ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
ккурсовой работе по дисциплине
“Основыавтоматики и системы автоматического управления ”
натему:
Синтезсистемы автоматического регулирования
радиальногоположения пятна
Рязань 2008
Содержание
Задание
Введение
Расчетдатчика положения
Расчетлинейного электродвигателя
Расчетоптической системы
Расчеткорректирующего устройства
Заключение
Списоклитературы
Приложение
Рязанская государственная радиотехническая академия
КафедраСАПР вычислительных средствЗАДАНИЕНА КУРСОВУЮ РАБОТУ
по дисциплине «Основы автоматики и системыавтоматического управления”
студентки_Поповой Е.Ю. ___________________________группы050_
Тема
Синтезсистемы автоматического регулирования радиального положения пятна
Срок представления работы к защите: ______________г.
Исходные данные для выполнения работы:
λ=8 мкм;
F=150;
kу=3;
Т=3·10-4 с;
dк=15мм;
В=1 т;
Rk=4Ом;
W=100 витков;
m=30 г;
μ=40 г/с;
c=0 н/м.
Руководитель работы _ _/подпись/
Задание выдано______________г.
Задание принято к исполнению /подпись/
Введение
В настоящее время оптические дисковые системы нашлимножество применений. Возможность записи значительного объема информации ипростота тиражирования делает оптический диск очень привлекательным. В сферезаписи и хранения данных системы с прямой оптической записью информации сталиштатными периферийными устройствами компьютеров.
Просто осуществляемоесканирование по плоской поверхности диска при считывании, обеспечивающеебыстрый доступ к информации, важное качество таких систем. Дополнительнымдостоинством оптических дисков является отсутствие физического контакта междусчитывающей головкой и несущем информацию слоем, так как считываниеосуществляется пучком света, сфокусированным на этом слое. Защитный прозрачныйслой, покрывающий носитель информации, предохраняет мелкие детали отповреждений и затеняющих частичек.
Как и в обычнойграммофонной записи, информация расположена по спирали, которая называетсядорожкой. Дорожка представляет собой спиральный прерывистый пунктир из метокзаписи. Метки являются маленькими областями, имеющими оптический контраст сокружающей их зеркальной поверхностью, например черные элементы в виде черточекили продолговатые углубления (питы) на поверхности. Метки вызывают изменениеотражения от диска вдоль дорожки. Оптическая считывающая головка, которая вданном случае заменяет механическую иглу граммофона, преобразует измененияотражения в электрический сигнал. Для этого объектив головки фокусируетлазерный луч в маленькое пятно на дорожке и направляет луч, отраженный отдиска, на фотоприемник. Таким образом, сигнал с фотоприемника модулируется вовремени в соответствии с метками на дорожке вращающегося диска.
Высокая плотность взаписи информации достигается с помощью оптических средств, которыепредставляют собой оптический сканирующий микроскоп со средним увеличением.Предел плотности записи обусловлен дифракцией света, которая определяетминимальный диаметр пятна в фокальной плоскости. Размер пятна пропорционалендлине волны света λ, излучаемого полупроводниковым лазером. Дляиспользуемых в настоящее время лазеров это составляет 109 — 1011бит на диск. На рис.1 показаны основные оптические элементы считывающей головки.
/>
Диск
O
З D
Л
Рис.1.Базовая оптика.
Излучениеполупроводникового лазера Л фокусируется через прозрачную подложку дискана поверхность, несущую информацию, с помощью объектива микроскопного типа О.Часть отраженного света, собираемого тем же объективом, направляетсяполупрозрачным зеркалом З на детектор (фотоприемник) D.
Для сканирования всегодиска эта конструкция должна быть укреплена на каретке, перемещающейся порадиусу диска. При этом малые и кратковременные ошибки (отклонения) пятна отдорожки устраняются за счет перемещения компактной головки относительно каретки.
Дорожки записи (САРД). В видеодисковых системах дополнительно используется система управления втангенциальном направлении (вдоль дорожки), предназначенная для компенсациивысококачественных изменений скорости считывания.
Таким образом, внастоящее время оптические дисковые системы снабжены пятью системамиавтоматизированного регулирования, а именно:
– Вращения диска(САРВ);
– Тангенциальногослежения (САРТ);
– Радиальногослежения за дорожкой (САРД);
– Радиальногоперемещения каретки (САРРП);
– Вертикальногослежения за фокусировкой (САРФ).
Расчет датчикаположения
Система радиальногослежения за дорожкой предназначена для фиксации считывающего пятна в пределахдорожки при перемещениях диска, вызываемых эксцентриситетом, движением каретки,действием внешних вибраций, ускорений и т.д. Функциональная схема CAPD содержит те же компоненты, что иСАРФ и показана на рис. 2.1.
/>
g(t)
х(t)
Усилитель
мощности
Датчик Усилитель Корректирующее
положения устройство
Рис.2.1. САРД.
Датчик положенияотклонение считывающего пятна относительно дорожки в радиальном направлении.После усиления и коррекции сигнал с выхода датчика положения подается на ЛЭД,перемещающий головку считывания в направлении перпендикулярном дорожке всторону уменьшения отклонения от дорожки.
