光电信息控制

光电信息控制（精选7篇）

光电信息控制 篇1

随着高层体系结构(HLA)的出现,光电信息控制仿真系统的软件开发无需再进行大量底层的细节工作,只需设计仿真对象模型、界面以及定义对象的交互信息,解决了系统的扩展问题,减少了网络冗余数据[1]。然而HLA的原理决定了系统的开发是基于成员级的开发,这种开发模式降低了系统的可维护性和互操作性,导致模型开发随意性较强,重用性较差[2]。

针对基于HLA的仿真系统在开发维护过程中出现的上述不足,提出采用基本对象模型(BOM)开发标准设计光电信息控制仿真系统,从层次上划分系统仿真模型,在对低层次模型接口和功能设计基础上,利用BOM标准开发出高层次模型或联邦成员,从而提高模型的规范化程度,保持联邦成员可重用性和灵活性。

1 BOM概述

BOM作为开发仿真模型组件的基础,为一组可重用的信息包,用来表示仿真内部交互活动的各种模式,它可作为一个仿真应用开发和/或仿真应用或联邦成员模型扩展的构建模块应用到仿真系统的开发和扩展中,通过不同的仿真模型组件组合实现联邦成员的灵活性和可组构性[3]。如图1所示,BOM包含四个主要的模板组件:模型识别、概念模型、模型映射和HLA对象模型[4]。

模型识别是BOM的重要组件,提供了没有包含在OMT数据中的关键重用信息,是BOM重用的前提和保证;概念模型通过概念实体类型和概念事件类型静态描述存在真实世界中的事物,并以相互作用的模式和状态机动刻画这些真实世界中的事物之间是如何相互作用。HLA对象模型是对应于概念模型的仿真模型,描述了对象类和交互类的结构以及相关的属性和参数。模型映射将概念模型中的实体类型和事件类型映射到HLA-OMT结构规范中的对象模型,从而使得概念模型和HLA对象模型的开发呈现松耦合特性。

2 光电信息控制系统仿真框架设计

在对光电信息控制系统进行仿真时,采用分层结构与组件化设计方法,依据BOM的可组合特性进行自底向上的仿真开发。首先根据仿真需求,确定构成仿真系统的实体集合及其之间的交互关系;然后根据实体关系,确定系统联邦成员;再根据实体的可分解性,将模型划分为不同层次的模型;最后基于BOM标准采用自底向上的方法进行仿真开发。

光电信息控制系统的仿真框架包含四个层次:基本模型、组合模型、联邦成员和联邦。基本模型是仿真中不需要分解的实体;组合模型由基本模型通过一定的接口关系组合而成;联邦成员和联邦是基于BOM组件对HLA规则的实现。光电信息控制系统仿真框架组成如图2所示。

3 基于BOM的模型设计

BOM的重要特性是可组合性5],因此,基于BOM的光电系统仿真模型设计可分为三步:(1)根据模型的复杂度和可分解性划分系统内的仿真对象模型;(2)按照BOM标准对基本模型的接口和功能进行设计;(3)利用BOM生成工具设计组合模型和联邦成员。

3.1 基本模型设计

基本模型设计需要按照BOM规范定义概念模型的相互作用模式、实体类型和事件类型,开发对应的对象模型,完善模型映射及元数据等信息,最终输出为XML格式的BOM定义文件。基本模型设计内容主要包括接口设计和功能设计两部分。接口设计负责基本模型的仿真调用,定义各个基本模型之间的接口关系;功能设计用于封装模型功能,对外提供输入输出接口。图3为基本模型组件的调用流程。

以激光信号处理设备为例说明基本模型设计过程。首先,对模型所涉及的对象/交互类接口关系进行设计,分别如表1和表2所示;然后,在明确接口的基础上,根据激光信号处理设备在目标对象中的实际功能,对模型进行封装,其调用及功能流程如图4所示。

3.2 组合模型设计

由于BOM的组合方式有两种:一是将所有子BOM内容复制到新BOM中;二是在新BOM中定义更高层次相互作用模式,模式动作或者模式变化引用其他BOM[6]。因此,在进行组合模型设计时,应先分析该模型的组合方式,然后根据组合方式从基本模型库中选取可使用的BOM或开发新的BOM,再通过特定的BOM组合工具完成模型组合,并增加元数据[7]。系统内的组合模型如表3所示。

光电系统对象1模型组合图如图5所示。采用的是第一种组合方式。其中,激光信号处理模型为基本模型激光信号处理设备所对应的实体类,其他对应关系类似,箭头走向表明了组合模型内部的交互关系。

3.3 联邦成员和联邦设计

联邦成员和联邦的设计方法[8]与组合模型设计方法类似,都是通过BOM组合工具来完成的。在组装联邦成员之前,先利用BOM开发工具形成描述信息BOM;在生成模型组件BOM后,通过模型组装工具将相应的模型组件聚合为成员配置文件。

采用BOM思想设计的联邦成员,不再独自包揽整个联邦成员的设计和开发,而是可以独立承担某个熟悉领域内的模型设计和开发。每个模型没有直接的耦合关系,它们只有参与某一仿真活动,为了完成共同的仿真功能,组合到一个联邦成员中协作完成任务,但是它们可以应用到需要它们的其他联邦成员中,而不需要重新修改代码,甚至不需要重新编译,使模型可以在不同的联邦和不同的联邦成员中得到重用。而真正需要修改的是每次仿真的联邦成员配置信息,由该配置信息决定哪些模型参与此次仿真活动,完成对参与仿真的模型的组合。图6为光电信息控制成员1组装图。

4 基于BOM的光电信息控制仿真系统实现

基于BOM的光电信息控制仿真系统采用KDSmart Sim来实现。KD-Smart Sim由基于BOM的组件生成工具(BOMFactory)、仿真模型组件装配工具(Fed Assemble)和可扩展仿真运行框架(XSRFrame)三部分组成,其开发步骤如下:

(1)在光电信息控制系统框架设计的基础上,利用BOMFactory工具对要开发的系统仿真模型组件进行建模,并产生模型组件的描述文件BOM,在通过HLA对象模型表描述仿真模型组件与外界进行信息交互能力的同时,通过相互作用模式表和概念模型表描述仿真模型组件内部的动态行为。

