1 На правах рукописи СЕВЕРОВ Алексей Александрович

На правах рукописи
СЕВЕРОВ Алексей Александрович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ
УПРАВЛЕНИЯ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
DVD УСТРОЙСТВА
Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства
вычислительной техники и систем управления
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Саратов – 2010
2
Работа выполнена
в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Научный руководитель:
- доктор технических наук, профессор
Львов Алексей Арленович
Официальные оппоненты:
- доктор технических наук, профессор
Глазков Виктор Петрович
- кандидат технических наук
Агальцов Андрей Геннадьевич
Ведущая организация:
- ОАО «КБ Электроприбор»
(г. Саратов)
Защита состоится « 24 » июня 2010 г. в 13-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.242.08 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул.
Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».
Автореферат разослан « 24 » мая 2010 г.
Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru « 24 » мая 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Терентьев А.А.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Все существующие на сегодняшний день системы управления оптико-механическими приводами (сервосистемы) DVD
устройств являются результатом зарубежных разработок. Сервосистема –
система, выполняющая регулирование всех механизмов (двигателей) оптико-механического привода: фокусировка (перемещение линзы оптической
головки параллельно оси вращения диска с целью удержания поверхности
дорожки диска в фокусе линзы), трекинг (перемещение линзы оптической
головки вдоль радиуса диска с целью стабилизации пучка света линзы на
дорожке диска), перемещение каретки с оптической головкой вдоль радиуса
диска, вращение диска, загрузка/выгрузка лотка с диском. Анализу этих систем посвящены работы J.J. Braat, A.J. Janssen, G.V. Rosmalen, T.D. Milster,
D.G. Bouwhuis. Разработки, сделанные в этой области за рубежом, являются
закрытыми для свободного доступа. Поэтому отечественные исследования
по данному вопросу весьма актуальны, поскольку позволяют разрабатывать
и создавать собственные оптические носители информации и средства, позволяющие записывать и считывать оптические диски.
Анализ проведенных зарубежных исследований в области оптической
записи показал, что основной трудностью на пути совершенствования сервосистем являются нелинейные искажения, присущие оптическим головкам
оптико-механических приводов, приводящие к срыву фокусировки и, особенно, трекинга, что является причиной потери данных и времени на их
восстановление. Поэтому разработка надежных систем управления оптикомеханическими приводами DVD устройств является актуальной и практически важной технической и научной задачей.
Целью диссертационной работы является совершенствование сервосистемы, обеспечивающее надежную и устойчивую работу оптикомеханического привода DVD устройства. Достижение поставленной цели
подразумевает решение следующих основных задач:
1. Анализ оптических систем записи/воспроизведения сигналов и
принципов построения оптико-механических приводов;
2. Формирование входных воздействий специального вида и разработка методики их использования, позволяющей минимизировать влияние нелинейных искажений оптической головки при идентификации ее математических моделей;
3. Разработка оптимального алгоритма оценки параметров математических моделей оптической головки оптико-механического привода;
4. Синтез цифровых регуляторов на основе полученных математических моделей оптической головки для обеспечения устойчивой работы
сервосистемы DVD устройства;
5. Аппаратно-программная реализация разработанной системы управления оптико-механическим приводом.
4
Методы исследования. В данной работе использованы методы математической статистики, цифровой обработки сигналов, математического
моделирования, методы дискретной линейно-квадратической оптимизации
и оптимальной фильтрации, основанные на решении матричных алгебраических уравнений Риккати.
Научная новизна работы. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
1. Предложена методика минимизации влияния нелинейных искажений
оптической головки с помощью использования многочастотных входных
воздействий на двигатели, перемещающие линзу оптической головки.
2. Предложен специальный многочастотный сигнал в качестве входного
воздействия на двигатели, перемещающие линзу оптической головки, позволяющий минимизировать влияние нелинейных искажений оптической головки.
3. Получены математические модели оптической головки, учитывающие ее малую нелинейность и позволяющие построить сервосистему,
обеспечивающую надежную и устойчивую работу оптико-механического
