CN114184547B - 一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法，包括以下步骤：S1，在扫描光栅微镜控制系统中设定扫描光栅微镜的目标机械摆角值θset；S2，通过扫描光栅微镜控制系统采集扫描光栅微镜的电压驱动信号VO和机械摆角的电压反馈信号Vθ；S3，计算相关系数，计算S2采集的电压驱动信号VO与电压反馈信号Vθ的相关系数；S4，根据S3计算的相关系数，将电压驱动信号的频率调整至扫描光栅微镜谐振频率的误差范围内；S5，根据机械摆角的电压反馈信号Vθ计算扫描光栅微镜的实际机械摆角值θ；S6，根据扫描光栅微镜的实际机械摆角值θ与目标机械摆角值θset之间的偏差及偏差变化率，通过模糊PID控制器调整电压驱动信号的幅值。

Description

一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法
技术领域
本发明涉及扫描光栅微镜技术领域，特别涉及一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法。
背景技术
扫描光栅微镜是一种将光栅集成在微镜上，具有分光和扫描功能的微型分光扫描器件，是光谱检测分析装备的新一代核心分光器件。扫描光栅微镜还具有体积小、成本低，能用单管探测器替代昂贵的阵列探测器等显著优点，由于扫描光栅微镜的扫描精度与稳定性将直接决定这类光谱检测装备的性能，因此扫描光栅微镜控制系统是保证扫描光栅微镜能高精度稳定工作不可或缺的重要组成部分。
在扫描光栅微镜的运行过程中，通过正弦波控制信号驱动扫描微镜作相应周期的往复扫描，同时为了保证扫描光栅微镜具有较低的驱动信号功耗及较好的性能，应使其尽量工作在谐振频率状态。但由于扫描光栅微镜在扫描运行过程中，容易受到不断变化的温度、湿度等环境因素的影响，且器件长时间工作后自身结构特性也会发生一定改变，如疲劳效应带来的刚度及自身谐振频率的变化等，所以器件所处的环境和自身运动状况并不是恒定的。扫描光栅微镜受到环境影响的不稳定运行，会在光学系统等应用中，产生稳定性差、精度不高等诸多不良影响，因此需要一种能够保证扫描光栅微镜稳定运行的控制方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法，其能通过双闭环分别对扫描光栅微镜的电压驱动信号的频率和幅值进行调整，使扫描光栅微镜工作在谐振状态，并控制扫描光栅微镜按目标机械摆角运行，提高扫描光栅微镜的运行稳定性。
本发明的技术方案是：一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法，包括以下步骤：
S1，在扫描光栅微镜控制系统中设定扫描光栅微镜的目标机械摆角值θset；
S2，通过扫描光栅微镜控制系统采集扫描光栅微镜的电压驱动信号VO和机械摆角的电压反馈信号Vθ；
S3，计算S2采集的电压驱动信号VO与电压反馈信号Vθ的相关系数；
S4，根据S3计算的相关系数，将电压驱动信号VO的频率调整至扫描光栅微镜谐振频率fre允许的误差范围内；
S5，根据机械摆角的电压反馈信号Vθ计算扫描光栅微镜的实际机械摆角值θ；
S6，根据扫描光栅微镜的实际机械摆角值θ与目标机械摆角值θset之间的偏差及偏差变化率，通过模糊PID控制器调整电压驱动信号的幅值。
进一步的，所述S3按以下步骤计算相关系数，
S3-1，对扫描光栅微镜的电压驱动信号VO进行归一化处理，
式中，V′O(i)为归一化后的i时刻的电压驱动信号；
VO(i)为i时刻的电压驱动信号，i∈[0,N]；
VO(min)为采集的电压驱动信号的最小值；