(2)利用BOMFactory产生的BOM并生成相应的仿真模型组件代码(特定于C++的编程语言),在Microsoft VC++开发集成环境下完成仿真模型组件的开发和调试。

(3)利用Fed Assembler构建所需联邦成员的配置文件,该文件描述了联邦成员间信息交互能力,以及构成联邦成员所需的各个仿真模型组件的交互信息,通过该文件还可以设置联邦成员的基本信息(如联邦名、联邦成员名等),设置各个仿真模型组件的初始化时间、更新频率和结束时间等。

(4)运行XSRFrame仿真运行框架,加载光电信息控制系统联邦成员的配置文件,自动加载构建联邦成员所需的仿真模型组件,快速完成联邦成员的创建,利用运行框架提供的仿真调度器协调每个仿真模型组件的仿真运行逻辑。

光电信息控制仿真系统BOM模型组件的自动封装需要文件包括模型映射文件(*.IPOmap)、模型头文件(*.h)、接口描述文件(*.IPO)、模型动态链接库(*.DLL)和模型静态库(*.LIB)五个文件,具体封装工具及过程如图7所示。

整个系统的仿真运行控制由BOM组件运行控制程序(KD-MCC)来执行。通过调用由仿真脚本生成的仿真执行方案,控制系统内所有仿真成员以及RTI服务器的启动。光电信息控制仿真系统运行控制界面图如图8所示。

5 结 论

研究了基于BOM的光电信息控制系统仿真框架和模型设计思想,采用这种方法构建出的系统模型,覆盖光电信息控制系统的主要信息控制手段和主要目标对象,其功能与仿真框架松耦合,提高了模型开发效率及专业性,使模型的可重用性大大增强。以此为基础开发出的光电信息控制仿真系统,模型具有通用性和典型意义,具有很强的灵活性和可扩展性,对于后续光电信息控制领域的仿真研究意义重大。

一种光电控制的定时控制器 篇2

一、光电控制定时器的结构

该控制器由定时控制电路、光电控制电路和电灯驱动电路三部分组成, 如图1所示。

其中，光电传感器检测环境光线的强弱，将光的亮度信号转换成电流信号，再通过光电控制电路变换成电压控制信号。当环境光线强度降低到一定程度，光电控制电路输出高电平信号，通过电灯驱动电路把照明灯点亮，同时启动定时控制电路开始定时，到达预定时间后，定时控制电路输出高电平信号，通过电灯驱动电路把照明灯熄灭，完成一次控制过程。光电控制定时器电路如图2所示。下面分别介绍光电控制定时器各部分的工作原理。

二、定时控制电路

定时控制电路是由R1、R2、C1、IC1和IC2组成。IC1的型号为CD4060，该芯片由两部分组成，一部分是振荡器，另一部分为分频器。分频器是由触发器组成的14位二进制串行计数器，在时钟脉冲的作用下进行增量计数，且所有输入端和输出端都有缓冲级。振荡器可以外接石英晶体构成高精度的晶体振荡器，也可以通过外接电阻和电容构成RC振荡器，如图3所示。

振荡频率由R1、C1决定，具体计算方法见下面公式：

例如取R1=4.3KΩ，C1=0.1μF，则振荡器输出信号频率f≈1kHz。经CD4060的14级分频后，由Q14脚输出。

IC2的型号为CD4020，它是14位二进制串行计数器/分频器。它在电路中的作用是对CD4060输出脉冲进行分频，可从CD4020的Q8～Q11的任一管脚输出脉冲信号，实现延时的功能。当振荡器的频率f≈1kHz时，可得到1～9小时的延时时间。注意DIP开关K1每次只能选中CD4020的Q8～Q11中的一个管脚，不能同时选两个。

当IC4芯片的2脚输出高电平时，IC1和IC2被复位，定时器不工作;当IC4芯片的1脚输出高电平时，照明灯亮，2脚输出低电平，使定时器开始定时，定时时间由K1开关1～4的开关位置决定;当定时时间到时，IC2输出高电平使IC4复位，IC4的1脚输出低电平，使照明灯熄灭;IC4的2脚输出高电平，使IC1和IC2复位，定时器停止工作，准备下一个循环过程。

三、光电控制电路

光电控制电路由光敏三极管T1、R3、C2、IC3组成。光电传感器采用的是光敏三极管T1，其型号为3DU32，反向击穿电压45V，暗电流≤0.3μA，光电流≥2m A.。光敏三极管在原理上类似晶体管，只是其集电结为光敏二极管的结构，由于基极电流可由光敏二极管提供，故一般没有基极引脚。如在光敏三极管集电极c和发射极e之间加电压使集电结反偏，在无光照时ce间只有漏电流Iceo，称为暗电流。有光照时，将产生光电流Ib，同时Ib被放大形成集电极电流Ic。在使用光敏三极管时除了实际运行时电参数不能超限外，还应考虑入射光的强度是否恰当，过强的入射光将使管芯温度上升，影响工作的稳定性。

IC3电路的型号为NE555，由它构成一个施密特触发器。白天有光线照射时，光敏三级管T1有光电流输出，通过R1转换成发射极电压Ve。当Ve≥3.3V时，IC3的3脚输出低电平;当夜晚无光照射时，T1输出暗电流;当Ve≤1.7V时，IC3的3脚输出高电平，将IC4置位，使照明灯点亮。

四、电灯驱动电路

电灯驱动电路由R6、V1、C5和IC4组成。V1是固态继电器，其型号为TLP3023，触发电流为5m A，正向电流为50m A。R6为限流电阻，C5为保护电容，IC4的型号为CD4013，是双D触发器;这里只使用了一半，另一半的输入端应接地，输出端悬空。

当IC3输出高电平时，IC4被置1时，IC4的1脚输出高电平，通过R6使V1内的发光管发光，使V1内双向可控硅导通，照明灯点亮。当IC2通过DIP开关K1输出高电平时，IC4被复位，IC4的1引脚输出低电平，V1内双向可控硅截止，照明灯熄灭，同时还使IC1、IC2复位，停止定时。