привода DVD устройства.
4. Разработан алгоритм оптимальной оценки коэффициентов моделей
исследуемых систем, отличающийся учетом взаимных ковариаций входных и выходных сигналов системы при оценке параметров ее моделей.
Предложенный алгоритм основан на методе максимального правдоподобия и позволяет получить асимптотически состоятельные, несмещенные и
эффективные оценки параметров моделей.
Достоверность и обоснованность результатов диссертации определяются корректным применением методов математической статистики,
математического моделирования, математических методов цифровой обработки сигналов, а также соответствием полученных экспериментальных
данных результатам теоретических исследований. Результаты диссертационного исследования подтверждаются проведенными испытаниями разработанной сервосистемы в реальном DVD устройстве.
Личный вклад автора. Анализ DVD устройств и принципов построения оптико-механических приводов. Построение и анализ многочастотных
сигналов, предназначенных для минимизации влияния нелинейности оптической головки оптико-механического привода. Разработка алгоритма оптимальной оценки параметров математических моделей оптической головки.
Участие в аппаратно-программной реализации и испытаниях разработанной
сервосистемы, а также в решении сопутствующих инженерных задач.
Практическая значимость результатов работы:
1. Впервые в отечественной практике разработана сервосистема DVD
плеера, удовлетворяющая требованиям международных стандартов.
2. Разработанная система управления оптико-механическим приводом
DVD плеера, в состав которой входит микроконтроллер семейства x51,
позволяет на ее основе построить различные законченные DVD устрой-
5
ства, а также является базовой для перспективных работ по разработке оптических систем записи и воспроизведения Blue Ray дисков.
3. Разработанный в данной работе микроконтроллер семейства x51 с
производительностью 100 миллионов команд в секунду с полным набором
периферии, в состав которого также входят 4 автономных высокопроизводительных регулятора-фильтра, может быть использован в других системах автоматического управления.
Реализация и внедрение. Полученные математические модели оптической головки, синтезированные цифровые регуляторы и аппаратнопрограммная реализация сервосистемы DVD плеера, соответствующая
международным стандартам, применены в ООО «СиЛаб» г. Саратова при
реализации реальных DVD устройств. Разработанный в данной работе микроконтроллер семейства x51 был применен в ООО «СиЛаб» при реализации осциллографического пробника «PR_SCOPE_10M». Соответствующий
акт внедрения прилагается к диссертационной работе.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на Международных научно-технических конференциях
«Глобальный научный потенциал – 3» (Тамбов, 2007 г.), «Математические
методы в технике и технологиях» (ММТТ-20 – Ярославль, 2007 г.; ММТТ21 – Саратов, 2008 г.; ММТТ-22 – Псков, 2009 г.), «Радиотехника и связь»
(Саратов, 2008 г.), «Проблемы управления, передачи и обработки информации – АТМ-ТКИ-50» (Саратов, 2009 г.), «Системный анализ и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2009 г.), на Международном научнометодическом симпозиуме «Современные проблемы многоуровневого образования» – школе молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2007 г.), на заседаниях кафедры «Техническая кибернетика и информатика».
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
1. Методика использования предложенных специальных входных воздействий позволяет минимизировать влияние нелинейных искажений, вызванных нелинейным откликом исполнительных механизмов перемещения
линзы оптической головки.
2. Математические модели оптической головки, учитывающие ее нелинейность, позволяют создавать сервосистемы, удовлетворяющие положениям международных стандартов и обеспечивающие надежную и устойчивую работу оптико-механических приводов DVD устройств.
3. Предложенный оптимальный алгоритм оценки коэффициентов моделей исследуемых систем позволяет при оценке параметров модели учитывать взаимные ковариации входных и выходных сигналов системы.
4. Макет экспериментальной установки DVD устройства, разработанный на основе синтезированных цифровых регуляторов системы управления оптико-механическим приводом.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 18 печатных
работах, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК.
6
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, имеющих подразделы, заключения, списка литературы из
137 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации составляет
126 страниц, в том числе основной текст занимает 96 страниц, включая 54
рисунка, 3 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной
