一种傅里叶红外光谱仪摆臂运动的双闭环控制方法技术

本发明专利技术公开了一种傅里叶红外光谱仪摆臂运动控制的双闭环控制方法，属于自动控制技术领域。针对旋转式音圈电机的基本结构和工作原理，建立被控对象传递函数数学模型；在模型基础上设计内环为电流环、外环为速度环的双闭环控制策略，分别对内环的比例积分控制器和外环的比例积分微分控制器进行结构和参数设计。本发明专利技术提出的双闭环控制策略根据不同的红外光谱仪分辨率需求适用于不同的有效行程，能够保证傅里叶红外光谱仪摆臂系统末端的动镜按照预定的轨迹运行，并对负载转动惯量等系统参数有良好的鲁棒性。有良好的鲁棒性。有良好的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种傅里叶红外光谱仪摆臂运动的双闭环控制方法


[0001]本专利技术属于自动控制
，具体涉及一种傅里叶红外光谱仪摆臂运动的双闭环控制方法。

技术介绍

[0002]傅里叶红外光谱仪具有信噪比高、重现度好等特点，能够对样品进行定性及定量分析，被广泛应用于化工、石油、医药等领域。光谱仪工作时，光源发出的光由分束器分成两束，分别经过定镜和动镜反射后形成光程差，从而产生干涉。通过对干涉光信号进行傅里叶变换等处理，最终得到红外吸收光谱图。
[0003]作为仪器的核心光学元件，光谱仪的动镜安装在摆臂末端，摆臂系统的运动控制对干涉的形成起着关键作用。傅里叶红外光谱仪实际运行中，定镜保持不动，动镜与摆臂紧密相连，通过摆臂的移动产生光程差。为了保证干涉图能够均匀采样，需要光学系统的光路以给定速度匀速变化。水分检测、化学分析、高分辨率激光检测和光纤特征等研究对光谱仪的分辨率提出了更高的要求，由此对傅里叶红外光谱仪摆臂系统的运动控制精度提出了更高的要求。由于音圈电机具有高速度、高响应、结构简单等优点，被广泛应用于高精度运动系统中。以旋转式音圈电机作为执行器件，通过对电信号的处理，控制音圈电机带动摆臂以恒定速度运行，从而保证红外光谱仪的高灵敏度和高光谱分辨率。为了实现更高精度的控制，本专利对控制系统进行改进，提出双闭环控制方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，对于傅里叶红外光谱仪的摆臂控制问题，提供一种新的双闭环控制方法，其目的在于：通过双闭环控制有效改善摆臂系统的响应能力；根据不同应用场景下红外光谱仪的分辨率需求，对被控对象运动进行调节，满足匀速区时间、有效行程、掉头时间等性能指标。本专利技术所采用的技术方案如下：
[0005]一种傅里叶红外光谱仪摆臂运动的双闭环控制方法，内环为电流环、外环为速度环，包括以下步骤：
[0006]步骤1、将旋转式音圈电机以及弹簧扰轴组成的机构作为被控对象，针对旋转式音圈电机工作原理构建被控对象传递函数模型，所述被控对象传递函数模型的具体表达式为：
[0007][0008]式中，U为电机两端的电压，R是音圈电机动圈的电阻，L
Σ
是音圈电机动圈电感和电路电感之和，J
Σ
是电机总转动惯量，k是挠性支撑的弹簧系数，K
T
＝Blr，B是切割音圈电机动圈导体的磁密、l是音圈电机动圈导体的有效长度、r是音圈电机动圈受力点到转轴的距离。
[0009]步骤2、构建电流环为内环，设计PI控制器，简化电流环的固有部分为两个惯性环节，在被控对象基础上加入控制器G
c1
，控制器传递函数为：
[0010][0011]其中，K
p1
和T
i1
分别为PI控制器的比例系数和积分时间常数；
[0012]通过PI控制器将电流环调节为典型I型系统，电流环控制器的参数计算公式为：
[0013][0014]步骤3、构建速度环为外环，设计PID控制器，在电流环基础上加入速度环，将电流环等效为速度环的一个环节，设计速度环控制器；根据离散速度反馈信号的限制，利用离散的误差量经数字PID控制器校正系统，速度环的离散PID控制律为：
[0015][0016]其中，e(k)和e(k
‑
1)分别为第k次和k
‑
1次采样时的偏差值，m(k)为第k次采样时PID控制器的输出；
[0017]步骤4、根据摆臂性能要求搭建双闭环控制系统并选取参数；
[0018]步骤5、通过所述双闭环控制方法控制傅立叶红外光谱仪摆臂系统末端动镜的运动。
[0019]优选的，性能指标以及系统参数均可作为变量自定义输入，性能指标包括：匀速区时间、有效行程、掉头时间，系统参数包括：负载转动惯量、弹簧弹性系数。