VO(max)为采集的电压驱动信号的最大值；
S3-2，对机械摆角的电压反馈信号Vθ进行归一化处理，
式中，V′θ(i)为归一化后的i时刻的电压反馈信号；
Vθ(i)为i时刻的电压反馈信号，i∈[0,N]；
Vθ(min)为采集的电压反馈信号的最小值；
Vθ(max)为采集的电压反馈信号的最大值；
S3-3，根据归一化后的电压驱动信号和电压反馈信号计算相关系数，
式中，r为相关系数；
为归一化后的电压驱动信号的平均值；
为归一化后的电压反馈信号的平均值。
进一步的，所述S4按以下步骤调整电压驱动信号的频率，
S4-1，设置频率调整步长为Δf；
S4-2，根据扫描光栅微镜的电压驱动信号与机械摆角的电压反馈信号之间的相关系数，判断是否需要调整电压驱动信号的频率；
当0.95≤|r1|≤1时，不调整电压驱动信号的频率，式中，|r1|为当前电压驱动信号与电压反馈信号的相关系数；
当|r1|＜0.95时，先对电压驱动信号的频率增加Δf，然后计算调整后的电压驱动信号与电压反馈信号的相关系数|r2|；
S4-3，在电压驱动信号的频率调整过程中，若|r2|＜0.95，且|r1|＞|r2|，则按-Δf继续对电压驱动信号进行调整，直至电压驱动信号的频率调整为扫描光栅微镜的谐振频率范围内；
若|r2|＜0.95，且|r1|＜|r2|，则按Δf继续对电压驱动信号进行调整，直至电压驱动信号的频率调整为扫描光栅微镜的谐振频率范围内；
若0.95≤|r2|≤1，则停止对电压驱动信号的频率进行调整。
进一步的，所述实际机械摆角按下列公式进行计算，
式中，θ为实际机械摆角；
Vθ为机械摆角的电压反馈信号；
Ksf为转换系数；
frs为扫描光栅微镜的谐振频率。
进一步的，所述S6按以下步骤进行模糊PID控制，
S6-1，以扫描光栅微镜的目标机械摆角值θset与实际摆角值θ之间的偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器按模糊控制规则输出变量，并将输出变量作为PID控制器的比例系数修正量ΔKP、积分系数修正量ΔKI、微分系数修正量ΔKD；
S6-2，按以下公式调整PID控制的控制参数，
KP＝KP0+ΔKP
KI＝KI0+ΔKI
KD＝KD0+ΔKD
式中，KP为调整后的比例系数，KI为调整后的积分系数，KD为调整后的微分系数，KP0为初始比例系数，KI0为初始积分系数，KD0为初始微分系数；
PID控制器按调整后的比例系数、积分系数、微分系数对扫描光栅微镜的电压驱动信号的幅值进行调整，使扫描光栅微镜工作在目标机械摆角状态。
采用上述技术方案：本控制方法在扫描光栅微镜的运行过程中，通过采集扫描光栅微镜的电压驱动信号和机械摆角的电压反馈信号，能判断扫描光栅微镜是否工作在谐振状态，并使扫描光栅微镜的电压驱动信号的频率能跟随其自身谐振频率的变化，保证扫描光栅微镜能始终工作在谐振状态；而且，本控制方法能够通过模糊PID控制对电压驱动信号的幅值进行调整，使扫描光栅微镜的机械摆角被调整为目标机械摆角值，从而通过双闭环实现对扫描光栅微镜机械摆角的控制，提高扫描光栅微镜的精度和稳定性。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见图1至图2，一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法的实施例，包括以下步骤：
S1，在扫描光栅微镜控制系统中设定扫描光栅微镜的目标机械摆角值为θset。
S2，通过扫描光栅微镜控制系统采集扫描光栅微镜的电压驱动信号VO和机械摆角的电压反馈信号Vθ。