работы, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика результатов исследования, представлены основные положения,
выносимые на защиту.
Первая глава посвящена рассмотрению оптических дисков, оптикомеханических приводов и DVD устройств. Описаны конструкции оптических дисков, а также способы и особенности их считывания и записи. На
рисунке 1 изображена блок-схема типичного DVD устройства – сложной
системы, состоящей из ряда самостоятельных многофункциональных элементов. Объектом исследования диссертационной работы является выделенная на
схеме система управления
оптико–механическим приводом. В состав любого оптико-механического привода (рис. 2) входят следующие узлы: оптическая головка с линзой и механизмами перемещения линзы
(вдоль радиуса при трекинге и параллельно оси вращения диска при фокусировке), механизм перемеРис. 1. Блок-схема типичного DVD устройства
щения подвижной каретки
с оптической головкой
вдоль радиуса диска (в процессе поиска нужной зоны диска), узел фиксирования и вращения диска и узел загрузки/выгрузки лотка с диском. Все эти перемещения осуществляются с помощью соответствующих электродвигателей.
Для считывания информации с оптического диска используется оптическая головка, которая включает в себя полупроводниковый лазер, оптическую систему (дифракционная решетка, цилиндрическая, коллиматорная и другие линзы, призма) и фотоприемник — прибор, преобразующий
световую энергию в электрический сигнал (рис. 3).
7
Рис. 2. Блок-схема оптико-механического привода и системы управления
Сложность построения системы
управления оптико-механическим приводом заключается в следующем. При
воспроизведении информации с диска
необходимо, чтобы расстояние между
фокусирующим объективом и дорожкой было равно фокусному расстоянию
объектива. Максимально допустимые
отклонения от этого положения в ту
или иную сторону не должны превышать предела его глубины резкости,
который для DVD дисков составляет
 0,9 мкм . Однако вертикальные бие- Рис. 3. Пример построения оптической
ния диска при воспроизведении могут
системы в оптической головке
достигать  0,5 мм , т.е. быть примерно
в 500 раз большими. Для того чтобы в таких условиях обеспечить нужную
дистанцию между объективом и дорожкой, определяются величина и знак
ошибки фокусировки, представляемые в виде соответствующего электрического сигнала. Затем этот сигнал усиливается и управляет двигателем фокусировки, который, перемещая объектив вверх или вниз вдоль оптической оси,
компенсирует образовавшуюся ошибку фокусировки. Подобная ситуация характерна и для трекинга. Двигатель трекинга перемещает объектив (или всю
оптическую головку) в радиальном направлении, компенсируя отклонение
дорожки от спиральной траектории.
8
В конце главы анализируются требования международных стандартов, предъявляемые к DVD устройствам. Согласно стандартам, для должного функционирования фокусировки и трекинга, необходимо, чтобы передаточная функция разомкнутой системы, состоящей из системы управления (содержащей корректирующее устройство – набор регуляторов) и
оптической головки, в диапазоне частот от 23,1 Гц до 10 кГц, имела вид:
k T s 1
,
(1)
Ws tan s   2  1
s T2 s  1
где s  j (  – частота); k , T1 , T2 – параметры (коэффициент передачи и
постоянные времени), определяемые в зависимости от решаемой задачи.
Международными стандартами допускается отклонение передаточной характеристики реального устройства от (1) в пределах 7-8 %.
Основная задача диссертационной работы – учет нелинейного отклика исполнительных механизмов перемещения линзы оптической головки, проявляющегося в появлении дополнительных гармоник в сигнале,
снимаемом с фотоприемника оптической головки (рис. 2 и 3) при подаче
на двигатели фокусировки и трекинга (рис. 2) одночастотного управляющего воздействия, что приводит к отклонению пучка света на поверхности
диска от желаемой траектории (в существующих на сегодняшний день
DVD устройствах этого сделано не было).
С этой целью во второй главе предлагается методика формирования
входных воздействий u t  специального вида, подаваемых на электродвигатели фокусировки и трекинга линзы оптической головки (рис. 2), позволяющих максимально компенсировать ее нелинейность. В качестве данных
воздействий предложено использовать сумму гармонических сигналов, частоты которых подбираются специальным образом для компенсации «слабой» нелинейности оптической головки. Предполагается, что влияние нелинейных составляющих g u t  на выходной сигнал y t  , снимаемый с
фотоприемника оптической головки (рис. 2 и 3), мало. При разложении
g u t  в ряд Тейлора выходной сигнал y t  можно представить в виде:
~
~
y t   k  u t   g u t   k  u t     u t     u 2 t     u 3 t   o u 3 t  , (2)