五、结语

光电信息技术实验教学建设 篇3

一、系列实验独立性与课程实验辅助性

我校光电信息技术实验教学环节课程建设时, 始终坚持以学生的实践能力和创新能力培养为核心, 以增加综合性实验、设计性实验、研究创新型实验为指导思想。已经把相关的基础课打通, 按照光电信息类专业的培养目标和所需技能要求, 把各门课程的实验提炼整合, 去重、去肿, 形成光电信息技术系列实验。该课程独立设课, 具有独立的学分, 教学时间往往比光电信息技术理论教学晚一个学期。通过系列实验的设置, 引导学生从实验的角度去认识了解一门专业课程或某个光学领域的基本技术和基本技能, 循序渐进地掌握实验技能, 通过对实验现象的剖析, 逐步上升到分析、解决普遍问题的能力层次上来。系列实验环节的设立也没有完全抛开理论教学, 并行地穿插开设了以认知性和验证性为主的实验课程, 与理论课程相辅相成, 以增强教学效果。为了适应交叉学科的发展, 还开设了跨专业选修课, 激发了同学的兴趣和热情。

二、系列实验内容设计

在设计系列实验内容的时候, 充分考虑到内容的完整性、相关性和先进性。光电信息技术就是一门利用光电转换器件把光信号转换成相应的电信号, 并对该电信号进行后续处理以达到一定的实用目的的技术。其知识环环相扣, 逐渐深入。因此, 我们把实验内容分成三大块, 第一块是基础性实验, 对常见光电器件性能进行学习;第二块是综合性实验, 对常见光电器件的实际应用进行学习;第三块是设计性实验, 利用光电器件进行一定功能的实践学习。在基础性实验中, 我们选择最常见的光电器件, 通过对它们各自的光谱特性、伏安特性、光敏特性等进行研究, 了解各自的使用特点。在综合性实验中, 通过一些工程实际中使用的一些常规的光电信号处理电路的学习, 初步了解光电转换、信号处理等基础知识。例如图1就是一些常见的用于数控机床、电控平移台中的辨向控制电路。

两个光电耦合器4N25 A和4N25 B是光电转换器件, 进行光电信号的转换, 得到的电信号经过反相、触发等后续的处理, 最后通过LED灯作为显示。在设计性实验中, 要求学生先提出课题的基本思路, 教师则与其共同讨论完善方案。在遇到问题时, 要求学生自行提出解决方法, 教师则帮助分析这些方法的合理性。通过学生为主、教师为辅的实验教学方法, 逐步培养学生的独立工作能力。在光电信息技术设计实验中, 我们要求学生二人一组, 自主选题, 必须包括光电检测功能, 要有新意, 有特色。电路设计必须包括光电转换功能, 模拟电路, 数字电路, 控制电路, 显示电路, 用给定器件表中的器件实现, 原理图、印刷板图必须用Protel99绘制, 实验报告参照本科毕业设计论文格式书写打印, 实验时间为8学时, 完成与设计相符的实验结果。

三、实验教师队伍建设

人的因素是实验室建设的关键因素。光电信息技术课程涉及到光、机、电和控制多学科专业知识, 这就对光电信息技术实验的师资队伍提出了更高的要求。因此要建设成一个高水平、高效益的光电信息技术专业实验室, 必须建设一支业务精、素质好、爱岗敬业的实验室人员队伍。

1. 加强力量, 教师参与实验室工作, 学术带头人进实

验室, 参与实验室建设的总体规划和教学大纲修订, 形成一支结构合理的队伍。

2. 量化管理, 奖罚分明, 提高实验室人员的工作积极性。

按教学、科研和管理三方面对实验室人员进行综合考评和评聘制度。

四、建设实践与效果

经过几年的教学实践, 光电信息实验教学深受学生的欢迎。表现在以下几个方面。

1. 参与实验室建设, 自己动手开发新实验。

例如在光通信系列实验的综合设计性实验中, 学生对实验仪器进行二次开发, 自己设计制作了光纤通信电话语音双向传输接口模块, 从电路设计到制板、从外形设计到安装调试都由学生独立完成。

2. 在设计型实验中, 鼓励同学进行创造性思维思考问

题, 涌现出许多奇思妙想, 不少设计不仅获得了学校创新基金的鼓励, 还申请了发明专利。例如“光学棱镜组合密码锁”、“自动脉搏测试仪”、“利用柱面镜的安全光幕”等。

3. 积极参加各种设计性竞赛。

在全国大学生设计大赛、全国数学建模大赛、中国国际发明奖展览会等都获得了优秀的成绩。

参考文献

[1]陈丽华, 周骥平.通过实验教学提高学生的综合素质[J].实验室研究与探索, 2003, 22 (3) :12-15.

[2]周金运, 裴文彦, 胡义华.电子技术类专业设置光子技术类课程的研究[J].电气电子教学学报, 2004, 26 (3) :40-43.

光电信息控制 篇4

光电稳定平台是以陀螺为敏感元件、力矩电机为执行元件, 用以隔离载体扰动, 实现视轴惯性稳定的一种陀螺稳定装置[1], 现已装备部队。伺服控制是光电稳定平台的关键技术之一, 相关研究不胜其数, 几乎囊括了所有控制理论, 但是在产品中仍以经典控制技术为主[2]。

为了追求更好的隔离载体扰动效果, 控制系统需要在保证稳定的前提下尽可能提高伺服控制刚度[2]。由于应用场合不同, 平台中的系统参数, 如平台惯量、陀螺频率特性、电机特性参数等存在较大差异[3], 工程技术人员总是需要花费大量的精力来调试, 采用的控制参数试凑方法往往具有一定的盲目性。本文通过对系统的建模与分析, 推导出控制刚度表达式, 讨论了控制刚度与系统稳定性之间的矛盾关系, 指出陀螺是该矛盾的瓶颈, 并通过仿真对结果进行了验证。

1 控制系统原理与模型

光电稳定平台结构如图1所示, 由陀螺敏感平台相对惯性空间的角速度, 经过稳定控制器形成控制电压;经伺服驱动器将弱的控制电压转化为受控的强电信号, 给力矩电机供电;力矩电机产生驱动力矩, 带动平台转动来消除误差。这是陀螺稳定控制的基本形式[1]。

