應(yīng)用紅外圖像識(shí)別技術(shù)的電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)同步控制方法

陳虹潔，魏 超

(煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院，山東 招遠(yuǎn) 265401)

0 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)推動(dòng)了電機(jī)控制的發(fā)展，控制系統(tǒng)種類(lèi)日益豐富，功能也越來(lái)越強(qiáng)大，直至現(xiàn)在，機(jī)械生產(chǎn)基本都依賴(lài)電機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)控制水準(zhǔn)也從側(cè)面體現(xiàn)出國(guó)家機(jī)械加工水平。在各類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)中，只有實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自動(dòng)合理控制，確保各部件正常運(yùn)行，才能使加工工藝符合既定要求、提升生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制是一種常用控制策略，該方法與其他控制方法的最大區(qū)別表現(xiàn)為控制過(guò)程不連續(xù)，能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。雖然此種方法魯棒性強(qiáng)，但是控制穩(wěn)定性差，當(dāng)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，控制電壓不能獲得很好的跟蹤效果。

為此，廣大學(xué)者紛紛將不同算法應(yīng)用在滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制中。肖仁等[1]基于時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器提出一種自適應(yīng)控制方法。結(jié)合時(shí)間觀測(cè)器特點(diǎn)，獲取電機(jī)模型誤差與不確定擾動(dòng)的估計(jì)，補(bǔ)償擾動(dòng)估計(jì)；抑制趨近律的抖動(dòng)，使電機(jī)獲得更加準(zhǔn)確的跟蹤軌跡，但是其難以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)需求。田猛等[2]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，不斷調(diào)節(jié)滑膜變結(jié)構(gòu)增益，確保滑膜函數(shù)與切換面相接近，有效避免抖動(dòng)現(xiàn)象，但是其控制過(guò)程的穩(wěn)定性較差。

隨著控制領(lǐng)域智能化與自動(dòng)化水平的提高，各類(lèi)新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)，紅外圖像識(shí)別技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)的結(jié)合就是一種新的嘗試。本文從2方面入手：

a.應(yīng)用紅外圖像識(shí)別技術(shù)采集目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與有關(guān)控制量。

b.將采集到的圖像信號(hào)變換為電信號(hào)，設(shè)計(jì)一種滑膜控制器實(shí)現(xiàn)同步控制。

紅外圖像識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵在于紅外熱成像，成像效果直接決定圖像質(zhì)量。由于受到設(shè)備材質(zhì)與工藝影響，熱成像技術(shù)發(fā)展緩慢。因此，本文通過(guò)空間域圖像增強(qiáng)和直方圖均衡化等過(guò)程，提高圖像質(zhì)量，最大程度獲取目標(biāo)運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)電機(jī)滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制。

1 紅外圖像采集

紅外熱像儀是采集圖像的主要設(shè)備，能夠接收波長(zhǎng)為0.75～1 000 μm的輻射波，可實(shí)現(xiàn)輻射信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換[3-4]，最終將轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在示波器中[5]。成像儀結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分。

a.光學(xué)系統(tǒng)。

可改變光束分布情況，提高靈敏照度，加強(qiáng)儀器探測(cè)性能。在圖像采集過(guò)程中，光學(xué)系統(tǒng)需符合下述條件：尺度相對(duì)較小，孔徑盡可能最大；必須存在明確視場(chǎng)角，保證輻射損失最小；當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)不能出現(xiàn)明顯畸變現(xiàn)象；在不同惡劣條件下，光學(xué)性能依然保持穩(wěn)定。

b.掃描器。

主要任務(wù)是沿整個(gè)視場(chǎng)掃描目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像及持續(xù)分解。

c.紅外探測(cè)器。

其是熱像儀的主要部件，不但可完成圖像取樣，還能利用光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。探測(cè)器數(shù)量影響著成像效果，當(dāng)數(shù)量發(fā)生變化時(shí)，信號(hào)處理性能也隨之改變。

d.制冷機(jī)。

減少熱噪聲與背景噪聲，確保探測(cè)器正常工作。因探測(cè)器在成像系統(tǒng)中占用空間很小，所以制冷器也有體積要求，需最大程度微型化。

e.信號(hào)處理。

探測(cè)器的電信號(hào)十分微弱，只有經(jīng)過(guò)放大處理后才能顯現(xiàn)。通過(guò)信號(hào)處理電路將信號(hào)放大、分離，并傳輸?shù)娇刂蒲b置。