где  ,  ,   1, а o u n t  – величина более высокого порядка малости,
чем u n t  .
Было предложено воздействовать на нелинейную систему следующим многочастотным сигналом:
N
u t    an   sin in t   n  ,
n 1
(3)
где n – порядковый номер гармоники; i n  – номера специально подбираемых гармоник, кратных основной частоте  ; N – количество гармоник;
an  – амплитуда n -й гармоники;  n  – фаза n -й гармоники.
9
Целью исследований являлось определение оптимального набора частот i(n) в (3), позволяющего минимизировать нелинейные искажения,
вызванные спецификой исследуемой системы. Были исследованы 4 известных (встречающихся в литературе) многочастотных сигнала с наборами гарi1 n   1 2 3 ... N ,
i2 n   1 3 5 ... 2 N  1 ,
моник:
i3 n   1 4 7 ... 3 N  2 , i4 n   1 5 9 ... 4 N  3. Кроме того, исследовался предлагаемый автором сигнал со специально подобранным набором гармоник i5 n  , обладающий следующим свойством: любые комбинации
(суммы, разности, произведения) любых q гармоник из этого набора (где q –
порядок нелинейности исследуемой системы) не совпадают с гармониками из
данного набора i5 n  . Например, для системы с кубической нелинейностью
подобный набор, содержащий десять гармоник, будет иметь вид:
i5 n   1 5 13 29 49 81 119 141 207 263  .
В качестве критерия минимизации нелинейных искажений использовалось среднее значение ошибки E по числу гармоник N , представляющее собой
погрешность оценивания передаточной функции (Ŵ ) всей системы в целом:
N
E  1 / N    W  j  in    Ŵ  j  in   ,
n1
(4)
где W  j  in   – линейная передаточная функция, получаемая из (1) заменой параметра s на j  in  , а Ŵ  j  in   – оценка передаточной функции
исследуемой системы.
Были проведены модельные эксперименты, в которых на вход исследуемой системы (2) подавались описанные выше многочастотные сигналы равной мощности, содержащие от N  10 до N  200 гармоник. На рисунке 4,а
показаны погрешности оценивания передаточных функций (4) для исследуемых входных многочастотных сигналов, когда начальные фазы всех сигналов
в смеси равны нулю. Это наихудший случай, т.к. все нелинейные составляющие находятся в фазе и, следовательно, складываются. Самая большая ошибка
характерна для сигналов i1 n  и i2 n  , а самая малая – для сигнала i5 n  . На
рисунке 4,б показаны погрешности оценивания передаточных функций (4),
полученные с помощью усреднения 200 результатов модельных экспериментов, когда начальные фазы всех сигналов в смеси случайно распределены в
интервале 0 ,2  . Погрешность оценивания E для входного сигнала i5 n 
осталась примерно той же, что и на рисунке 4,а. Погрешности оценивания для
других рассматриваемых входных сигналов стали близки к погрешности для
сигнала i5 n  . Это объясняется тем, что нелинейные составляющие со случайными фазами в той или иной степени компенсируют друг друга.
Многочисленные модельные эксперименты показали, что еще одним
определяющим критерием оценки оптимальности входных многочастотных сигналов, используемых для минимизации нелинейных искажений,
10
является отношение R максимального значения амплитуды сигнала к его
среднеквадратическому значению:
R  max| u( t ) | / u 2 ( t )  u max / u rms .
а)
б)
Рис. 4. Погрешность оценивания E для многочастотных сигналов: а – с нулевыми
начальными фазами; б – со случайными начальными фазами
Поэтому далее была исследована зависимость погрешности оценивания E (4) от параметра R . Взаимосвязь между отношением u max / u rms и
погрешностью E для сигналов равной мощности i3 n  и i5 n  , когда
начальные фазы всех сигналов в смеси случайно распределены в интервале
0 ,2  , полученная на основании 10 4 модельных экспериментов, показана
на рисунке 5. Из этого рисунка видно, что погрешность, найденная для
сигнала i5 n  , меньше, чем для сигнала i3 n  , при u max / u rms  2,3 .
В результате был сделан вывод – для минимизации влияния
нелинейности исследуемой системы достаточно провести один эксперимент с помощью входного воздействия i5 n  . Причем полученный
результат, при u max / u rms  2,3 , будет точнее, чем при усреднении
множества экспериментов, проведенных с помощью других многоРис. 5. Погрешность оценивания E
в зависимости от отношения umax / urms
частотных сигналов. Проведенные
для многочастотных сигналов, состоящих модельные эксперименты показали,
из N  10 гармоник со случайными
что для минимизации нелинейных
начальными фазами
искажений предпочтительнее пользоваться многочастотным сигналом с набором гармоник вида i5 n  .
11
Третья глава посвящена построению математических моделей оптической головки и синтезу регуляторов сервосистемы DVD плеера. В
начале главы представлен эксперимент, проведенный с целью снятия амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) оптической головки. В качестве
входного воздействия, подаваемого на электродвигатели фокусировки и
трекинга линзы оптической головки (рис. 2), исходя из результатов, полученных во второй главе, использовался многочастотный сигнал с набором
гармоник i5 n  , содержащий N  10 составляющих. Выходной сигнал
снимался с фотоприемника оптической головки (рис. 3).
Полученные АЧХ оптической головки для фокусировки и трекинга приведены в логарифмических масштабах на рисунках 6 и 7 (сплошные линии).
Рис. 6. Экспериментально полученные логарифмические АЧХ оптической головки
для фокусировки с помощью одночастотного (квадраты) и многочастотного i5 n 
(сплошная линия) сигналов
Рис. 7. Экспериментально полученная логарифмическая АЧХ оптической головки
для трекинга с помощью многочастотного сигнала i5 n 
12
Для сравнения на рисунке 6 изображена АЧХ оптической головки
для фокусировки, полученная с помощью одночастотного сигнала (квадраты). Видно, что она отличается от второй характеристики (сплошная линия) в основном на частотах свыше 1 кГц. Это отличие и является результатом действия нелинейных искажений, присущих оптическим головкам
оптико-механических приводов. Из рисунков 6 и 7 видно, что у обеих характеристик (сплошные линии) явно выражен основной резонанс на частоте 65 Гц. На первом этапе исследований предполагалось, что менее выраженные резонансы на частотах свыше 1 кГц являются погрешностью измерений или результатом действия неучтенных нелинейных искажений оптической головки, поэтому они игнорировались.
Тогда оптическая головка, в соответствии с экспериментально снятыми АЧХ (рис. 6 и 7) и с учетом сделанных выше допущений, как для фокусировки, так и для трекинга, может быть представлена колебательным
звеном с передаточной функцией:
k0
WPUH s  
.
(5)
T0 s 2  2T0 s  1
Используя (5), с помощью метода наименьших квадратов проведена аппроксимация WPUH _ focus s  и WPUH _ track s  по экспериментально снятым АЧХ:
43.367
.
(6)
5.752  10 6 s 2  7.168  10 4 s  1
169.456
.
(7)
WPUH _ track s  
5.752  10 6 s 2  7.168  10 4 s  1
Но передаточные функции (6) и (7) не удовлетворяют требованиям
международных стандартов (1). Поэтому была введена цифровая корректирующая система (регуляторы) (рис. 8).
WPUH _ focus s  
Рис. 8. Схема последовательного соединения цифрового регулятора
и оптической головки в разрабатываемой сервосистеме
Далее представлен синтез цифровых регуляторов для фокусировки и
трекинга. Были получены передаточные функции синтезированных регуляторов WREG _ focus z 1 и WREG _ track z 1 , которые являются фильтрами с
бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) 3-го порядка:
1000  2032z 1  1353z 2  514z 3
1
,
(8)
WREG _ focus z  2
64  32z 1  19 z 2  4 z 3
 
