Введение к работе
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 оптико-механическими приводами DVD устройств является актуальной и практически важной технической и научной задачей.
Целью диссертационной работы является совершенствование сервосистемы, обеспечивающее надежную и устойчивую работу оптико-механического привода DVD устройства. Достижение поставленной цели подразумевает решение следующих основных задач:
-
Анализ оптических систем записи/воспроизведения сигналов и принципов построения оптико-механических приводов;
-
Формирование входных воздействий специального вида и разработка методики их использования, позволяющей минимизировать влияние нелинейных искажений оптической головки при идентификации ее математических моделей;
-
Разработка оптимального алгоритма оценки параметров математических моделей оптической головки оптико-механического привода;
-
Синтез цифровых регуляторов на основе полученных математических моделей оптической головки для обеспечения устойчивой работы сервосистемы DVD устройства;
-
Аппаратно-программная реализация разработанной системы управления оптико-механическим приводом.
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:
-
Предложена методика минимизации влияния нелинейных искажений оптической головки с помощью использования многочастотных входных воздействий на двигатели, перемещающие линзу оптической головки.
-
Предложен специальный многочастотный сигнал в качестве входного воздействия на двигатели, перемещающие линзу оптической головки, позволяющий минимизировать влияние нелинейных искажений оптической головки.
-
Получены математические модели оптической головки, учитывающие ее малую нелинейность и позволяющие построить сервосистему, обеспечивающую надежную и устойчивую работу оптико-механического привода DVD устройства.
-
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:
-
Впервые в отечественной практике разработана сервосистема DVD плеера, удовлетворяющая требованиям международных стандартов.
-
Разработанная система управления оптико-механическим приводом DVD плеера, в состав которой входит микроконтроллер семейства x51, позволяет на ее основе построить различные законченные DVD устройства, а также является базовой для перспективных работ по разработке оптических систем записи и воспроизведения Blue Ray дисков.
-
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 аппаратно-программная 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.; ММТТ-21 – 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 научно-методическом 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:
-
Методика использования предложенных специальных входных воздействий позволяет минимизировать влияние нелинейных искажений, вызванных нелинейным откликом исполнительных механизмов перемещения линзы оптической головки.
-
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.
-
Предложенный оптимальный алгоритм оценки коэффициентов моделей исследуемых систем позволяет при оценке параметров модели учитывать взаимные ковариации входных и выходных сигналов системы.
-
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.
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.