[0020]优选的，引入抗积分饱和的PID控制算法，计算控制器输出时，首先判断上一时刻的控制量是否已超出限制范围，当上一时刻的控制量超出上限时只累加负偏差，当上一时刻的控制量超出下限时只累加正偏差。
[0021]本专利技术的有益效果，在于：
[0022]1.本专利技术提出的双闭环控制方法，能够调节傅里叶红外光谱仪摆臂系统的运动情况，满足给定的匀速区时间、有效行程、掉头时间等性能指标。
[0023]2.本专利技术提出的双闭环控制方法，根据不同的红外光谱仪分辨率需求适用于不同的有效行程，能够保证傅里叶红外光谱仪摆臂系统末端的动镜按照预定的轨迹运行，并对负载转动惯量等系统参数有良好的鲁棒性。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例的双闭环控制方法逻辑流程图；
[0025]图2傅里叶红外光谱仪摆臂系统被控对象结构图；
[0026]图3傅里叶红外光谱仪摆臂系统电流环控制结构图；
[0027]图4傅里叶红外光谱仪摆臂系统双闭环控制结构图；
[0028]图5是有效行程
±
2.1mm时双闭环控制系统速度曲线示意图。
具体实施方式
[0029]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0030]如图1所示，是本专利技术实施例的双闭环控制方法逻辑流程图。本专利技术采用的技术方案为，内环为电流环、外环为速度环的双闭环控制方法，包括：
[0031]S1、将旋转式音圈电机以及弹簧扰轴组成的机构作为被控对象，建立被控对象的力矩平衡方程：
[0032][0033]其中J
m
是音圈电机动圈的转动惯量，J
l
是负载转动惯量，J
Σ
＝J
m
+J
l
是电机总转动惯量，ω是音圈电机动圈转动的角速度，θ是相应转过角度，k是挠性支撑的弹簧系数。
[0034]S2、根据基尔霍夫电压定律，建立被控对象的电压平衡方程：
[0035][0036]式中U为电机两端的电压，R是音圈电机动圈的电阻，L
Σ
是音圈电机动圈电感和电路电感之和，i为通过音圈电机动圈的电流。
[0037]S3、根据S1和S2的方程，通过拉氏变换，建立被控对象的传递函数模型：
[0038][0039]及相应单位反馈闭环传递函数：
[0040][0041]式中变量的含义同S1、2，被控对象相应的结构图如图2所示。
[0042]S4、通过S1
‑
3完成被控对象的模型建立，在此基础上，进行控制系统设计。设计控制系统的内环为电流环，如图3所示，右上部分为被控对象，将其中的电流信号进行测量，与期望的电流信号进行对比，将电流偏差通过PI控制器进行补偿，通过电流环将实际的电流信号调整为期望值。在被控对象基础上加入控制器G
c1
(具体设计见S6)。加入低通滤波环节其中T
oi
为滤波时间常数，β为电流反馈系数。将PWM开关周期T
s
和滤波时间常本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种傅里叶红外光谱仪摆臂运动的双闭环控制方法，内环为电流环、外环为速度环，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将旋转式音圈电机以及弹簧扰轴组成的机构作为被控对象，针对旋转式音圈电机工作原理构建被控对象传递函数模型，所述被控对象传递函数模型的具体表达式为：式中，U为电机两端的电压，R是音圈电机动圈的电阻，L
Σ
是音圈电机动圈电感和电路电感之和，J
Σ
是电机总转动惯量，k是挠性支撑的弹簧系数，K
T
＝Blr，B是切割音圈电机动圈导体的磁密、l是音圈电机动圈导体的有效长度、r是音圈电机动圈受力点到转轴的距离；步骤2、构建电流环为内环，设计PI控制器，简化电流环的固有部分为两个惯性环节，在被控对象基础上加入控制器G
c1
，控制器传递函数为：其中，K
p1
和T
i1
分别为PI控制器的比例系数和积分时间常数；通过PI控制器将电流环调节为典型I型系统，电流环控制器的参数计算公式为：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：拓锐，任万杰，胡国星，魏振涛，蔡晨，韩吉庆，林帅，陶威，巩琛，
申请(专利权)人：山东非金属材料研究所，
类型：发明
国别省市：