 
 
13
1000  2007z 1  1286z 2  477 z 3
.
(9)
WREG _ track z 
128  51z 1  18 z 2  3 z 3
На основе синтезированных цифровых регуляторов была реализована
сервосистема. Ее апробация на макете, реализующем DVD устройство, дала положительные результаты: система осуществляла захват фокуса и трека, а также
их удержание во время записи и считывания информации с DVD дисков. Но в
некоторых случаях наблюдалось некорректное поведение разработанной системы. Это проявлялось при высокочастотном воздействии на оптическую головку
при трекинге. В случае перескока оптической головки через несколько треков
не всегда производился захват дорожки, вследствие чего происходила потеря
текущего месторасположения головки, что приводило к потере данных и времени на их восстановление. Также иногда происходили необъяснимые срывы
трекинга. На основании данных экспериментальных исследований было сделано предположение, что причиной подобных нежелательных эффектов являются
не учитываемые ранее резонансы на частотах свыше 1 кГц (рис. 6 и 7).
Необходимость учета этих резонансов обусловливает усложнение
математических моделей оптической головки. Поэтому была поставлена задача их уточнения. Оптическая головка, с учетом резонансов на частотах
свыше 1 кГц (рис. 6 и 7), как для фокусировки, так и для трекинга, может
быть представлена звеном с передаточной функцией 4-го порядка:
p4 s 2  p5 s  1
p1
WPUH _ defin ( s ) 

.
p2 s 2  p3 s  1 p6 s 2  p7 s  1
 
1
T
Для оценки параметров p   p1 ,..., p7  уточненных моделей был разработан оптимальный алгоритм, основанный на методе максимального правдоподобия. В качестве экспериментальных данных здесь выступают: Am – измеренные амплитуды всех гармоник входных воздействий i5 n  , Bm – измеренные амплитуды всех гармоник сигналов, снимаемых с фотоприемника оптической головки. Тогда функция правдоподобия выборки, состоящей из измерений
Am и Bm , зависящих от параметров модели p , может быть записана в виде:
T
1
(10)
P Zm | Zˆ  pˆ  
exp  Zm  Zˆ  C z1 Zm  Zˆ / 2 ,


2 L det C








z
ˆT B
ˆ
где Zˆ T  A
– оцененные амплитуды всех гармоник входных и выходных сигналов; p̂ – оцененные параметры модели; L – объем выборки;
T
ˆ , ˆp .
ˆ F A
Zm T  Am T Bm ; B

T



Ковариационная матрица шумов измерения величин Am и Bm была
найдена экспериментальным путем и определяется выражением:
C z  M z  zT ,


14
где z T  a b  , a и b – погрешности измерений амплитуд (шумы) гармоник
входных и выходных сигналов; M ... – оператор математического ожидания.
Искомые оценки Ẑ и p̂ находятся из условия максимума функции
правдоподобия относительно этих параметров. Учитывая, что C z не является функцией параметров Ẑ и p̂ , из (10) была получена следующая
функция оценки K :
T
K  Zm  Zˆ  C z1 Zm  Zˆ .
(11)
Используя процедуру Гаусса-Ньютона, выведено следующее рекурсивное уравнение:
T
T
J k C z1 J k θˆ k 1  J k C z1ξ k ,
(12)
ˆ
ˆ 
A
 Am  A
Zˆ