为了提高系统响应速度, 伺服驱动器中设有电流环:反馈通道为电流采样值, 前向通道设有电流环控制器。系统稳定控制系统如图2所示。

图中:R为电机绕组电阻, L为电机绕组电感, J为负载转动惯量 (包括电机转动惯量) , T为电机输出力矩, ω为电机转速, Ce和Cm分别为电机的反电势常数和力矩常数, kr表示电流采样增益, kPWM表示驱动放大系数, E表示反电动势, Std_control和Cur_Control分别表示稳定和电流环控制器, Gg (s) 为陀螺模型, Td表示扰动力矩。

1.1 电流环数学模型

稳定控制一般选用力矩电机直驱, 采用PWM电压调速控制方式, 可得电枢电压对绕组电流的传递函数为[4,5,6]

式中:TL=L/R为电机电气时间常数, TM=JR/ (CeCm) 为电机机械时间常数。

电流环控制采用PI控制器, 它不仅能够提高带宽, 还能实现电流环子系统的稳态无差。PI控制器具有如下形式:

控制参数设计的依据为:利用分子上s/τ+1抵消对象中机械时间常数对应的惯性环节;控制器分母上的积分环节与对象分子微分项抵消。

依据图2, 这时可以求得受控电流环传递函数:

由于电机参数Ce和Cm较小, CmCe一般远小于krkPWMk J, 可以近似忽略[7], 因此有:

由此可见, 系统由一个大惯性环节转化为一小惯性环节。图3为系统电流环的实测结果, 带宽约1.3k Hz。从频率特性可以看出电流环带宽足够大, 说明式 (4) 中时间常数比较小, 分析时电流环模型可视为一个比例环节, 增益为1/kr, 大于1, 即:

1.2 稳定环控制系统

结合上述分析, 图2所示的稳定环控制系统简化如图4所示, 图中的稳定控制器取PI控制结构, 反馈通道的陀螺用二阶环节表示。因此可以计算得到稳定控制闭环系统传递函数为

其中:k1=Cm/ (J kr) , kp和kI分别为稳定控制器比例和积分参数, ξ0为陀螺阻尼系数, ω0为陀螺带宽。

2 伺服控制刚度与系统稳定性分析

2.1 伺服控制刚度分析

论文中所指的控制刚度物理含义为:在单位速度扰动条件下, 系统所能够提供的抑制力矩。高的控制刚度表明系统抑制扰动能力强。

由图4, 在稳定控制模式, 即指令输入为0时, 可以计算出电机输出力矩表达式为

由于控制存在积分环节, 稳态刚度的概念不存在。这里取一个“瞬态刚度”, 即考虑积分效果很慢, 计算刚度值时不考虑该环节, 这样可以得到系统的控制刚度表达式为

由此可以看出, 要追求高的系统刚度, 加强系统稳定效果, 可以增加电机力矩常数Cm、陀螺增益k2、控制增益kp、或者减小电流反馈增益kr。但是系统刚度的增加受稳定性条件限制。

2.2 系统稳定性分析

由式 (6) , 闭环系统特征方程为

设a0=1, a1=2ξ0ω0, a2=ω02, a3=k1k2kpω02, a4=k1k2kIω02, 构建劳斯表如表1。

根据劳斯稳定性判据, 系统稳定要求表中第一列所有值均为正值[8]。由此可得到系统的稳定性条件为

稳定控制器中的积分器一般设置积分上限, 积分作用较小。粗略估算时, kI可视为0, 则系统的稳定性条件式 (9) 近似为

式 (10) 表明, 控制系统参数kp、kr受限于陀螺参数ξ0、ω0和k2以及电机力矩常数。同时, 式 (10) 可以改写为

由此可见, 控制系统刚度上限由陀螺的阻尼和带宽与惯量决定的。文献[3]指出通过增加惯量来提高伺服刚度的方法是不可取的, 因此陀螺成为高控制刚度与系统稳定性之间矛盾的关键。要获取大的刚度上限, 需要选择高带宽和高阻尼比的陀螺。

3 仿真与试验分析

以某型光电稳瞄吊舱为例, 进行仿真分析。已知J=0.3 kg⋅m2, kr=0.4, ω0=100 Hz, ξ0=0.7, Cm=1.5 N·m/A, R=6.4Ω, L=3.6 m H, k2=4.77, 其仿真框图如图5所示, 图中环节与图2基本一致, 其中的扰动摩擦力环节参考Stribeck模型:

式中:v表示输入速度, H为静摩擦与动摩擦的域值, Fs为力统计值。H取0.002, Fs取0.052。

根据式 (11) , 计算控制刚度上限值为263.76 N·m/ (rad/s) 。取控制参数kI为10, kp分别为8和15, 由式 (8) 计算对应的系统控制刚度分别为143.1 N·m/ (rad/s) 和268 N·m/ (rad/s) 。系统阶跃响应结果如图6所示。

kp取值为8时, 系统稳定, 如图6 (a) 所示;kp取为15时, 控制刚度为268 N·m/ (rad/s) , 超过控制刚度上限, 系统不稳定, 如图6 (b) 所示。图中振荡而没有发散是由于仿真中存有饱和非线性环节。

按照仿真中的控制参数进行试验, 结果如图7所示, 与仿真结果较为一致, 验证了文中的计算与仿真的有效性。

4 结论

论文在试验的基础上建立了光电稳定控制系统的简化数学模型, 并推导出控制刚度表达式, 提出提高伺服控制刚度的方法。系统稳定性分析表明, 陀螺参数与对象惯量为控制刚度设置了上限, 指出提高刚度上限需要选择高带宽高阻尼比的陀螺。上述分析与结论得到了仿真和试验的验证, 可作为陀螺选型以及控制参数调整的参考依据。

参考文献

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光电信息控制 篇5

随着科技的发展, 光电信息处理越发显得重要, 光电信息转换、光电信息处理是每个学生必须掌握的技能。因此, 为使专业课程理论与专业实践紧密结合, 增强学生的感性认识, 增加专业实验教学投入十分必要, 同时, 正确描述光电转换基本机理并通过实验进行验证, 利用现代化的手段完成光电信息处理, 进一步实现理论的工程化应用迫切需要工科高等院校研制出具有专业特色、符合专业技术发展趋势的光电信息处理综合实验平台。

