動態(tài)光源位置及照度控制系統(tǒng)的研制

馮文濤 曹民 李抒智

摘要：為了加強對動態(tài)光源的控制，利用LabvIEw的比例一積分一微分（PII））控制方法，研制了動態(tài)光源的位置及照度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過控制電機改變光源的位置，采用LabVIEW的PID控制及參數(shù)自整定模塊對輸出電流進行控制，以改變動態(tài)光源的照度。研究表明，該系統(tǒng)可有效控制動態(tài)光源的位置及照度，在用于檢測攝像機動態(tài)范圍時，能有效提高檢測效率及檢測精度。

關(guān)鍵詞：動態(tài)光源;PID控制;參數(shù)自整定;LabVIEW

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

引言

動態(tài)光源就是光度、色度等參數(shù)可以變化的光源。目前動態(tài)光源在治療失眠、提高工作效率等方面發(fā)揮著一定的作用，為此本文研制了一個基于LabVIEW的動態(tài)光源位置及照度的控制系統(tǒng)。

本文使用LabVIEW進行編程，LabVIEW中的比例一積分一微分（PII））控制模塊具有應(yīng)用范圍廣、算法簡單、魯棒性好的優(yōu)點，而且PID控制不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，已成為目前工業(yè)控制中運用廣泛的控制方法。因此本系統(tǒng)采用PID控制模塊對動態(tài)光源的照度進行控制，這樣不僅可以增加響應(yīng)速度，而且可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。為了實現(xiàn)對動態(tài)光源的位置控制，通過程序控制電機帶動蝸桿蝸輪導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)。由于研制的系統(tǒng)能對光源照度實現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，所以還可應(yīng)用于攝像機動態(tài)范圍的檢測中。

1系統(tǒng)組成

圖1為動態(tài)光源位置及照度控制系統(tǒng)的主要組成部分，由PC機、運動控制卡、伺服電機、直流穩(wěn)流電源、動態(tài)光源（LED燈）、照度計等組成。采用LabVIEW編寫系統(tǒng)的控制軟件，通過雷賽DMC2210運動控制卡以及雷賽ISS57-體簡易伺服電機對光源的位置進行控制。動態(tài)光源選擇LED光源，該光源是根據(jù)電流的大小來決定照度的大小，系統(tǒng)可以通過更改直流穩(wěn)流電源的電流輸出來改變LED光源的照度。

動態(tài)光源位置及照度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)導(dǎo)軌組件在電機的控制下，帶動固定在移動導(dǎo)軌上的光源沿導(dǎo)軌左右平移，從而實現(xiàn)光源位置的改變。

2控制程序設(shè)計

為了實現(xiàn)對動態(tài)光源位置和照度的控制，本系統(tǒng)使用LabVIEW進行編程?？刂瞥绦蛑饕腥齻€：位置及照度監(jiān)控、照度控制輸出波形以及控制參數(shù)設(shè)置。

位置及照度監(jiān)控圖如圖3所示，此面板主要是針對亮暗場光源位置以及照度進行實時控制?？刂茀?shù)設(shè)置圖如圖4所示，此面板主要是針對系統(tǒng)的控制參數(shù)進行設(shè)置與顯示，包括電機的行程參數(shù)、亮暗場的PID增益系數(shù)、電流穩(wěn)流輸出范圍、電源地址碼、采樣時間等。

3算法設(shè)計

3.1基于LabVIEW的PID控制算法設(shè)計

PID控制器主要利用LabVIEW中的PID控制模塊進行設(shè)計。PID控制增益系數(shù)包括比例增益（Ko）、積分時間（Ti）、微分時間（Td），首先調(diào)節(jié)比例增益，使系統(tǒng)能快速響應(yīng)，之后分別調(diào)節(jié)積分時間與微分時間，使控制器對轉(zhuǎn)速信號的控制達到理想狀態(tài)。