S3，计算S2采集的电压驱动信号VO与电压反馈信号Vθ的相关系数，计算步骤如下：
S3-1，对扫描光栅微镜的电压驱动信号VO进行归一化处理，对电压驱动信号进行归一化处理可以消除奇异样本数据导致的不良影响，
式中，VO′(i)为归一化后的i时刻的电压驱动信号；
VO(i)为i时刻的电压驱动信号，i∈[0,N]，N为正整数；
VO(min)为0～N时刻采集的电压驱动信号的最小值；
VO(max)为0～N时刻采集的电压驱动信号的最大值；
S3-2，对机械摆角的电压反馈信号进行归一化处理，同理，对电压反馈信号进行归一化处理可以消除奇异样本数据导致的不良影响，
式中，V′θ(i))为归一化后的i时刻的电压反馈信号；
Vθ(i)为i时刻的电压反馈信号，i∈[0,N]，N为正整数；
Vθ(min)为0～N时刻采集的电压反馈信号的最小值；
Vθ(max)为0～N时刻采集的电压反馈信号的最大值；
S3-3，根据归一化后的电压驱动信号和电压反馈信号计算相关系数，
式中，r为相关系数；
为归一化后的电压驱动信号的平均值；
为归一化后的电压反馈信号的平均值。
S4，根据电压驱动信号VO与电压反馈信号Vθ的相关系数，将电压驱动信号的频率调整至扫描光栅微镜谐振频率允许的误差范围内。
由扫描光栅微镜的运动原理可知，当扫描光栅微镜运行在谐振频率状态下时，电压驱动信号与电压反馈信号的相位差为0，此时的相关系数大约为1，而扫描光栅微镜运行在非谐振状态下时，电压驱动信号的频率与谐振频率相差越大，则电压驱动信号与电压反馈信号的相位差越大，此时的相关系数越小。因此，本控制方法可采用以下方法对电压驱动信号的频率进行调整：
S4-1，设置频率调整步长为Δf；
S4-2，根据电压驱动信号VO与电压反馈信号Vθ的相关系数，判断是否需要调整电压驱动信号的频率；
由于扫描光栅微镜的谐振频率会随使用时间发生一定程度的漂移，因此，当0.95≤|r1|≤1时，则认为扫描光栅微镜工作在谐振状态下，此时不调整电压驱动信号的频率，式中，|r1|为当前电压驱动信号与电压反馈信号的相关系数；
当|r1|＜0.95时，先对电压驱动信号的频率增加Δf，然后按S3的步骤计算调整后的电压驱动信号与电压反馈信号的相关系数|r2|；
S4-3，在电压驱动信号的频率调整过程中，若|r2|＜0.95，且|r1|＞|r2|，说明调整后的电压驱动信号与电压反馈信号的相位差变大，此时，增加了Δf的电压驱动信号频率与谐振频率相差的值增大，则应该按-Δf继续对电压驱动信号进行调整，且电压驱动信号在每一次调整后都需要与前一时刻的相关系数进行比较，直至电压驱动信号的频率调整为扫描光栅微镜的谐振频率范围内；
若|r2|＜0.95，且|r1|＜|r2|，说明调整后的电压驱动信号与电压反馈信号的相位差减小，此时，增加了Δf的电压驱动信号频率与谐振频率相差的值减小，则应该按Δf继续对电压驱动信号进行调整，且电压驱动信号在每一次调整后都需要与前一时刻的相关系数进行比较，直至电压驱动信号的频率调整为扫描光栅微镜的谐振频率范围内；
若0.95≤|r2|≤1，说明调整后的电压驱动信号频率已调整在扫描光栅微镜的谐振频率范围内，则停止对电压驱动信号的频率进行调整。
本控制方法根据设定的调整步长将电压驱动信号频率逐步调整到谐振频率一定误差范围内，使扫描光栅微镜工作在谐振状态下，同时通过设置频率调整步长可以使电压驱动信号频率在调整时有一个渐变过程，避免电压驱动信号频率直接阶跃到谐振频率，从而保证扫描光栅微镜在频率调整过程中仍然能稳定运行。
S5，计算实际机械摆角，根据机械摆角的电压反馈信号计算扫描光栅微镜的实际机械摆角值，计算公式如下所示：
式中，θ为实际机械摆角；
Vθ为机械摆角的电压反馈信号；
