автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Совершенствование методик и алгоритмов управления оптико-механическим приводом DVD устройства

На правах рукописи

СЕВЕРОВ Алексей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ БУБ УСТРОЙСТВА

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2010

004606497

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Львов Алексей Арленович

доктор технических наук, профессор Глазков Виктор Петрович

кандидат технических наук Агальцов Андрей Геннадьевич

ОАО «КБ Электроприбор» (г. Саратов)

Защита состоится «-^1» 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 «21» мая 2010 г.

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru «2_1» мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Терентьев А. А.

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 па 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:

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.

Методы исследования. В данной работе использованы методы математической статистики, цифровой обработай 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 пклад 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 х51, 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.

3. Разработанный в данной работе микроконтроллер семейства х51 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 х51 был применен в ООО «СиЛаб» при реализации осциллографического пробника «PRSCOPEIOM». 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.; ММТ1-21 - 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:

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.

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, оптико-механических 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 трекин-ге и параллельно оси вращения диска при фокусировке), механизм перемещения 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, коллиматор-ная и другие линзы, призма) и фотоприемник — прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал (рис. 3).

Оптический гаях

Отико-Мвханический вжгад

Блок оцифровки считанных гашиш

Система упраплвния оптако-ибхаличе сети приводом

Кшжкбн8ш>кога и помиоуяойчиоого

Елок аудио и видео

Мжкгор и

колонки

Рис. L Клок-схема типичного DVD устройства

Рис. Z Блок-схема оптико-механического привода и системы упраапепш

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 ±0,9мкм. Однако вертикальные биения диска при воспроизведении могут достигать ±0,5мм, 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.

— Поверхность диска

Фокусирующий обьекгив Четвертьволновая пластинка

Согласующий объектив

Фотоприемник

Поляризационный расщепитель луча Коллиматор

Полупроводниковый лазерный диод

Рис. 3. Пример построения оптической системы в оптической гашвке

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:

*r„Jsh4-^7. 0)

s T2s +1

где s = ja (<э - частота); к, Тх, Т2 - 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(w(f)) в ряд Тейлора выходной сигнал y(t) можно представить в виде:

y{t)=к ■ u{t) + g{u{t))~k-u{t)+£-u{t)+a-u2{t)+ß-и3(f)+о(и3{t)), (2) где |e|,|a|,j/?| «1, а o(u"(i)) - величина более высокого порядка малости, чем к"(г).

Было предложено воздействовать на нелинейную систему следующим многочастотным сигналом:

u(t) = fö(«)-sin(i(«)öf + ф{п% (3)

m=l

где п - порядковый номер гармоники; /(и) - номера специально подбираемых гармоник, кратных основной частоте со\ N ~ количество гармоник; а(п) - амплитуда п-й гармоники; ф{п) - фаза п-й гармоники.

Целью исследований являлось определение оптимального набора частот ¡(п)а> в (3), позволяющего минимизировать нелинейные искажения, вызванные спецификой исследуемой системы. Были исследованы 4 известных (встречающихся в литературе) многочастотных сигнала с наборами гармоник: г7(«)=[/ 2 3 ... ЛГ], г,(и) = [/ 3 5 ... 2Ы-Ц, 4 7 ... ЗЫ-2), /Ди)=[7 5 9 ... -/ЛГ-З]. Кроме того, исследовался предлагаемый автором сигнал со специально подобранным набором гармоник ¡5(и), обладающий следующим свойством: любые комбинации (суммы, разности, произведения) любых д гармоник из этого набора (где ц — порадок нелинейности исследуемой системы) не совпадают с гармониками из данного набора ¡¡(п). Например, для системы с кубической нелинейностью подобный набор, содержащий десять гармоник, будет иметь вид: /5(и)=[/ 5 13 29 49 81 119 141 207 263].