Сигнал ошибки получаетсяоптическими средствами. Наиболее часто используется метод двух пятен ирадиальный двухтактный метод.
В методе двух пятенпостоянная составляющая (ПС) сигнала детектора содержит информацию о положениисканирующего пятна относительно информационной дорожки, причем величина ПСбудет минимальной, если пятно находится на дорожке (в этом случае отражение светаминимальное). Зависимость величины ПС сигнала от радиального положения пятнаприведена на Рис.2.2. При />, где n= 0, 1, 2, …, а q – расстояниемежду дорожками предполагается, что центр пятна совмещен с центральной линиейдорожки.
Относительный уровень ПС
/>
в
а
0 q x
Рис. 2.2. Зависимость ПСот радиального положения пятна.
Для получениядвухполярного сигнала ошибки, в котором знак определяет направление смещения, аамплитуда — величину смещения, применяются два дополнительных сканирующихпятна, которые проецируются на диск со смещением λ относительнодорожки в радиальном направлении. Аппроксимируем изменения ПС сигнала UПС функций косинуса в соответствии сравенством:
/>,
где а – уровеньсигнала снимаемого с основного сканирующего пятна;
b – амплитуда переменной составляющей.
Тогда два пятна спутника,детектируемые двумя раздельными фотоприемниками, дадут следующие сигналы:
/>;
/>;
Разностный сигнал:
/>,
является нечетнойфункцией радиального положения x. Амплитуда и наклон UP(x) максимальны,если /> = 1 или />.
Пятна-спутники получаютсяс помощью (фазовой) дифракционной решетки, размещенной в диафрагме объектива.Смещение пятен-спутников в радиальном направлении составляет q/4 (см. рис.2.3), а в направлении дорожки гораздо больше(обычно 20 мкм.).
/>
q
l
Рис.2.3. Расположениепятен — спутников на диске.
Изменением угловогоположения решетки можно изменять смещение /> итем самым оптимизировать сигнал ошибки радиального слежения UP. Такая схема достаточно проста иочень стабильна.
В методе двух пятенизмеряется полная световая мощность пятна плоскости, сопряженной с поверхностьюдиска. При этом любое изменение интенсивности света в поперечном сеченииотраженных лучей не играет роли.
В этом случае сигнал ошибки радиального слежения, как и вметоде двух пятен, получается как разность сигналов с двух фотоприемников иопределяется выражением
Up(x)=siny10×sin/> .
Уравнение содержит сомножитель siny10, значение которого зависит отсредней глубины пит. Питы со средней глубиной, близкой к четверти длины волнылазера и контрастные черно-белые структуры имеют значение y10»p и дают очень малый сигнал. Поэтомупри использовании данного метода в процессе изготовления диска-оригинала приформировании глубины пит необходимо уходить из этой запрещенной области.Практически удается получить значения siny10=(0.5¸0.7), что вполне приемлемо для осуществления радиального метода.
Схема, поясняющая работу датчика положения, показанана рис. 2.4.
/>
Рис 2.4. Схема датчикаположения.
Уравнения имеют вид:
/>
где kp – крутизна характеристики сигнала ошибки радиального слежения, котораяопределяется линеаризацией характеристики сигнала расфокусировки.
Схема датчика положения приведена на рис 2.5.
/>
Рис. 2.5. Схема датчикаположения.
Тогда передаточнаяфункция будет выглядеть так:
/>
где Ку –коэффициент передачи суммирующего усилителя; />
Тф –постоянная времени фильтра низких частот и находится по формле:
/>
где λ – максимальноерасстояние между двумя переходами от пита к ленду в канальном ходе на дорожкедиска.
f – скорость считывания канальногохода потока данных.
f=14·F, f=2100Кбайт/с=1,68·107 бит/с;
Тф=3,05·10-7с;
Кр – находитсяпутем линеаризации (см. Приложение 1)
/> ,
тогда передаточнаяфункция />
Расчетлинейного электродвигателя
Далее сигнал выходаусилителя мощности поступает на исполнительный двигатель, как правило линейныйэлектродвигатель (ЛЭД), работающий по принципу громкоговорителя. Составнымичастями такого двигателя являются: катушка, постоянный магнит и, возможно,магнитопровод из магнитномягкого железа.
Пригодные к применениюконструкции ЛЭД могут быть разделены на две основные группы с подвижнойкатушкой и с подвижным магнитом.
/>Конструкция с подвижной катушкой (рис.3.1) имеет рядпреимуществ и недостатков. Помимо проблем обрыва проводников, подводящих ток ккатушке, движущая часть имеет обычно плохой тепловой контакт с окружающейсредой (высокое тепловое сопротивление RT). Тепло, выделяющееся в подвижнойкатушке, приводит к росту температуры всей подвижной части, в частностиобъектива, что нежелательно. Это в конечном счете приводит к уменьшению среднегозначения силы, развиваемой данным ЛЭД.
считывающая
головка
катушка
магнит
магнитопровод
Рис.3.1. Привод головки сподвижной катушкой.