Ksf为转换系数，由扫描光栅微镜的结构决定，为固定值；
fre为扫描光栅微镜的谐振频率，由扫描光栅微镜固有参数决定。
S6，调整电压驱动信号的幅值，根据扫描光栅微镜的实际机械摆角值与目标机械摆角值之间的偏差及偏差变化率，通过模糊PID控制器，对电压驱动信号的幅值进行调整，按以下步骤进行模糊PID控制：
S6-1，以扫描光栅微镜的目标机械摆角值θset与实际摆角值θ之间的偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，以模糊控制器的输出变量作为PID控制器各项参数的修正量；
S6-2，定义输入变量、输出变量的论域，并根据输入变量、输出变量确定模糊化的语言变量及其语言值；
S6-3，在各语言变量的所述论域上定义与语言值对应的隶属函数，并利用隶属函数计算语言值的隶属度；
S6-4，根据专家知识和经验，建立模糊控制规则，并建立模糊控制表，然后根据模糊控制规则，对输出变量的解进行模糊化，即根据输出变量的模糊化语言值的隶属度计算输出变量的确定值，从而将模糊控制器输出变量的确定值作为PID控制器的比例系数修正量ΔKP、积分系数修正量ΔKI、微分系数修正量ΔKD；
S6-5，根据PID控制器各参数的修正量，按以下公式调整PID控制的控制参数，
KP＝KP0+ΔKP
KI＝KI0+ΔKI
KD＝KD0+ΔKD
式中，KP为调整后的比例系数，KI为调整后的积分系数，KD为调整后的微分系数，KP0为初始比例系数，KI0为初始积分系数，KD0为初始微分系数，其中，KP0、KI0、KD0均根据PID控制需要，由实验人员按经验设置。
S6-6，PID控制器按调整后的比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD对扫描光栅微镜的电压驱动信号的幅值进行调整，使扫描光栅微镜工作在目标机械摆角状态。
以设定扫描光栅微镜的目标机械摆角为7为例，通过以上控制方法对扫描光栅微镜的机械摆角进行控制，部分控制结果如下表所示：
由表中数据可知，实际机械摆角在95ms～100ms时达到设定的目标机械摆角值，并且通过上述控制方法进行控制的扫描光栅微镜的实际机械摆角能始终在目标机械摆角的误差范围内，即使有微小的偏差，也是在小数点后第三位才会有偏差出现，证明本控制方法是有效可行的，能够使扫描光栅微镜高精度的稳定运行。
本控制方法在扫描光栅微镜的运行过程中，通过对采集的扫描光栅微镜的电压驱动信号和机械摆角的电压反馈信号进行相关性计算，可以判断扫描光栅微镜是否工作在谐振状态，在扫描光栅微镜的谐振频率随使用时间发生漂移后，通过本控制方法，使扫描光栅微镜的电压驱动信号的频率能跟随其自身谐振频率的变化，保证扫描光栅微镜能始终工作在谐振状态下；而且，本控制方法能够通过模糊PID控制对电压驱动信号的幅值进行调整，使扫描光栅微镜的机械摆角被调整在目标机械摆角值的误差范围内，从而通过电压驱动信号的频率调整和幅值调整的双闭环实现对扫描光栅微镜机械摆角的控制，即使扫描光栅微镜所处环境和自身运行状态不恒定，仍然能够通过本控制方法随自身的变化对电压驱动信号的频率和幅值进行调整，维持高精度稳定运行，从而提高扫描光栅微镜的精度和稳定性。

Claims (3)

1.一种基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，在扫描光栅微镜控制系统中设定扫描光栅微镜的目标机械摆角值θset；
S2，通过扫描光栅微镜控制系统采集扫描光栅微镜的电压驱动信号VO和机械摆角的电压反馈信号Vθ；
S3，计算S2采集的电压驱动信号VO与电压反馈信号Vθ的相关系数；