一、传统的光电信息综合实验平台的弊端

调研表明, 目前工科高等院校实验室已有的光电信息处理实验平台存在各种各样的弊端, 综合起来, 主要体现在以下几个方面:

1. 所能开设的实验种类单一。

目前, 工科高等院校专业实验教学主要包括四类:验证性实验教学、设计性实验教学、综合性实验教学、演示性实验教学。其中, 验证性实验教学的目的在于帮助学生理解和掌握基础理论;设计性实验教学的目的在于发挥学生的主观能动性, 培养学生的创新意识和创新能力;综合性实验、演示性实验教学的目的在于开阔学生的视野, 促进多学科交叉, 培养学生的综合性素质。传统的光电信息综合实验平台只能开设简单的有限数目的验证性实验, 学生在此实验平台上只能验证和掌握光电检测的基础理论和基本技能, 限制了学生的创造性思维和创新能力的发挥。

2. 无法实现对学生的系统培训。

一个学生从进入学校的一刻起到走出校门, 要经历基础级——系统级——综合级三个不同层次的专业训练, 只有这样, 高校才能培养出符合社会需求的高科技人才。因此, 传统的基础级光电实验平台功能单一, 无法实现对学生的系统级和综合级的专业训练;而对于传统的系统级和综合级的实验平台而言, 学生们则需要浪费大量的时间去熟悉和使用它, 课时的压缩无法保证学生拥有充足的时间, 这就导致了大部分学生失去了系统级和综合级的专业训练机会。

3. 学生无法体验知识的连贯性。

一个完整的光电信息综合实验平台的设计须体现从龙头 (传感器) 实现光电信息检测——龙的心脏 (CPU) 实现光电信息处理——龙尾实现光电信息传输的一条龙的专业训练理念, 而传统的光电信息实验平台功能比较单一, 只是片面的体现某一方面的训练, 导致学生知其然而不知其所以然, 无法实现学生的全方位训练。

4. 灵活性和可扩展性差。

传统的光电信息实验平台功能具有局限性, 可扩展的模块很少, 使用起来很不方便。无法为学生提供较宽的知识基础和再学习环境, 无法培养学生在工程平台上解决实际问题的能力。

5. 造成了工科高等院校资金的浪费。

在传统的专业实验教学的开展过程中, 不同级别的专业训练需要添置不同的实验设备, 而不同的实验设备中常常集成了相同的资源模块, 如电源、显示器、键盘等。所以, 设备采购的数目越多意味着资金的浪费情况越严重。

6. 造成了高校师资的短缺。

高校的实验室管理中, 分门别类, 不同级别的实验室需要不同的实验教师去管理;新出现的“实验室开放”的概念, 意味着需要更多的教师参与实验室的管理和学生的答疑工作。

二、现代光电信息处理综合实验平台的设计

本设计克服了传统的光电信息综合实验平台的种种弊端, 立足于学生和高等院校的实际情况, 适应21世纪专业人才培养目标和模式, 同步实验教学方法和实验教学手段的改革, 为学生提供了实验再学习的环境, 促进学生解决实际问题和创新能力的培养。

现代光电信息处理综合实验平台采用先进的模块化总体设计方法, 选用新型单片机——AVR单片机作为智能化信息处理的核心, CPU背板式结构保证了实验平台的更新换代。同时, 设计时综合考虑传统的电子技术、光电检测技术等基础知识相结合, 既发挥新技术的优势又加强了基础知识的训练, 较好的培养了学生的综合能力。该实验平台实验电路原理清楚、要点突出、实验内容丰富、电路设计新颖、技术先进、具有代表性, 既可以用于学生的基本实验教学, 又可用于设计性和综合性实验教学, 利用配套的演示实验还可以扩展学生的知识面, 提高学生的综合素质。现代光电信息处理综合实验平台的结构示意图如图1所示。

现代光电信息处理综合实验平台研制过程中已开发配套的8块实验插板:1.热释电特性实验插板;2.光电二极管、光电池、光敏电阻特性实验插板;3.光电池、光敏电阻、光电三极管、对射、反射式光电开关实验插板;4.光电式直流电机测速、稳速实验插板;5.光变频率实验插板;6.线阵CCD特性实验插板;7.工件尺寸测量实验插板;8.红外遥控遥测实验插板。由于该实验平台提供总线模块, 所以学生可在此平台基础上根据自身需求设计任一插板, 均可插在总线模块的VME插座上, 实现功能上的扩展和实验平台的灵活应用。

三、现代光电信息处理综合实验平台的特点

1. 本实验平台结构紧凑, 操作方便、简单, 所完成实验深入浅出, 趣味性、实用性强;

2. 在突出光电转换物理特性的同时注重光电信息处理技术, 兼顾了基础训练与专业综合训练, 体现了“重基础、讲特色、跟前沿”的实验教学风格;

3. 采用新型数字电路及新型单片机, C编程的光电信息处理模式, 体现了现代编程新理念;

4. 由光电信息转换、获取到光电信息处理、显示的系统化实验教学为学生展宽视野、扩展知识面;

5. 总线式与模块化的设计, 提高了系统的可扩展性与综合应用价值, 使其具有极高的性能/价格比。

四、现代光电信息处理综合实验平台的适用对象

1. 适用课程

光电检测、光电信息处理技术、光电技术、光电系统课程设计、专业综合实验等。

2. 适用人员

电子信息类、光电检测类专科生、本科生、研究生及从事电子信息科学与技术、光电信息与处理技术等领域的科研和工程开发人员。

3. 可开设实验

(1) 光源与光度辐射度参数测量实验

(2) 光敏电阻特性实验

(3) 光电池特性实验

(4) 光电二极管特性实验

(5) 光电三极管特性实验

(6) 热释电红外报警实验

(7) 光电开关特性——光电式直流电机测速实验

(8) 线阵CCD测量物体外形尺寸实验

(9) 光电密码锁 (五种光电传感器开关特性应用)