где θˆ    , ξ  
,
J

|θˆ θˆ – якобиан; θ̂ – отклонение
  ˆ ˆ  k
k
ˆ
Bm
ˆ

θ
p
F
A
,
p

 
 

от θ̂ на k -м шаге.
Уравнение (12) позволяет с помощью ЭВМ найти минимум выражения
(11) и тем самым вычислить искомые оценочные значения. Применяемый
для этого алгоритм состоит из k итераций, каждая из которых выполняется в
3 шага: 1) функция K минимизируется относительно p̂ , значения Â берутся




 
равными Am ; 2) функция K минимизируется относительно Â , значения p̂
берутся равными значениям на предыдущем шаге; 3) и функция K минимизируется относительно p̂ и Â , используя значения из второго шага. В итоге
находятся оценки параметров p̂ моделей исследуемых систем.
Применяя описанный выше алгоритм оптимальной оценки коэффициентов p , были получены уточненные передаточные функции оптической головки для фокусировки и трекинга. При этом уточнение для передаточной функции оптической головки для фокусировки получилось столь
малым, что им можно пренебречь. Передаточная функция оптической головки для трекинга, с учетом проведенного уточнения:
Wtrack _ defin ( s ) 
169.456

1.439  10 9 s 2  3.266  10 5 s  1
5.752  10 6 s 2  7.168  10 4 s  1 2.208  10 9 s 2  3.863  10 5 s  1
. (13)
Для полученных оценок параметров была вычислена нижняя граница
Крамера-Рао. Полученные значения нижней границы хорошо согласованы с
измеренными среднеквадратическими отклонениями. Был сделан вывод, что
для данных измерений оценки параметров произведены с минимальной погрешностью. Проверка адекватности модели (13) по F -критерию Фишера
показала, что с доверительной вероятностью P  0 ,95 она адекватно описывает экспериментально полученную АЧХ оптической головки для трекинга.
15
Уточнение передаточной функции оптической головки для трекинга
потребовало повторного синтеза регулятора. В результате синтеза уточненного цифрового регулятора была получена передаточная функция:
 