В качестве критерия минимизации нелинейных искажений использовалось среднее значение ошибки Е по числу гармоник N, представляющее собой погрешность оценивания передаточной функции (}¥ ) всей системы в целом:

Е = (1/М)-•''(«)«)-" «'(иЦ> (4)

я=/

где IV■ ¡(п)а)) - линейная передаточная функция, получаемая из (1) заменой параметра «на ] • г(п)а), а IV (/ • ¡(п)а>) - оценка передаточной функции исследуемой системы.

Были проведены модельные эксперименты, в которых на вход исследуемой системы (2) подавались описанные выше многочастотные сишалы 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 г, (и) и г2{п), а самая малая - для сигнала ¿¡{п). На рисунке 4,6 показаны погрешности оценивания передаточных функций (4), полученные с помощыо усреднения 200 результатов модельных экспериментов, когда начальные фазы всех сигналов в смеси случайно распределены в интервале [0,2л]. Погрешность оценивания Е для входного сигнала ¡}(п) осталась примерно той же, что и на рисунке 4,а. Погрешности оценивания для других рассматриваемых входных сигналов стали близки к погрешности для сигнала г'3(п). Это объясняется тем, что нелинейные составляющие со случайными фазами в той или иной степени компенсируют друг друга.

Многочисленные модельные эксперименты показали, что еще одиим определяющим критерием оценки оптимальности входных многочастотных сигналов, используемых для минимизации нелинейных искажений,

является отношение R максимального значения амплитуды сигнала к его средиеквадратическому значению:

R = тах\ u(t) \}/^u2(t) = ит„/игш.

10 40 70 100 130 160 190 Число гярмоишс

а)

I 6,4

§40 е 5,8

и '

¡5.6 ft>

н

Е. dB

*3<w)

.Л

3^ ' ЗГ'то WO 130 160 Число гармоник

б)

Рис. 4. Погрешность оценивания Е для многочастотных сигналов: а-с нулевыми начальными фазами; б-со случайными начальными фазами

Поэтому далее была исследована зависимость погрешности оценивания Е (4) от параметра Л. Взаимосвязь между отношением итах/игт и погрешностью Е для сигналов равной мощности ¡3(п) и г,(и), когда начальные фазы всех сигналов в смеси случайно распределены в интервале [0,2яг], полученная на основании 104 модельных экспериментов, показана на рисунке 5. Из этого рисунка видно, что погрешность, найденная для

сигнала г)(п), меньше, чем для сигнала ¿3(п), при итях / игш > 2,3.

В результате был сделан вывод - для минимизации влияния нелинейности исследуемой системы достаточно провести один эксперимент с помощью входного воздействия ¡¡(п). Причем полученный результат, при / игт > 2,3, будет точнее, чем при усреднении множества экспериментов, проведенных с помощью других многочастотных сигналов. Проведенные модельные эксперименты показали, что для минимизации нелинейных искажений предпочтительнее поль-

3 4

Рис. 5. Погрешность оценивания Е в зависимости от отношения итш / игтя для многочастотных сигналов, состоящих ш N-10 гармоник со случайными начальными фазами

зоваться многочастотным сигналом с набором гармоник вида i5(n)

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 ij (п), 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. б. Экспериментально полученные логарифмические А ЧХ оптической головки для фокусировки с помощью одночастотного (квадраты) и мпогочастотного is (и) (сплошная линии) сигналов

\

\

Рис. 7. Экспериментально полученная логарифмическая АЧХ оптической головки для трекинга с помощью многочастотного сигнала (и)

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 б 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:

WpvnisY-

(5)

Т0в* + 2&Г0з + 1

Используя (5), с помощью метода наименьших квадратов проведена аппроксимация и ИГРШ ,гаск{и) по экспериментально снятым АЧХ:

.3.357 (6)

W,

l'UII./осш

W,

PUH track

М-

(*)=-

5.752 • 10~6 s2 + 7.168-10~4s + l' 169.456

--(7)

5.752-Ю'6 я2+7.168-10~4я + 1 Но передаточные функции (6) и (7) не удовлетворяют требованиям международных стандартов (1). Поэтому была введена цифровая корректирующая система (регуляторы) (рис. 8).

