа) для работы в миллиметровом диапазоне длин волн необходима малогабаритная углоизмерительная система с погрешностью измерения не более 1,5—2" при значительной рабочей дистанции до 20 м и диапазоне измерения 10—12'. Подобные системы необходимы также для решения многих задач в производственной и научной деятельности: контроля деформаций буровых платформ, доков, фундаментов электростанций и других крупногабаритных объектов.

При решении указанных задач эффективно использовать оптико-электронные автоколлимационные системы, обладающие высокой чувствительностью измерения [1]. Одним из главных факторов, затрудняющих автоколлимационные измерения при значительных (десятки метров) расстояниях до контролируемого объекта, является ограничение рабочих пучков оправами оптических элементов.

На объекте измерения располагается пассивный контрольный элемент (КЭ) — автоколлимационное зеркало, а на опорном объекте — приемно-излучающий блок — автоколлиматор (АК).

На рис. 1 приведена обобщенная структурная схема автоколлиматора. Излучение источника излучения 1, пройдя марку 2, установленную в фокальной плоскости объектива автоколлиматора 3, формируется в параллельный пучок лучей, падающий на КЭ в виде плоского зеркала 4. Отраженный пучок после прохождения в обратном ходе объектива 3 формирует в фокальной плоскости его бокового канала (образован светоделителем 5) изображение марки. Изображение марки строится на чувствительной площадке матричного фотоприемника 6.

При повороте плоского зеркала изменяется направление оси отраженного пучка, что приводит к пропорциональному смещению изображения на матричном фотоприемнике 6.

После обработки видеокадров с матрицы 6, соответствующих исходному и повернутому положению плоского зеркала 4, микропроцессорным блоком 7 определяется величина смещения изображения х, которая при известном фокусном расстоянии объектива/' позволяет рассчитать угол 0 поворота зеркала как

в = |аг«в (^,). (1)

Рис. 1

Принципиальной особенностью автоколлимационного метода является смещение отраженного пучка относительно центра апертуры объектива автоколлиматора при повороте зеркала. Возникающее при этом виньетирование пучка, формирующего изображение марки, приводит к появлению погрешности измерения.

Алгоритмическая компенсация погрешности из-за виньетирования возможна, если при повороте зеркала, расположенного на расстоянии Ь, на угол 0 смещение отраженного пучка не превышает половины апертуры Б объектива автоколлиматора [2]:

% > Ы§20 . (2)

Из этого условия следует, что при измерении типичных угловых деформаций крупногабаритных конструкций в диапазоне 10—20' рабочая дистанция автоколлиматора с апертурой 30—100 мм не превышает нескольких метров, этого недостаточно для многих практических случаев. Например, при измерении угловых деформаций элементов радиотелескопа РТ-70 в диапазоне 12' при апертуре объектива 100 мм рабочая дистанция составляет 7,2 м при требуемой величине 20 м.

Для увеличения рабочей дистанции при заданном диапазоне измерения (или наоборот, увеличения диапазона измерения на требуемой рабочей дистанции) может применяться активная компенсация отклонения пучка при повороте зеркала. В схему автоколлиматора включается система автоматического управления (САУ) 8 (см. рис. 1), которая в процессе измерения поворачивает плоское зеркало (например, с помощью электродвигателя отработки) в направлении, обратном повороту контролируемого объекта и удерживает отраженный пучок в пределах входной апертуры его объектива.

САУ запускается по сигналам, формируемым микропроцессорным устройством обработки 7, при смещении изображения марки на матричном фотоприемнике относительно положения, соответствующего отсутствию поворота контролируемого объекта. Отработка поворота плоского зеркала выполняется до момента восстановления исходного положения

изображения марки. При этом целесообразно связь между устройствами 7 и 8 осуществлять по беспроводному радиоканалу или инфракрасному каналу, в зависимости от расстояния между указанными устройствами.

Величина измеряемого угла 0 поворота зеркала в каждый момент времени равна сумме двух углов: 01, определяемого по выражению (1), и а, формируемого САУ. Непосредственно величина угла поворота а определяется элементом, интегрирующим компенсирующее воздействие на плоское зеркало, например, сельсином, механически связанным с электродвигателем отработки.

Таким образом, использование САУ позволяет преодолеть ограничение по диапазону измерения (или дистанции работы), определяемое условием (2).

Однако рассмотренный способ увеличения диапазона измерения требует создания высокоточной САУ углом поворота с обратной связью по положению отраженного пучка. При этом важной характеристикой системы является зависимость динамической погрешности измерения угла а, формируемого САУ, от времени измерения, т.е. времени поворота зеркала из начального положения в положение, соответствующее предельному углу поворота по условию (2). Быстродействие САУ должно быть достаточным для удержания отраженного пучка в области апертуры объектива при дальнейшем увеличении угла (полагаем скорость поворота зеркала вследствие поворота контролируемого объекта постоянной).