1000  2007 z 1  1286 z 2  477 z 3 24  11z 1  5 z 2
WREG _ track _ defin z 1 

.
128  51z 1  18 z  2  3 z  3
18  7 z 1  3 z  2
(14)
На рисунке 9 изображены
первоначальные (построенные по
(9)) и уточненные (построенные
по (14)) АЧХ и ФЧХ системы
корректировки для трекинга. Из
этого рисунка видно, что первоначальная и уточненная передаточные характеристики системы корректировки для трекинга различаются на частотах свыше 1 кГц.
Это различие и есть результат
учета резонансов АЧХ оптической
головки для трекинга на частотах
свыше 1 кГц (рис. 7).
Далее была реализована
сервосистема, разработанная на
основе уточненных цифровых ре- Рис. 9. Сравнение АЧХ и ФЧХ регуляторов для
гуляторов. Данная система осу- трекинга (сплошная линия – до уточнения, построенные по (9); квадраты – после уточнения,
ществляла захват фокуса и трека,
построенные по (14))
а также их удержание во время
записи и считывания информации с DVD дисков. При этом некорректное
поведение системы, характерное для первоначально разработанной сервосистемы, не наблюдалось. Таким образом, в диссертационной работе в качестве регулятора для фокусировки используется БИХ-фильтр 3-го порядка, а
для трекинга — БИХ-фильтр 5-го порядка.
В четвертой главе описана аппаратно-программная реализация сервосистемы, разработанной на основе синтезированных цифровых регуляторов.
При этом были использованы специализированные языки программирования
VHDL и Verilog. Разрабатываемая в данной работе система является специализированным вычислительным устройством, реализованным на микроконтроллерах. Причем, программное обеспечение микроконтроллеров, одновременно и в реальном времени управляющих большим числом устройств,
организовано на основе принципа многозадачности. Аппаратная часть сервосистемы реализована на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) и в виде СБИС типа «система на кристалле». Разработанная
система управления оптико-механическим приводом реализована как в виде отдельного IP-модуля, так и в составе Front End системы DVD плеера.
16
Отладка системы управления проводилась в ПЛИС. После получения
положительных результатов тестирования аппаратно-программной реализации на базе ПЛИС, были запущены в производство две опытных партии микросхем: «SERVO_CTRL», реализующая отдельный IP-модуль системы управления, и «DVD_FRONT_END», в состав которой входит разработанная система управления оптико-механическим приводом (рис. 10,а). Данные партии были изготовлены по КМОП технологии с проектными нормами 0,18 мкм. Проведенное тестирование в лаборатории ООО «СиЛаб» изготовленных микросхем на макетах реальных DVD устройств (рис. 10,б) подтвердило соответствие разработанной сервосистемы требованиям международных стандартов.
а)
б)
Рис. 10. Практические результаты: а – топология микросхемы «DVD_FRONT_END»;
б – рабочий макет DVD устройства, в котором реализована разработанная система
управления оптико-механическим приводом
На рисунке 11 изображены экспериментально снятые логарифмические
АЧХ разработанной системы управления оптико-механическим приводом для
фокусировки и трекинга. Эти характеристики имеют отклонение от линии, построенной по (1), не более чем 3-4 %, что вполне удовлетворяет требованиям
международных стандартов, допускающих отклонение от (1) в пределах 7-8 %
(допустимое отклонение изображено на рисунке 11 пунктирными линиями).
Результаты эксперимента процесса сканирования и перехода в режим стабилизации разработанной системы управления оптикомеханическим приводом для фокусировки и трекинга представлены на рисунке 12. Из этого рисунка видно, что система управления при фокусировке дает чуть меньшее перерегулирование, чем при трекинге, а выходит в
режим стабилизации, примерно, за одно и то же время.
В заключении приведены кратко сформулированные основные результаты и выводы, полученные в ходе работы над диссертацией. Намечены направления дальнейших перспективных исследований.
17
а)
б)
Рис. 11. Экспериментально снятые логарифмические АЧХ разработанной системы
управления оптико-механическим приводом для: а – фокусировки (квадраты); б – трекинга
(квадраты) в сравнении с международными стандартами (1) (сплошные линии)
б)
а)
Рис. 12. Результаты эксперимента во временной области разработанной системы
управления оптико-механическим приводом для: а – фокусировки; б – трекинга
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Проведенный анализ современного уровня развития и перспектив
оптических носителей информации, а также существующих на сегодняшний день систем управления оптико-механическими приводами DVD
устройств, продемонстрировал актуальность отечественных разработок в
данной области, и то, что совершенствование данных систем может быть
18
достигнуто за счет учета «слабых» нелинейностей, присущих оптическим
головкам оптико-механических приводов.
2. Разработан специальный вид входных воздействий, с помощью которых можно минимизировать влияние нелинейных искажений, вызванных нелинейным откликом исполнительных механизмов перемещения
линзы оптической головки.
3. Получены математические модели оптической головки, учитывающие ее нелинейность и позволяющие построить систему автоматического
управления оптико-механическим приводом DVD плеера.
4. Предложен оптимальный алгоритм оценки параметров моделей исследуемых систем. Важной особенностью предлагаемого алгоритма является учет взаимных ковариаций входных и выходных сигналов системы.
5. Разработана усовершенствованная сервосистема DVD плеера, удовлетворяющая требованиям международных стандартов и обеспечивающая устойчивую работу оптико-механического привода, а также позволяющая создавать различные законченные DVD устройства.
6. Разработанный в данной работе сервоконтроллер на основе микроконтроллера семейства x51, в состав которого входят 4 автономных высокопроизводительных регулятора-фильтра, имеет не только узкоспециализированное применение, но может быть также использован в других системах автоматического управления.