ro ^ Формирователь 3 > A Ц П Регулятор ц A П u ч Оптическая г

сигнала ошибки головка

/

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 Госи!{р~') и №кт_1гаск{2~'\ которые являются фильтрами с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ) 3-го порядка:

Wt

REG focus

И-'

1000 - 2032z~' + 1353z~2 - 514z~3

64-

- 32z~' + 19z~2 + 4z"3

(8)

( 1000- 2007z~' + 1286z'2 - 477z~3

WW )- 128-51z-i + 18z-* + 3z-s -■ (J)

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 усложните 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:

w г.т1- Р> рУ+ру + 1

vrPVH_defm\s)~ 2 , , , 2 , , , "

p2s +p3s + l p6s +p7s + l

Для оценки параметров p~(pi,-,p7)T уточненных моделей был разработан оптимальный алгоритм, основанный на методе максимального правдоподобия. В качестве экспериментальных данных здесь выступают: Am - измеренные амплитуды всех гармоник входных воздействий is(n), Вт - измеренные амплитуды всех гармоник сигналов, снимаемых с фотоприемника оптической головки. Тогда функция правдоподобия выборки, состоящей из измерений Am и Вт, зависящих от параметров модели р, может быть записана в виде:

p(zm\z{p))=-t 1 -ex]J-(zm~zJ •C;'(zm-z)/2], (10) ■уД2;г) detCj, L J

где ZT - {at ßTj - оцененные амплитуды всех гармоник входных и выходных сигналов; р — оцененные параметры модели; L ~ объем выборки;

ZmT = (.4тг Вт ); В = f(a,p).

Ковариационная матрица шумов измерения величин Am и Вт была найдена экспериментальным путем и определяется выражением:

Сг =М[г-гг],

где г' =(а Ь), а и Ь - погрешности измерений амплитуд (шумы) гармоник входных и выходных сигналов; А/[...] — оператор математического ожидания.

Искомые оценки ¿и р находятся из условия максимума функции правдоподобия относительно этих параметров. Учитывая, что Сг не является функцией параметров % и р, из (10) была получена следующая функция оценки К:

к = ^¡'(гт-г). (11)

Используя процедуру Гаусса-Ньютона, выведено следующее рекурсивное уравнение:

(12)

где 0 ■

А Ат А

Вт А*>р\

гг

; =—гЬ -якобиан; АО

- отклонение

от 0 на к -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 к итераций, каждая из которых выполняется в 3 шага: 1) функция К минимизируется относительно р, значения А берутся равными Ат; 2) функция К минимизируется относительно А, значения р берутся равными значениям на предыдущем шаге; 3) и функция К минимизируется относительно р и А, используя значения из второго шага. В итоге находятся оценки параметров р моделей исследуемых систем.

Применяя описанный выше алгоритм оптимальной оценки коэффициентов р, 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:

169.456 1.439-10'9 .ч2 + 3.266-10'5я+1

-.(13)

5.752 ■ 10~6 52 +7.168-10~4в + 1 2.208-Ю'9*2 + 3.863 ■ +1 Для полученных оценок параметров была вычислена нижняя граница Крамера-Рао. Полученные значения нижней границы хорошо согласованы с измеренными среднеквадратическими отклонениями. Был сделан вывод, что дня данных измерений оценки параметров произведены с минимальной почетностью. Проверка адекватности модели (13) по ^-критерию Фишера показала, что с доверительной вероятностью Р=0,95 она адекватно описывает экспериментально полученную АЧХ оптической головки для трекинга.

Уточнение передаточной функции оптической головки для трекинга потребовало повторного синтеза регулятора. В результате синтеза уточненного цифрового регулятора была получена передаточная функция: 1 ООО - 2007+ 1286-477г~3 24-11г~'

т

(14)

KEG track defin у ,

128-51z

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 регуляторов. Данная система осуществляла захват фокуса и трека, 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 прохраммирования 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.

е>, (ряд'!)