Рассмотрим динамические погрешности при использовании для компенсации поворота зеркала типичной САУ, построенной на основе электродвигателя постоянного тока со следующими параметрами: номинальная скорость юн = 314 1/с; номинальный момент М = 0,3 Н-м;

4 2

номинальное напряжение ин = 220 В; момент инерции 3 = 2,93-10 кг-м ; коэффициент момента Ст = 0,73 Н-м/А; коэффициент Се = ин / юн =0,7 Вс; постоянные времени Тт = 2,6-10 с и Те = 1,3-10-6 с.

Структурная схема САУ показана на рис. 2, здесь используются следующие обозначения: Жрп — передаточная функция регулятора перемещения, Жрс — передаточная функция регулятора скорости, ^цАП — коэффициент преобразования ЦАП, К'^П — коэффициент преобразования АЦП скорости двигателя, К" АцП — коэффициент преобразования перемещения, Ку — коэффициент усиления усилителя, Кред — коэффициент редукции, р — оператор дифференцирования.

► ■1 Г к КЦАП Ку 1/Се

Р

К'

АЦП

К

АЦП

1/(ТеТтр2+Ттр+1)

■ Кред/р

Рис. 2

В качестве регулятора скорости двигателя будем использовать пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) с передаточной функцией Жрс = (К3р + К1р + К2)/р и следующей настройкой параметров: К1 = Тт; К2 = 1; К3 = ТтТе, обеспечивающей наилучшее управление скоростью двигателя. Разрядность п ЦАП и АЦП выбираем из условия получения погрешности преобразования не выше 0,01 %, а именно 2п > 100/0,01.

Положим

п

= 14, тогда при х = 2-10 м получим: К

цап = и = 26,4 -10-3:

кЦап

>14

2ш,

-.14

=26,089; КЦАП =-= 4,1 -105.

2 х

Если в САУ использовать ЦАП со стандартным уровнем выходного напряжения 12 В, то Ку = 220/12 = 18,7. Коэффициент редукции Кред выбираем исходя из требуемой скорости перемещения плоского зеркала: Vaк = 2000 м/с, Кред = Vак/ юн = 6,4 м.

Анализ влияния настройки регулятора перемещения проводился с помощью компьютерного моделирования САУ. При этом анализировались регуляторы двух типов: пропорциональный ^рп = Кп) и пропорционально-интегральный ^рп = Кп + Ки/р). Результаты моделирования при Кп = 10-4 (Ж^, Ки = 2-10-5 ^2) показаны на рис. 3.

х, мм 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2

> к

\

г

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 /, с

Рис. 3

Как показывает анализ приведенных графиков, при использовании стандартного двигателя в следящем режиме при времени измерения менее 0,5—0,6 с возможна большая динамическая погрешность.

Для уменьшения динамической погрешности и времени измерения требуется применение специализированного быстродействующего электропривода. В частности, в качестве быстродействующего электропривода можно использовать гальванометр, математическая линейная модель которого имеет вид:

_ U - Cepa

_ щр+ь,

а _

(с - k2)(Tmр2 + 2Ъ,Ттр +1):

(3)

где а — угол поворота, р = ё/Ж, R и I — активное сопротивление электрической цепи с рамкой и ее индуктивность, Те = l/R — электромагнитная постоянная времени, J — момент инерции рамки, п и с — коэффициент демпфирования и жесткость пружины, ^ = Ста0, k2 = Ст10, а0 и 10 — установившиеся значения угла и тока рамки, Ст — коэффициент момента, и — под-

Т I J

водимое к рамке напряжение, Тт = - — механическая постоянная времени,

\с - k2

_-П--коэффициент затухания.

2Тт (с - ^

Обычно у гальванометров значение Те очень мало и им пренебрегают, значение затухания £ лежит в пределах 0,4—0,6 и собственная частота/ = 1/2пТт — в пределах 100—7000 Гц.

Введя обозначение К = k1/R(c — k2) и полагая в модели (3) Те = 0 и Се = 0, ввиду их ма-

22

лости получим: Wg = а(р)/и(р) = К/(Тт р + 2СТ„р + 1). Тогда структурную схему САУ можно представить в виде, приведенном на рис. 4. При этом в САУ целесообразно использовать ПИД-регулятор с передаточной функцией:

Wp = Ki + K2P + K3/p, (4)

где K3 = юз/К5д, где 5д — допустимая погрешность отработки синусоидального входного сигнала частотой юз (U = sin юз t, юз < 1/Tm), K2/K3 = Tm2, K1/K3 = 2ZTm.

На рис. 5 приведены результаты компьютерного моделирования САУ, построенной на базе гальванометра М004.3.5, имеющего следующие характеристики: полоса рабочих частот от 0 до 1700 Гц, максимально допустимый ток I = 80 мА, внутреннее сопротивление R = 15 Ом, чувствительность Sa = 1,5 рад/А, собственная частотаf = 3500 Гц. Моделирование выполнялось для Tm = 1/2f0 = = 1/6,28-3500 = 4-10-5 c; K = k1/R(c - k2) = SA/R = 1,5/15 = 0,1; Z = 0,4; 5д = 0,001; Юз = 100 1/c.