(10) 线阵CCD驱动与信号二值化

(11) 红外遥控遥测

(12) 基于虚拟仪器的光照度测量

(13) 光电式直流电机闭环稳速

(14) 线阵CCD信号采集、传输与处理

五、结束语

现代光电信息处理综合实验平台是电子信息技术、光电技术、计算机应用技术的综合应用实验平台。该实验平台突出了电子信息的精髓和光信息技术的应用, 兼顾了基础级——系统级——综合级的专业训练, 体现了由光电信息转换、获取到光电信息处理、显示的系统化一条龙实验教学理念, 全新的总线插板式、背板式结构与模块化设计提高了系统的可扩展性与综合应用价值, 具有极高的性能/价格比和广阔的应用前景。

摘要：分析了传统的光电信息处理综合实验平台的弊端, 提出全新的总线插板式、背板式结构与模块化设计理念, 开发研制了一套现代光电信息处理综合实验平台。实验证明, 该实验平台兼顾了对学生的基础级—系统级—综合级的专业训练, 体现了由光电信息转换、获取到光电信息处理、显示的系统化训练过程, 性价比高, 应用前景广阔。

关键词：总线插板,背板,光电信息处理

参考文献

[1]龙青云, 李富全, 张昌莘, 等.光电信息技术实验教学改革的思考[J].高校实验室工作研究, 2007, 3

[2]杨应平, 曾延安.光电信息类实验教学改革及实验教学体系[J].理工高教研究, 2006, 2

光电信息控制 篇6

动载光电平台从结构振动响应的角度,可视为一个多自由度弹簧一质点-阻尼振动系统。由于振动源的振动频率范围覆盖结构低阶模态频率以及引起显著声音辐射的高频频率,在某些频率作用下振动会放大。强烈的振动通过光电平台环架的不等刚度和质心偏移,会引起绕环架轴的整流力矩和振动干扰,这些力矩和干扰对光电平台的跟踪误差产生直接影响。振动还会使陀螺产生漂移误差,使加速度计误差加大,交变干扰力矩也会使陀螺产生较大的角运动,直接影响平台稳定精度。由于振动的疲劳效应及共振,可能出现电气部件电性能下降、光电平台零部件失效、疲劳损伤甚至破坏的现象。这些振动将直接或间接地对光电系统的成像质量、稳瞄系统的精度和光电器件的使用寿命、可靠性等产生极为不利的影响。

为提高动载体光电成像系统的清晰度、分辨能力、使用寿命和可靠性,必须对光电平台的振动加以分析并进行抑制。目前,光电平台伺服稳定系统带宽可做到25Hz左右,对系统带宽以内的振动扰动可由伺服稳定系统来消除。对带宽达不到的动载平台,可通过对动载平台结构进行有限元分析,改进其薄弱环节,并采取主、被动隔振技术来减少系统振动对装备的影响。

1 振动控制技术手段与效果

控制振动对光电成像质量影响的技术有惯性稳像、电子稳像、光学稳像、隔振、减振、主动振动控制等,后三种为机械振动控制。隔振就是在振源和振动体之间设置隔振系统或者隔振装置,以减小或隔离振动的传递。减振就是在振动主系统上附加特殊的子系统,以转移或消耗主系统的振动能量。

主动振动控制系统是由制动器和控制器组成的振动控制系统,以抑制结构或系统的振动,在复合环境下具有较强的抗干扰能力和较高的隔振精度,适用于一般难以解决的超低频和宽频带振动抑制问题,但成本贵,结构复杂,维护较麻烦,当前应用还不是很广泛。

动载体的振动分为线振动和角振动。根据计算[1],角振动对成像质量的影响比线振动大得多。

由于被动隔振具有结构简单、可靠性高和成本低廉等特点,故对高频扰动影响较大的载体设备底座上大都采取被动减振措施,并重点进行动载体的角振动控制。

2 机械振动控制原理

2.1 隔振基本原理

图1为单自由度隔振的力学模型,质量为M的刚体,激励力为F(t),系统的运动方程为:

设F(t)=|F|eiwt,x(t)=Xeiwt,则隔振传递效率T为:

式中ωn=姨k/m,ξ=c/(2姨m/k),M为质量,K为弹性系数,T为传递率,ξ为阻尼比,ω为激励圆周角频率,ωn为减振器固有角频率。

从公式可以看出,在ω/ωn>的条件下,ω/ωn愈大,T愈小,则隔振效果愈好。

2.2 阻尼减振基本原理

减振通常使用动力减振和阻尼减振,动载平台多用阻尼减振技术。

系统的运动方程为:m1x咬1(t)+c[x觶1(t)-x觶2(t)]

主系统m1的振幅为:

减振器的最佳阻尼率为:

对应的|X1|为:

3 常见的机械振动控制手段

常用的隔振器有钢丝绳隔振器、高阻尼硅橡胶系列隔振器、金属丝网隔振器等。

常用的减振器有金属屈曲阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器、橡胶阻尼器、高阻尼橡胶材料制成的被动阻尼器等。由于无角位移减振器既能减振,又有不产生角位移的优点(角位移偏移值非常小,可近似视为无角位移产生),具有耐高低温、耐油污和不易老化优点的三向金属隔振机构可广泛应用于侦察、警戒、搜索、跟踪、火控、导航等对环境要求较高的光电设备上,以提升光电系统的动态分辨力,增强图像的清晰度,以及提高设备的跟踪稳定精度和延长使用寿命。如荷兰STING EO海军火控系统采用专用的减振架,具有一定的3向减振和隔振能力,能吸收或减轻舰船产生的冲击和振动,确保光电平台的跟踪精度。

4 动载光电平台的模态分析

4.1 有限元模型的建立

利用Pro/E建立光电动载平台的几何模型,并与ANSYS的CAD/CAE协同环境AWE(ANSYSWorkbenehEnvirorunent)进行实时数据关联,将修改处理后的Pro/E模型直接导入AWE环境中进行有限元分析的前处理。导入模型时,需去掉Pro/E模型下螺纹孔的修饰特征,适当减少对模态分析结果影响很小但会因网格划分过细造成计算时间过长甚至造成计算不收敛的的螺纹孔、螺钉、垫片等细微特征,对有复杂光学系统的光电组件也可采用质点法进行相应的简化,并对光电设备不同的材料属性分别赋予。