Рас. 9. Сравнение АЧХ и ФЧХ регуляторов для трекинга (сплошная линия-до уточнения, построенные по (9); квадраты - после уточнения, построенные по (14))

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 «DVDJFR ON1' ENI)», 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. 10,6) подтвердило соответсг-

Е

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 оптико-механическим 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.

а)

б)

Рис. 11. Экспериментально снятые логарифмические А ЧХразработанной системы управления оптико-механическим приводам для: а - фокусировки (квадраты); б ■ ■ трекинга (квадраты) в сравнении с международными стандартами (1) (сплошные линии)

Рис. 12. Результаты эксперимента во временной области разработанной системы управления оптико-механическим приводом для: а-фокусировки; 6-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 дос-

тигнуто 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 х51, 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 осциллогра-фическом 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 A.A. Построение математических моделей оптической головки оптико-механического привода / A.A. Северов, A.A. Львов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 2 (39). С. 56-63.

2. Северов A.A. Модели периодических многочастотных сигналов и их применение для минимизации нелинейных искажений / A.A. Северов, A.A. Львов И Системы управления и информационные технологии. 2009. № 3 (37). С. 93-98.

3. Северов A.A. Алгоритм оценки параметров математических моделей линейных и нелинейных систем / A.A. Северов, A.A. Львов // Вестник

Саратовского государственного технического университета. 2009. № 4 (43). С. 77-81.

В других изданиях:

4. Северов A.A. Сравнительный анализ методов автофокусировки оптической головки при считывании оптических дисков / A.A. Северов II Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-22: сб. трудов XXII Междунар. науч. конф.: в 10 т. Псков: Изд-во Псков, гос. политехи, ин-та, 2009. Т. 8. С. 60-65.

5. Северов A.A. Сравнительный анализ методов автотрекинга оптической головки при считывании оптических дисков / A.A. 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 A.A. Математическая модель оптической головки для канала трекинга / A.A. Северов Н 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 A.A. Методика проверки гипотез адекватности построенных моделей исследуемых систем / A.A. Северов, A.A. Львов, М.С. Светлов // Системный синтез и прикладная синергетика: сб. докл. Междунар. науч. конф. Пятигорск: Рекламно-информ. агентство наКМВ, 2009. С. 308-311.

8. Северов A.A. Методика минимизации нелинейных искажений / A.A. Львов, A.A. 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. политехи, ин-та, 2009. Т. 8. С. 68-71.

9. Северов A.A. Нелинейные искажения и многочастотные сигналы / A.A. 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. политехи, йн-та, 2009. Т. 8. С. 57-60.

10. Северов A.A. Новый метод измерения наилучшей линейной аппроксимации / A.A. 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. политехи, ин-та, 2009. Т. 8. С. 65-67.

11. Северов A.A. Структура FRONT END системы DVD плеера / A.A. Северов // Глобальный научный потенциал: сб. материалов 3-й Междунар. науч.-практ. конф. Тамбов: ТАМБОВПРИНТ, 2007. С. 122-123.

12. Северов A.A. Принципы организации многозадачности алгоритмов работы системного контроллера / И.В. Седов, A.A. 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 A.A. Многофункциональный микроконтроллер на основе ядра 8051 / A.A. 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. 319-322.

14. Северов A.A. К вопросу определения качества цифрового потока данных, считываемого с DVD-диска / В.М. Демин, A.A. 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 A.A. Оценка некоторых статистических характеристик потока цифровых данных, считываемого с DVD-диска / В.М. Демин, A.A. 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 A.A. Реализация регулятора скорости вращения шпинделя оптико-механического привода / A.A. 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 A.A. О проблемах синхронизации и корректного захвата потока цифровых данных, считываемого с DVD диска / A.A. Северов, М.С. Светлов Н Радиотехника и связь: сб. науч. трудов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. С. 71-75.

18. Северов A.A. Непараметрическое оценивание частотных характеристик на основе нелинейного усреднения / A.A. 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 O.A. Панина

Подписано в печать 19.05.10

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 177

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Политехническая ул., 77

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗАПИСИ/ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ СИГНАЛОВ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИВОДОВ.