а, рад

-+0

0,5

0

20

40 t, мкс

Рис. 4 Рис. 5

Из результатов моделирования следует, что при времени измерения, большем 40 мкс, динамическая погрешность пренебрежимо мала. Такого быстродействия углоизмерительной системы вполне достаточно для определения угловых деформаций крупногабаритных конструкций.

Кроме приведенных гальванометрических электроприводов можно использовать приводы на основе соленоидов и электромагнитов, также имеющих высокое быстродействие. Для космических систем, работающих в условиях глубокого вакуума и сверхнизких температур (до 4 К), целесообразно использовать в САУ пьезоэлектрические приводы.

Таким образом, использование в САУ поворота КЭ стандартных электромагнитных двигателей для увеличения диапазона измерения возможно только при медленно изменяющихся углах поворота объектов измерения. При быстром изменении углов поворота объекта измерения целесообразно для увеличения диапазона измерения применять САУ на базе гальванометра либо перемещать падающий или отраженный луч, устанавливая по ходу луча управляемый от САУ оптико-электронный дефлектор.

Исследования по тематике статьи выполняются при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям РФ в рамках аналитической ведомственной целевой программы „Развитие научного потенциала высшей школы (2009—2010 годы)" и федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009—2013 гг.

1

список литературы

1. Джабиев А. Н., Коняхин И. А., Панков Э. Д. Автоколлимационные углоизмерительные средства мониторинга деформаций. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 2000. 197 с.

2. Коняхин И. А., Лю Лэй. Компенсационный алгоритм автоколлимационных измерений повышенной точности // Науч.-техн. вестн. СПбГУ ИТМО. 2005. Вып. 18. С. 232—236.

Сведения об авторах

Андрей Емельянович Городецкий — д-р техн. наук, профессор; Институт проблем машиноведения РАН,

лаборатория методов и средств автоматизации, Санкт-Петербург; E-mail: g27764@yandex.ru

Лабораторный спектрофотометр для ультрафиолетовой области спектра 81

Максим Сергеевич Дорошенко — Институт проблем машиноведения РАН, лаборатория методов и

средств автоматизации, Санкт-Петербург; младший научный сотрудник; E-mail: m.s.doroshenko@gmail.com Ирина Леонидовна Тарасова — канд. техн. наук; Институт проблем машиноведения РАН, лаборато-

рия методов и средств автоматизации, Санкт-Петербург; старший научный сотрудник; E-mail: g17265@yandex.ru Игорь Алексеевич Коняхин — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный

университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: igor@grv.ifmo.ru

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

оптико-электронных приборов и систем 03.06.10 г.

УДК 535.345.1

Н. П. Белов, О. С. Гайдукова, И. А. Панов, А. Ю. Патяев, Ю. Ю. Смирнов, А. С. Шерстобитова, А. Д. Яськов

ЛАБОРАТОРНЫЙ СПЕКТРОФОТОМЕТР ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ

ОБЛАСТИ СПЕКТРА

Рассмотрены конструктивные особенности и основные технико-эксплуатационные характеристики лабораторного спектрофотометра для измерения коэффициента пропускания различных объектов в ультрафиолетовой области спектра X = 200—400 нм. Приводятся результаты апробации прибора на твердотельных оптических материалах, водных растворах фенолов и нефтепродуктов, а также рассматриваются возможности его использования для контроля химико-технологических производственных процессов (на примере отбельных производств в целлюлозно-бумажной промышленности).

Ключевые слова: ультрафиолетовая спектрофотометрия, оптические материалы, фотометрия фенолов и нефтепродуктов, оптика целлюлозы, теория Кубелки—Мунка.

Спектральные (спектрофотометрические) исследования в ультрафиолетовом диапазоне длин волн (X = 200—400 нм) представляют существенный интерес для современной экологии (в частности, при определении концентраций фенолов и нефтепродуктов в воде [1]), биологии и медицины [2, 3], химии и химико-технологических производств [4], материаловедения и др.

Применяемые лабораторные приборы достаточно разнообразны по своим конструктивным и техническим характеристикам. Они могут быть построены как на основе монохрома-торов традиционного типа (с поворотом плоской дифракционной решетки), что требует значительного времени для регистрации спектров, так и полихроматоров с плоскими или вогнутыми дифракционными решетками. Последние зачастую представляют собой малогабаритные модули с вводом оптического сигнала через оптическое моноволокно и, таким образом, являются скорее комплектующими узлами (спектральными датчиками) для приборов фотометрического типа. Многие из этих модулей имеют низкую чувствительность при длине волны X < 350 нм.

В настоящей работе рассматриваются конструктивные особенности и основные технико-эксплуатационные характеристики лабораторного спектрометра на основе полихроматора, предназначенного для измерения спектров пропускания в области X = 200—400 нм. Данный прибор имеет относительно высокую скорость регистрации спектров и приемлемую