將上述裝置根據(jù)使用說(shuō)明進(jìn)行有效連接，即可實(shí)現(xiàn)紅外圖像采集。但獲取的初始圖像由于操作不當(dāng)或設(shè)備自身因素影響，圖像質(zhì)量較差，需要做增強(qiáng)處理。

2 紅外圖像預(yù)處理

2.1 空間域增強(qiáng)

空間域增強(qiáng)就是改善圖像整體像素f，處理公式為

g(x,y)=T[f(x,y)]

(1)

f(x,y)為初始圖像；g(x,y)為經(jīng)過(guò)處理的圖像；T為針對(duì)f的特定操作，操作范圍在(x,y)的鄰域上。

某點(diǎn)(x,y)的鄰域可描述為以(x,y)為中心點(diǎn)的矩形子圖像。該圖像中心由某像素移動(dòng)至另一像素，將T操作作用在所有(x,y)的位置上均可獲得此點(diǎn)輸出g。

當(dāng)鄰域尺度是單個(gè)像素時(shí)，T操作形式最為簡(jiǎn)便。此時(shí)，g只與f在(x,y)點(diǎn)處的值相關(guān)，且T操作也是強(qiáng)度映射，表示為

s=T(r)

(2)

r、s為f(x,y)和g(x,y)在點(diǎn)(x,y)上的灰度值。經(jīng)過(guò)上述處理后，圖像整體像素得到提高，但是灰度值與邊緣部分還需做進(jìn)一步處理。

2.2 直方圖均衡化

此種處理過(guò)程就是將圖像中灰度值較大的像素向鄰域擴(kuò)展，保證灰度值更加均衡，增強(qiáng)圖像對(duì)比度。直方圖均衡化具體實(shí)施過(guò)程如下。

假設(shè)某圖像像素為n，灰度級(jí)總數(shù)為L(zhǎng)，nk描述灰度級(jí)為rk的像素?cái)?shù)量，計(jì)算第k個(gè)灰度級(jí)發(fā)生概率為

(3)

其中，0≤rk≤1，k=0,1,2,…,L-1。利用變換函數(shù)T(r)對(duì)式(3)做均衡化處理，得到

(4)

由此可知，均衡化后的灰度值Sk可通過(guò)初始直方圖獲得。經(jīng)過(guò)上述操作，圖像對(duì)比度明顯提高，視覺(jué)效果增強(qiáng)。

2.3 Laplacian算子銳化

Laplacian算子屬于微分算子，存在旋轉(zhuǎn)不變特性，能夠滿足紅外圖像邊緣銳化需求[6]。針對(duì)圖像f(x,y)，其Laplacian算子為

(5)

銳化后的圖像具備下述特征：

當(dāng)灰度斜坡?2f等于0時(shí)，斜坡起點(diǎn)和終點(diǎn)處不等于0；?2f對(duì)圖像細(xì)節(jié)具有很好的響應(yīng)效果。

基于上述優(yōu)勢(shì)，Laplacian算子可以很好地描述邊緣細(xì)節(jié)，同時(shí)也能保護(hù)背景信息，其表達(dá)式為

(6)

經(jīng)過(guò)所有預(yù)處理操作后，紅外圖像中可顯示出更多目標(biāo)信息，為電機(jī)同步控制提供參考依據(jù)，保證控制器可根據(jù)目標(biāo)實(shí)際需求下達(dá)控制命令。

3 應(yīng)用紅外圖像識(shí)別技術(shù)的滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制

3.1 電機(jī)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

要想實(shí)現(xiàn)滑膜變結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制，必須建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型，但如果在三相坐標(biāo)系中建立該模型[7]，會(huì)增加計(jì)算復(fù)雜度，因此，本文經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，在兩相坐標(biāo)系統(tǒng)中構(gòu)建電機(jī)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。