7. Результаты данной диссертационной работы рекомендованы для
практической реализации в разрабатываемом DVD плеере и осциллографическом пробнике.
8. В качестве направлений для дальнейших перспективных исследований могут быть предложены: разработка других функциональных блоков
DVD плеера, разработка сервосистемы Blue Ray плеера.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих печатных работах:
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Северов А.А. Построение математических моделей оптической головки
оптико-механического привода / А.А. Северов, А.А. Львов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 2 (39). С. 56-63.
2. Северов А.А. Модели периодических многочастотных сигналов и их
применение для минимизации нелинейных искажений / А.А. Северов, А.А.
Львов // Системы управления и информационные технологии. 2009. № 3
(37). С. 93-98.
3. Северов А.А. Алгоритм оценки параметров математических моделей линейных и нелинейных систем / А.А. Северов, А.А. Львов // Вестник
19
Саратовского государственного технического университета. 2009. № 4
(43). С. 77-81.
В других изданиях:
4. Северов А.А. Сравнительный анализ методов автофокусировки оптической головки при считывании оптических дисков / А.А. Северов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22: сб. трудов
XXII Междунар. науч. конф.: в 10 т. Псков: Изд-во Псков. гос. политехн.
ин-та, 2009. Т. 8. С. 60-65.
5. Северов А.А. Сравнительный анализ методов автотрекинга оптической
головки при считывании оптических дисков / А.А. Северов // Проблемы
управления, передачи и обработки информации – АТМ-ТКИ-50: сб. трудов
Междунар. науч. конф. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. С. 227-229.
6. Северов А.А. Математическая модель оптической головки для канала трекинга / А.А. Северов // Проблемы управления, передачи и обработки
информации – АТМ-ТКИ-50: сб. трудов Междунар. науч. конф. Саратов:
Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. С. 224-227.
7. Северов А.А. Методика проверки гипотез адекватности построенных
моделей исследуемых систем / А.А. Северов, А.А. Львов, М.С. Светлов // Системный синтез и прикладная синергетика – cб. докл. Междунар. науч. конф.
Пятигорск: Рекламно-информ. агентство на КМВ, 2009. С. 308-311.
8. Северов А.А. Методика минимизации нелинейных искажений / А.А.
Львов, А.А. Северов, И.В. Седов // Математические методы в технике и
технологиях – ММТТ-22: сб. трудов XXII Междунар. науч. конф.: в 10 т.
Псков: Изд-во Псков. гос. политехн. ин-та, 2009. Т. 8. С. 68-71.
9. Северов А.А. Нелинейные искажения и многочастотные сигналы /
А.А. Северов, И.В. Седов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-22: сб. трудов XXII Междунар. науч. конф.: в 10 т. Псков:
Изд-во Псков. гос. политехн. ин-та, 2009. Т. 8. С. 57-60.
10. Северов А.А. Новый метод измерения наилучшей линейной аппроксимации / А.А. Северов, И.В. Седов // Математические методы в технике и
технологиях – ММТТ-22: сб. трудов XXII Междунар. науч. конф.: в 10 т.
Псков: Изд-во Псков. гос. политехн. ин-та, 2009. Т. 8. С. 65-67.
11. Северов А.А. Структура FRONT END системы DVD плеера / А.А.
Северов // Глобальный научный потенциал: сб. материалов 3-й Междунар.
науч.-практ. конф. Тамбов: ТАМБОВПРИНТ, 2007. С. 122-123.
12. Северов А.А. Принципы организации многозадачности алгоритмов
работы системного контроллера / И.В. Седов, А.А. Северов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20: сб. трудов XX Междунар. науч. конф.: в 10 т. Международный научно-методический симпозиум
«Современные проблемы многоуровневого образования», Школа молодых
ученых. Ростов-н/Д: Донской гос. техн. ун-т, 2007. Т. 10. С. 267-269.
13. Северов А.А. Многофункциональный микроконтроллер на основе
ядра 8051 / А.А. Северов, И.В. Седов // Математические методы в технике
20
и технологиях – ММТТ-21: сб. трудов XXI Междунар. науч. конф.: в 10 т.
Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. Т. 6. С. 319-322.
14. Северов А.А. К вопросу определения качества цифрового потока
данных, считываемого с DVD-диска / В.М. Демин, А.А. Северов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20: сб. трудов XX
Междунар. науч. конф.: в 10 т. Ярославль: Изд-во Яросл. гос. техн. ун-та,
2007. Т. 7. С. 129-131.
15. Северов А.А. Оценка некоторых статистических характеристик потока цифровых данных, считываемого с DVD-диска / В.М. Демин, А.А.
Северов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20:
сб. трудов XX Междунар. науч. конф.: в 10 т. Ярославль: Изд-во Яросл.
гос. техн. ун-та, 2007. Т. 7. С. 125-128.
16. Северов А.А. Реализация регулятора скорости вращения шпинделя
оптико-механического привода / А.А. Северов, И.В. Седов // Математические
методы в технике и технологиях – ММТТ-21: сб. трудов XXI Междунар.
науч. конф.: в 10 т. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. Т. 6. С. 316-319.
17. Северов А.А. О проблемах синхронизации и корректного захвата
потока цифровых данных, считываемого с DVD диска / А.А. Северов, М.С.
Светлов // Радиотехника и связь: сб. науч. трудов. Саратов: Сарат. гос.
техн. ун-т, 2008. С. 71-75.
18. Северов А.А. Непараметрическое оценивание частотных характеристик
на основе нелинейного усреднения / А.А. Северов, И.В. Седов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-21: сб. трудов XXI Междунар.
науч. конф.: в 10 т. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. Т. 10. С. 55-59.
СЕВЕРОВ Алексей Александрович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ
УПРАВЛЕНИЯ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ
DVD УСТРОЙСТВА
Автореферат
Корректор О.А. Панина
Подписано в печать 19.05.10
Формат 60х84 1/16
Бум. офсет.
Усл. печ. л. 1,0
Уч.-изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.
Заказ 177
Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
410054, Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Политехническая ул., 77