PID控制器將設(shè)定點（Sp）與過程變量（pv）進行比較，以獲得誤差（e）;比例控制可以減少控制器增益誤差的時間;基于LabVIEW的PID控制中，通過梯形積分可以避免在pv或sp突然改變時積分作用的急劇變化;偏微分作用是，當sp突變時，只對pv施加導(dǎo)數(shù)作用，而不是誤差e，以避免導(dǎo)數(shù)反沖。

在對PID控制器的設(shè)計中，通過對輸入差值、比例、積分、微分的控制計算出適合本系統(tǒng)的PID控制器的實用模型，該模型可表示為

3.2基于LabVIEW的PID參數(shù)整定方法

在動態(tài)光源的位置及照度控制系統(tǒng)中增加PID參數(shù)自整定模塊，并通過PID增益預(yù)整定方法可以使系統(tǒng)的快速響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)誤差等特性得到增強。

基于LabVlEW的動態(tài)光源暗場的照度PID自整定設(shè)計方案如圖5所示。

4測試分析

4.1暗場輸出波形分析

為了驗證動態(tài)光源位置及照度控制系統(tǒng)的正確性與有效性，將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于攝像機動態(tài)范圍的檢測中，并試制樣機。在樣機測試中，動態(tài)光源亮場和暗場分別置于兩組互不干擾的測試區(qū)域，樣機可以同時控制兩個區(qū)域進行檢測，分別求出動態(tài)范圍的最大值和最小值。以動態(tài)光源暗場為例，其輸出波形如圖6所示。

由圖6可以看出：在初始時間系統(tǒng)暗場的照度值為01X，將目標照度設(shè)定為500lx后，當前照度在1.5 s的時間內(nèi)快速上升并達到目標照度，隨后出現(xiàn)超調(diào)達到最高值，并在9 s后趨于穩(wěn)定，達到目標照度。電流波形與當前照度波形趨勢相同。暗場照度與電流波形符合PID控制原理，實驗結(jié)果與預(yù)期相符。

4.2動態(tài)光源系統(tǒng)應(yīng)用于攝像機動態(tài)范圍檢測

攝像機的“動態(tài)范圍”是指攝像機對拍攝場景中景物光照反射的適應(yīng)能力，及攝像機對圖像的最“暗”和最“亮”的調(diào)整范圍。目前，確定攝像機成像器“動態(tài)范圍”的主要方法是，使用灰階測試卡和動態(tài)光源來收集和觀察圖像，并測量動態(tài)范圍級別。目前使用灰階測試卡這種方法依然存在一些問題，例如各個光源參數(shù)設(shè)置采用手動模式，測試精度以及測試結(jié)果的一致性不足等。通過加入動態(tài)光源位置及照度的控制系統(tǒng)，可以有效改善目前攝像機動態(tài)范圍檢測的不足。

攝像機動態(tài)范圍檢測試制樣機如圖7所示。

通過加入動態(tài)光源的位置及照度控制系統(tǒng)使得試制樣機在測試中性能得以改善，其優(yōu)點如下：（1）兩組LED光源之間完全獨立，沒有任何串擾，光源功耗小，其色度、亮度等光學(xué)參數(shù)一致性好;（2）通過亮場與暗場光源的同時控制，大大提高了攝像機動態(tài)范圍檢測的效率;（3）LED光源組件的光學(xué)參數(shù)設(shè)置及調(diào)整，以及被測設(shè)備之間的距離及位置調(diào)整，均采用計算機控制，使得整個測試設(shè)備操作方便，測量精度大大提高。

5結(jié)論

本文針對動態(tài)光源的控制，研制了一個可以同時控制光源位置與照度的系統(tǒng)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明：光源照度經(jīng)PID參數(shù)自整定控制器調(diào)節(jié)后，其輸出波形基本符合PID控制理論;將該系統(tǒng)應(yīng)用于攝像機動態(tài)范圍的檢測測試平臺中，解決了目前攝像機動態(tài)范圍檢測中無法自動調(diào)節(jié)光源亮度以及檢測效率不高的問題，通過亮場、暗場光源同時控制以及照度PID參數(shù)自整定調(diào)節(jié)的引入，有效提高了對攝像機動態(tài)范圍的檢測效率及精度。