3.1.1 坐標(biāo)系建立與坐標(biāo)變換

a.靜止坐標(biāo)系。

又稱(chēng)為α-β坐標(biāo)系，假設(shè)兩相位置差距為90°，軸線為α和β。在固定繞組中，存在兩相平衡交流電iα和iβ[8]，此時(shí)會(huì)生成空間矢量Fj。

b.旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。

又稱(chēng)作d-q坐標(biāo)系，固定在轉(zhuǎn)子上，旋轉(zhuǎn)角頻率為ω。d和q2個(gè)坐標(biāo)軸的相差同樣為90°，若在d、q中通入電流id和iq，也會(huì)生成磁動(dòng)勢(shì)空間向量Fj。

c.坐標(biāo)變換。

電機(jī)坐標(biāo)變換中最重要的是交流量和直流量之間的相互轉(zhuǎn)換，將不同物理量由靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。轉(zhuǎn)換過(guò)程需遵守下述規(guī)則：保證變換前后旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)域單機(jī)功率相同。結(jié)合上述規(guī)則得到靜止、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和三相坐標(biāo)系之間的變化關(guān)系為：

(7)

(8)

(9)

θ為d軸和α軸夾角；(a,b,c)為三相坐標(biāo)系；F為電壓、電流等向量。上述變換公式均為可逆的。

3.1.2 數(shù)學(xué)模型構(gòu)建

在d-q坐標(biāo)系中，忽略高次諧波影響[9]，構(gòu)建電機(jī)數(shù)學(xué)模型。其中，電壓方程為：

(10)

(11)

電機(jī)定子磁鏈表達(dá)式為：

ψd=Ldid+ψf

(12)

ψq=Lqiq

(13)

電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程式為

(14)

電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式為

(15)

ud和uq為d、q軸電壓；R為電阻；ψd和ψq為不同軸上的氣隙磁鏈；ψf為耦合磁鏈；Ld和Lq為主電感；np為磁極對(duì)數(shù)；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣性；B為摩擦系數(shù)。

3.2 滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制器

本文設(shè)計(jì)一種基于紅外圖像傳輸?shù)耐娇刂破?，該裝置預(yù)留圖像傳輸接口，可接收紅外圖像，并能將圖像信號(hào)變換為電信號(hào)，再將電信號(hào)傳輸給控制器的主控處理單元，結(jié)合目標(biāo)信息，設(shè)置控制規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步控制。該同步控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，切換函數(shù)選擇和控制規(guī)律設(shè)置是最為關(guān)鍵的2部分。

3.2.1 切換函數(shù)選擇

S(X)=S(X1,X2,…,XN)=0

(16)

該切換面將空間劃分為S>0和S<0 2個(gè)子空間。當(dāng)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位于切換面S=0時(shí)，若穿越此點(diǎn)，則該點(diǎn)屬于通常點(diǎn)；若離開(kāi)此點(diǎn)，該點(diǎn)就是起始點(diǎn)；若由切換面兩側(cè)向此點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，則將其視作終止點(diǎn)。

由于通常點(diǎn)和起始點(diǎn)的研究?jī)r(jià)值較小，因此，本文將滑膜模態(tài)確定在終止點(diǎn)區(qū)域中，運(yùn)動(dòng)點(diǎn)如果運(yùn)行在該區(qū)域附近，就會(huì)進(jìn)入滑膜區(qū)，沿著切換面運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到指定界面。

3.2.2 控制規(guī)律設(shè)置

本文設(shè)計(jì)的控制規(guī)律包括以下3種，根據(jù)具體情況，選擇相應(yīng)控制規(guī)律。

a.函數(shù)切換控制。

(17)

b.狀態(tài)變量控制。

U=φX-ksgns

(18)

φ=[φ1,φ2,…,φn]，k為常數(shù)。其中控制量是通過(guò)狀態(tài)變量加權(quán)獲取的，變量系數(shù)與滑膜到達(dá)條件有關(guān)。

c.等效控制。

U=UL+ksgns

(19)