Достоинством системы с подвижной катушкой является то,что стационарная магнитная система может быть увеличена и, следовательно, с еепомощью можно обеспечить более сильное магнитное поле (высокое значениемагнитной индукции В).
Альтернативным решениемможет быть конструкция с подвижным постоянным магнитом и неподвижной катушкой.В этом случае отвод тепла от катушки не является серьезной проблемой (низкое RT) и максимально допустимаятемпература катушки Ткат maxможет быть выше, так как онаизолирована от объектива. Но развиваемая ЛЭД сила будет меньше из-за ослаблениямагнитного поля (низкое В), поскольку объем магнита меньше. Увеличениеже магнита нежелательно, так как приводит к возрастанию массы подвижной части,что ухудшает динамические свойства САРФ.
Поэтому в реальныхконструкциях применяется ЛЭД с подвижной катушкой.
Поскольку оба типа ЛЭДявляются одинаковыми по принципу действия и различаются лишь подвижностьюсоставляющих их частей, уравнения, описывающие их поведение можно представить ввиде:
/>,
где: L– индуктивность катушки;
R=Rк+Rум — сопротивление катушки и внутреннеесопротивление усилителя мощности;
I — ток катушки;
В – магнитная индукция;
l – длина проводника катушки вмагнитном поле;
F– сила действующая на катушку;
UУМ – напряжение на выходе усилителямощности,
или в операторной форме:
(Т·Р+1) F=LлэдUум; (2)
где /> - постоянная времени ЛЭД;
/> - коэффициент передачи ЛЭД;
l= πdkW;
W – число витков катушки ЛЭД.
Переходя к изображению,получим передаточную функцию:
/>;
/>;
/>;
Клэд=2,355;
/>
/>
Расчетоптической системы
Основная цель, стоящаяпри разработке подвески, обеспечить движение головки только по жестко заданнымнаправлениям. Подвески могут быть с помощью линейных подшипников механическогоили электромагнитного типа и пружинных гибких направляющих. В первом случаеперемещение в направлении регулирования ничем не ограничивается, а в перпендикулярныхнаправлениях предотвращается путем выбора соответствующих подшипников сминимально возможными допусками у механических и максимальной жесткостью уэлектромагнитных. Тогда с учетом демпфирования в подвесе и диссипации энергии вкатушке, уравнения движения подвижной части имеют вид:
/>,
где /> - коэффициент вязкоготрения,
или в операторной форме
/>,
где />
/>.
/>, Т1=0,75 с;
/>
Расчеткорректирующего устройства
Для надежной работыустройства, необходимо включить в его схему еще один элемент, обеспечивающийзаданное качество переходного процесса. Но перед этим нужно добиться требуемогокачества установившегося режима. Система должна обеспечивать точность Xmax=0,2 мкм при входном воздействии gmax=500 мкм, отсюда можно найтисуммарный коэффициент усиления всех звеньев системы.
/>
Необходимо построить припомощи программного пакета ТАУ, нескорректированные логарифмические амплитудно-частотныехарактеристики (ЛАЧХ) и логарифмические фазо-частотные характеристики (ЛФЧХ),определить частоту среза ω0(см. Приложение 2).
После построения ω0=30001/с.
Рекомендуемый наклонскорректированной ЛАЧХ в области частоты среза -20 Дб на декаду. Т.к. одна изпостоянных времени лежит ниже частоты среза, то наклон не скорректированныйЛАЧХ в этой области примерно -60 Дб/декаду. Следовательно, чтобы поднять на 40Дб не скорректированную ЛАЧХ передаточная функция корректирующего устройствадолжна иметь вид:
/>
Постоянные времени вданном случае выбираются по соотношению:
/>;
/>;
Выбираем τ=0,0006 с,
Т=0,0001 с.
Таким образом мы получилиследующую передаточную функцию:
W(s)=Wдп(s)·Wиэ(s)·Wоу(s) ·Wку(s)
/>
Ввод данных:
/>, где
К=1; Т1=Т2=0,6; Т3=0,3; Т4=0,2; λ=1; τ=0
/>, К=2500, Т=750 с
Заключение
В ходе выполнения даннойкурсовой работы был проведен синтез системы автоматического регулированиярадиального положения пятна. Скорректированная система получилась устойчивой.
Списоклитературы
1.Сапаров В.Е., Максимов Н.А. Системы стандартов в электросвязи ирадиоэлектронике. М.: Радио и связь, 1985. 248 с.
2.Микропроцессорные системы автоматического управления./Под ред. БесекерскогоВ.А. Л., Машиностроение, 1988.
3.Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления смикроЭВМ. М., Наука, 1987.
4.Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.,Наука, 1975.
5.Теория автоматического управления./Под ред. Воронова А.А. М., Высшая школа,1986, Т.1, 2.
6.Основы автоматического регулирования и управления./Под ред. Пономарева В.М.,Литвинова А.П. М., Высшая школа, 1974.
7.Сборник задач по теории автоматического регулирования и управления./Под ред.Бесекерского В.А. М., Высшая школа, 1978.