4.2 网格的划分

网格划分是整个有限元分析的关键工作,网格划分的质量和优劣将对计算结果产生相当大的影响。在AWE中激活自适应网格划分功能,使程序能够根据模型拓扑结构的变化进行自动网格优化,在曲率突变区域和几何特征区域自动加密网格,可显著减少计算所需时间。

4.3 载荷与边界的约束

在不施加外部振动激励的前提下计算光电设备的固有频率。给模型施加自重,并在方位连接法兰螺孔处施加固定约束。模型整体采用AWE的接触自动识别功能模拟接触,避免手动定义所有接触。同时对模态分析影响较大的轴承滚珠接触、轴系接触、球形指向器前后盖、连接法兰的螺钉接触等进行检查修正,以按照实际载荷和边界条件进行约束。

4.4 模态分析结果

以某型光电设备为例,整个模型在Workbench环境下计算初期一共划分成427816个单元,651464个节点,生差,需要进行多次修正。通过对有限元模型的修正,其最终三阶模型分析结果见表1,与实际测试结果已较为接近。

通过有限元模态分析,可对动载体光电平台的空间布局、重心位置和局部加固进行针对性改进,以提高动载体本体在一定频域范围内的抗振动干扰能力。需要指出的是,在产品实际制造过程中,同一型号的每套产品其螺钉的紧固、轴系的压紧、轴承的预紧和内部组件的加固措施等对光电设备的固有频率也有明显影响。

5 振动控制器件的空间布局

为了取得良好的隔振减振效果,除了分析并优化改进振动控制设备的固有特性,设备的空间布置对振动控制的效果影响也非常大。

当隔振系统分别受三向坐标激励时就会产生耦合振动。若各减振布置使其弹簧刚度对称于惯性垂直平面,隔振设备的重心与减振器的布置几何中心重合,则当隔振系统仅受垂直方向的支撑激振时,系统沿垂直方向(z轴)的运动总是非耦合振动[2]。但如果系统在水平方向受支撑激振时,而设备的重心高于减振器的支撑平面时,系统将发生耦合振动,即线振动和角振动的耦合。

设计时可对结构作精心布置以降低设备的重心高度来减弱隔振系统耦合振动。当设备的重心已定时,可在设备底部增加配重以取得更佳效果。若增加配重的方法不许可,则可通过改变阻尼比ξ和减振器安装时的相对距离2a来改善隔振效果。阻尼比值小的减振器可以使耦合频率降低,有利于避开耦合振动和提高隔振效果。理想的阻尼比通常应为ξ<0.5,实际应用中设计时阻尼比一般都已降到临界值,系统阻尼比过低会影响设备的整体刚性,不利于设备抵御各种机械环境的干扰,并容易使光电成像系统出现图像抖动的现象,因此安装相对距离2a的变化调整是较为现实可行的方法。为减少后期设计变更和调整工作量,尽量在振动控制设备的设计阶段就同时考虑被隔振设备的重心分布和机械接口形状。

6 结语

对于动载光电平台,复杂的内部和外界振源影响及恶劣的使用环境对光电设备的成像质量、稳瞄精度、使用寿命和可靠性有极大的影响。目前,动载光电平台在飞机、舰船、车辆等载体下各种实际工作环境外界振动测试数据的采集、处理、分析及相关数据的完整性是振动控制设计工作的难点和重点,并存在相当多的空白,其对动载光电平台的抗振设计具有极其重要的参考价值。只有通过获取实际工作环境振动数据,综合动载光电平台本体和隔振附件的设计及制造工艺,才能实现最佳的隔振效果和产品性能。

摘要：分析了动载光电平台的振动来源及其对光电系统成像、跟瞄稳定等不利影响,并利用有限元软件结合工程实际进行了模态分析,提出了振动控制的有效技术手段和措施。

关键词：动载体,光电平台,振动控制,模态分析

参考文献

[1]张葆,贾平,黄猛,田素林.动载体成像系统底座无角位移减振器的设计[J].光学技术,2003,29(4),464-465.

浅论光电工程的可靠性设计与控制 篇7

光电工程是涉及面非常广泛的工程.大到航天卫星的测量控制系统, 小到LED照明工程, 以及太阳能发电的光伏产业甚至于数码相机等等, 无不应用到光电工程, 除民用的通信 (如光缆通信) , 精密测量, 安保监控等系统外, 发展最快, 应用最广类型最全的光电工程还在于军事上, 下面将列举几个常见的军用光电系统以归纳光电工程的系统构成。

1.1 光电成像系统。

人的眼睛虽然是很好的观察家系统, 但是在目标很远, 在夜间, 在大雾中, 在战火迷漫的环境里, 就会因看不清或看不见目标而眙误战机。而光电成像系统就可代替人眼, 并提高了对目标观察的灵敏度, 分辨率:扩大了可见的光谱范围:加快了对目标的反应时间等。此系统又包含主动红外线扫描的红外夜视系统;利用光学像增强器做成的直视夜光, 微光系统;微光电视系统;红外热成像系统等。

1.2 光电跟踪系统。

其原理为, 当所跟踪目标偏离光轴时, 其方位探测器将产生的偏离误差信号送到信号处理器, 处理形成控制信号去推动执行机构继续跟踪目标。

1.3 成像跟踪系统。

利用成像跟踪摄像机取得目标视频信号, 并经过图像信号处理器取得目标与光轴的偏差信息, 控制伺服系统使摄像机始终保持跟踪目标成像。

1.4 光电制导系统。

是将类似光电跟踪系统的目标寻找功能应用到导弹, 火箭, 炸弹等武器上, 使其不断搜寻跟踪目标, 最终打中目标。

光电制导系统又分:

直接寻找目标系统。利用导弹头内装的光电跟踪器直接尾追描准的目标.如空对空, 地对空导弹。

人控导弹系统。发射导弹后, 射手按目标与导弹飞行轨道的偏差信息不断调整, 跟踪目标。

控制成像制导系统。将成像系统装入导弹, 将导弹飞行中拍摄的图像传回射手, 由射手选定所需目标后控制跟踪目标。

相关成像制导系统。将成像和计算系统都装入导弹, 导弹发射后可自行形象跟踪。当成像与目标一致后直接跟踪打击, 常用于远程导弹。

激光制导系统。是一种抗干扰更强的制导系统。

1.5 光电火控系统。

它由光电装备和火控计算机等联合而成.常用于地基车载舰载和机载站上, 以控制武器射击效果, 完备的光电火控系统应是一个具备跟踪, 成像, 精密测距等多功能的统筹协调的大系统。