在等效控制中不僅包含等效部分UL還有切換部分ksgns。

為確保在上述控制規(guī)律約束下到達(dá)指定滑膜面，需進(jìn)一步探究滑膜面S具有的函數(shù)性質(zhì)。

(20)

將上述切換函數(shù)與控制規(guī)律引入到控制器中，即可根據(jù)目標(biāo)實(shí)際情況下達(dá)控制指令，達(dá)到電機(jī)滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制目的。

4 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與研究

仿真實(shí)驗(yàn)中，將永磁同步電機(jī)作為控制目標(biāo)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min，額定電流為2 A，阻尼系數(shù)為0.001 9。使用的紅外熱像儀型號(hào)為SC3000，該設(shè)備靈敏度較高，測(cè)溫范圍非常廣，具備數(shù)據(jù)高速采集功能，能夠滿足精準(zhǔn)控制領(lǐng)域需求。成像設(shè)備具體參數(shù)如表1所示。

表1 成像設(shè)備參數(shù)

基于表1，利用上述紅外熱像儀采集目標(biāo)圖像的具體步驟如下：結(jié)合目標(biāo)大小和距離挑選鏡頭；將設(shè)備電源線、采集線連接完好；打開(kāi)紅外熱像儀并制冷一段時(shí)間；制冷結(jié)束后，調(diào)整焦距，打開(kāi)攝像頭蓋采集目標(biāo)圖像；將采集到的目標(biāo)圖像按照所需格式保存。

由于圖像質(zhì)量影響著最終控制結(jié)果，所以需要檢測(cè)圖像質(zhì)量。分別將圖像灰度直方圖、平均局部信息熵作為圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 局部信息熵對(duì)比

由圖1可知，圖像處理前后每幀的局部信息熵值有很大區(qū)別，處理前信息熵較小，且?guī)c幀之間差別較大；經(jīng)過(guò)圖像空間域增強(qiáng)和算子銳化等操作后，紅外圖像的信息熵提高，表明圖像內(nèi)容豐富，細(xì)節(jié)信息更加清晰，更加有助于目標(biāo)特征提取。

上述實(shí)驗(yàn)證明紅外圖像方法可以很好地采集目標(biāo)信息，為電機(jī)滑膜變結(jié)構(gòu)控制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。下面根據(jù)采集的信息，利用本文設(shè)計(jì)的滑膜控制器完成同步控制，同時(shí)將電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)電壓跟蹤效果作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法與本文方法做對(duì)比，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同算法轉(zhuǎn)矩跟蹤曲線

由圖2可知，應(yīng)用紅外圖像技術(shù)跟蹤到的電壓值和設(shè)定電壓值相吻合，而其他2種算法的跟蹤效果并不理想，難以消除控制抖動(dòng)現(xiàn)象。這是因?yàn)楸疚尼槍?duì)同步控制器設(shè)置合理的控制規(guī)律，提高電壓跟蹤的準(zhǔn)確性，另外紅外圖像提供的目標(biāo)信息為控制器提供控制依據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

在仿真環(huán)境中添加1個(gè)示波器與2個(gè)探頭，設(shè)備連接完成后啟動(dòng)電機(jī)，觀測(cè)示波器中信號(hào)相位是否相差90°，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 脈沖波形

由圖3可知，本文方法輸出的脈沖波形十分規(guī)整，滿足相位相差90°的要求，進(jìn)一步證明該方法具備控制穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)電機(jī)控制走向智能化與自動(dòng)化。本文應(yīng)用紅外圖像技術(shù)，采集目標(biāo)具體信息，設(shè)置滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制器，根據(jù)目標(biāo)特征，設(shè)計(jì)控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)同步控制。仿真實(shí)驗(yàn)證明了本文方法能夠?yàn)殡姍C(jī)滑膜變結(jié)構(gòu)控制提供相關(guān)依據(jù)，提高控制精度與穩(wěn)定性。隨著控制理論的日漸成熟，相信在未來(lái)研究中自適應(yīng)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法也會(huì)逐步改善，使電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。