所述S3按以下步骤计算相关系数，
S3-1，对扫描光栅微镜的电压驱动信号VO进行归一化处理，
式中，V′O(i)为归一化后的i时刻的电压驱动信号；
VO(i)为i时刻的电压驱动信号，i∈[0,N]；
VO(min)为采集的电压驱动信号的最小值；
VO(max)为采集的电压驱动信号的最大值；
S3-2，对机械摆角的电压反馈信号Vθ进行归一化处理，
式中，V′θ(i)为归一化后的i时刻的电压反馈信号；
Vθ(i)为i时刻的电压反馈信号，i∈[0,N]；
Vθ(min)为采集的电压反馈信号的最小值；
Vθ(max)为采集的电压反馈信号的最大值；
S3-3，根据归一化后的电压驱动信号和电压反馈信号计算相关系数，
式中，r为相关系数；
为归一化后的电压驱动信号的平均值；
为归一化后的电压反馈信号的平均值；
S4，根据S3计算的相关系数，将电压驱动信号VO的频率调整至扫描光栅微镜谐振频率fre允许的误差范围内；
所述S4按以下步骤调整电压驱动信号的频率，
S4-1，设置频率调整步长为Δf；
S4-2，根据扫描光栅微镜的电压驱动信号与机械摆角的电压反馈信号之间的相关系数，判断是否需要调整电压驱动信号的频率；
当0.95≤|r1|≤1时，不调整电压驱动信号的频率，式中，|r1|为当前电压驱动信号与电压反馈信号的相关系数；
当|r1|＜0.95时，先对电压驱动信号的频率增加Δf，然后计算调整后的电压驱动信号与电压反馈信号的相关系数|r2|；
S4-3，在电压驱动信号的频率调整过程中，若|r2|＜0.95，且|r1|＞|r2|，则按-Δf继续对电压驱动信号进行调整，直至电压驱动信号的频率调整为扫描光栅微镜的谐振频率范围内；
若|r2|＜0.95，且|r1|＜|r2|，则按Δf继续对电压驱动信号进行调整，直至电压驱动信号的频率调整为扫描光栅微镜的谐振频率范围内；
若0.95≤|r2|≤1，则停止对电压驱动信号的频率进行调整；
S5，根据机械摆角的电压反馈信号Vθ计算扫描光栅微镜的实际机械摆角值θ；
S6，根据扫描光栅微镜的实际机械摆角值θ与目标机械摆角值θset之间的偏差及偏差变化率，通过模糊PID控制器调整电压驱动信号的幅值。
2.根据权利要求1所述的基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法，其特征在于：所述实际机械摆角按下列公式进行计算，
式中，θ为实际机械摆角；
Vθ为机械摆角的电压反馈信号；
Ksf为转换系数；
frs为扫描光栅微镜的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的基于双闭环的扫描光栅微镜机械摆角的控制方法，其特征在于：所述S6按以下步骤进行模糊PID控制，
S6-1，以扫描光栅微镜的目标机械摆角值θset与实际摆角值θ之间的偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器按模糊控制规则输出变量，并将输出变量作为PID控制器的比例系数修正量ΔKP、积分系数修正量ΔKI、微分系数修正量ΔKD；
S6-2，按以下公式调整PID控制的控制参数，
KP＝KP0+ΔKP
KI＝KI0+ΔKI
KD＝KD0+ΔKD
式中，KP为调整后的比例系数，KI为调整后的积分系数，KD为调整后的微分系数，KP0为初始比例系数，KI0为初始积分系数，KD0为初始微分系数；
PID控制器按调整后的比例系数、积分系数、微分系数对扫描光栅微镜的电压驱动信号的幅值进行调整，使扫描光栅微镜工作在目标机械摆角状态。
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