1.6 激光测控, 通信及探潜系统。

主要用于潜艇装备和反潜机中, 由此可见, 光电工程的系统构成可概括如图1所示。

2 光电工程的可靠性设计

2.1 光电工程的可靠性模型

由上一章可知, 光电工程系统的任何一部分产生故障, 都会引发整个系统的故障。所以该系统的可靠性模型应当是串联模型, 如图2所示。

其中:R1为光源控制单元的可靠性;R2为光电转换单元的可靠性;R3为信息处理单元的可靠性;R4为信息输出单元的可靠性;R5为辅助控制单元的可靠性;R6为执行任务单元的可靠性。

由于大多数光电器件的可靠性服从负指数分布, 即, λ是故障率。

2.2 光电工程系统的可靠性预计

最简单的可靠性预计方法是统计每个单元所用元器件的种类和个数, 并在“MIL Handbook 217F”中查找出相应种类的元器件的故障率乘以个数, 累计相加即可分别得出各单元和整个系统的故障率, 取倒数即可得出各单元和系统的MTBF值。

当然, 如果所用元器件的种类和数量很多, 再加上因每个元器件所处环境 (温度, 湿度, 振动, 盐雾, 气压等等) 不同, 还要在其故障率上乘以相应的环境系数, 这种计算是很繁重的, 必需要借助于一些专用软件才能完成。

但是, 在系统设计初期, 由于存在许多不定性, 这类繁重的计算就没有必要了, 完全可利用一些经验数据来进行预计.例如:某设备由1000个元器件组成, 其中含100个电解电容, 10个变压器, 80个集成电路, 2个光学元件, 其它全属低故障率的阻容件等, 这时, 可令:

2.3 光电工程可靠性分配

按预计结果, 如果没有达到要求的MTBF值, 则需从新调整设计, 并从新进行可靠性预计, 直到达到要求。

如已经达到要求, 则需将系统的MTBF分配给系统的各单元, 并将它们作为各单元的MTBF指标, 对各单元进行可靠性设计。

可靠性分配, 原则上按各单元的元器件数量比率的倒数并乘以每单元的重要加权来进行, 亦即, 元器件多且功能不太重要的单元, 其可靠性指标MTBF值应小些;反之则大些。例如在光电工程系统中, 光电转换单元一般应给予较多的可靠性保证, 其MTBF值就应分配大一些, 另外, 按照各单元所处环境, 在分配时还要在加权中加入环境因子, 以保障在严酷环境中的可靠性。

2.4 各单元的可靠性设计

各单元一定要按所分配的MTBF值进行设计, 在这一步必须按国家军用标准GJB299C (一定用最新版) 发布数据, 逐个输入到装有专门可靠性软件的计算机内。对于在该标准中没有的数据, 可参照美国军标MIL Handbook-217F加以选定。经计算机输出的MTBF值若达到分配值, 则进入下一步。若达不到要求, 则要从新选定元器件。甚至采用可靠性冗余方法, 对单元内薄弱环节进行可靠性备份, 直到达到目标为止, 可靠性冗余备份 (并联) 一般可提高可靠性值至一倍半, 若还达不到要求值时, 就只好改变电路设计或模块设计了。

2.5 环境适应性设计

A.热设计。按照各单元工作环境温度要求, 高温时和低温时都要保证正常工作, 可利用热像仪检测光电工程工作时的热分布状况, 对过热区域加散热措施 (加风扇, 散热片, 导热管等) 对过冷处加保温措施 (预热管, 恒温槽等) 。

B.防震设计。针对可能遇到的机械振动和冲击加防振措施 (防振垫, 防振弹簧等) 特别是对可能发生共振的部分, 采用加强筋或使共振频率偏离的措施等。

C.防腐蚀设计。

D.电磁兼容设计。

E.防光干扰设计。

3 光电工程的可靠性控制

要实现可靠性设计, 必须要严格控制工程研制过程的每个可靠性管理环节, 包括:

a.所用元器件的采购, 尽量到可信的定点供应商采购, 严格按设计要求 (型号, 规格, 允许误差等) 采购。

b.凡使用的元器件必须是通过老炼, 筛选并测试合格者。

老炼条件为:

半导体器件高温125OC (或150OC, 85OC按器件材料的结温而异) 存储48h;

高低温冲击高温125OC (或150OC, 85OC) , 低温-55OC, 转换时间不大于3分钟, 冲击循环5次;

高温加电老炼按结温加电24h;

氟油检漏可检漏率 (大气压·毫升/秒) ;

对于星上, 弹上的装备用的器件还应做离心加速度的应力筛选和细微杂质颗粒筛选。

另外, 还要注意在筛选中PDA (批允许不合格率) 的控制, 一般取而民品取

其它元器件可按使用环境应力的1.5倍到2.5倍进行。

c.组成的印刷电路也要通过老炼筛选, 筛选条件为:

高温存放125OC 24h;高低温冲击125OC<=>-55OC;潮热35OC95%±3% (RH) 72h。

d.应对组成的部件, 单元和整机进行可靠性老炼.老炼的方法有两种:

在40OC高温里连续加电100h, 或者在常温下累计加电332h, 且每次加电

e.工艺控制。严格遵守国家可靠性工艺管理办法标准要求。

4 结论

作为可靠性工程, 还有如可维修性设计, 可靠性试验等许多工作, 但只要把握好以上最基本最简便的设计与控制方法, 就可能实现可靠的光电工程的可靠性.使光电工程更有效地为人民服务。

5 感谢

对中电集团邵长新教授和雷彦茂老师的指导和帮助, 表示衷心感谢!

参考文献

[1]邵长新, 雷彦茂.可靠性工程基础[M].北京:通信与电子技术出版社.

[2]MIL HANDBOOK 217F美国军用标准.