1.1. Оптические носители информации.

1.2. Структура и функциональный состав оптических систем записи и воспроизведения сигналов.

1.3. Принципы построения оптико-механических приводов.

1.4. Сравнительный анализ методов автофокусировки оптической головки.

1.4.1. Метод астигматизма пучка.

1.4.2. Метод двух диафрагм.

1.4.3. Метод Фуко.

1.5. Сравнительный анализ методов автотрекинга оптической головки.

1.5.1. Метод трех лучей.

1.5.2. Дифракционный метод.

1.5.3. Фазовый метод.

1.6. Требования международных стандартов, предъявляемые к сервосистемам различных DVD устройств.

1.7. Выводы по главе 1.

Глава 2. ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ВЛИЯНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГОЛОВКИ.

2.1. Идентификация систем.

2.1.1. Развитие теории идентификации.

2.1.2. Идентификация для систем управления.

2.1.3. Идентификация в частотной области.

2.2. Математическое моделирование входных сигналов.

2.3. Модели периодических многочастотных сигналов.

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ ГОЛОВКИ И СИНТЕЗ РЕГУЛЯТОРОВ СЕРВОСИСТЕМЫ DVD УСТРОЙСТВА.

3.1. Построение математических моделей оптической головки.

3.1.1. Измерительная установка.

3.1.2. Аппроксимация амплитудно-частотных характеристик оптической головки.

3.2. Синтез цифровых регуляторов для каналов фокусировки и трекинга.

3.2.1. Модель объекта управления.

3.2.2. Постановка и решение задачи синтеза цифрового регулятора.

3.2.3. Результаты синтеза и их анализ.

3.3. Уточнение математических моделей оптической головки.

3.3.1. Алгоритм оценки коэффициентов модели исследуемой системы.

3.3.2. Изучение погрешности оценки коэффициентов — вычисление нижней границы Крамера-Рао.

3.3.3. Результаты оценок коэффициентов и их анализ.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ И АЛГОРИТМИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ В РЕАЛЬНОМ DVD УСТРОЙСТВЕ.

4.1. Общие положения и специфика аппаратно-программных реализаций различных электронных систем.

4.2. Специализированные языки проектирования: VHDL и Verilog.

4.3. Принципы организации и реализации многозадачности алгоритмов управления.

4.4. Реализация разработанной сервосистемы на ПЛИС и в виде СБИС типа «система на кристалле».

4.5. Результаты экспериментальных исследований опытного образца DVD устройства.

4.6. Выводы по главе 4.

Диссертационная работа посвящена исследованию оптических систем записи и воспроизведения DVD дисков, формированию входных воздействий специального вида, позволяющих минимизировать влияние нелинейных искажений оптической головки, разработке математических моделей оптической головки оптико-механического привода, синтезу цифровых регуляторов, построению сервосистемы DVD устройства, удовлетворяющей требованиям международных стандартов, а также аппаратно-программной реализации разработанной сервосистемы. Решение этих задач оказалось возможным только при условии применения быстродействующей вычислительной техники и разработки соответствующего программного обеспечения.

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.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационного исследования является совершенствование сервосистемы, обеспечивающее надежную и устойчивую работу оптико-механического привода DVD устройства.

Основные задачи исследования:

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.

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.

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 х51, 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.

3. Разработанный в данной работе микроконтроллер семейства х51 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 х51 был применен в ООО «СиЛаб» при реализации осциллографического пробника «PRSCOPE10M». Соответствующий акт внедрения прилагается к диссертациоиной 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» - школа молодых ученых (Ростов-на-Дону, 2007 г.), на заседаниях кафедры «Техническая кибернетики 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 13 — материалы научно-технических конференций, 5 - статей (3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК).

Структура и краткое содержание 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.

Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе:

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, а также то, что совершенствование данных систем может быть 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 серво контроллер на основе микроконтроллера семейства х51, 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Березюк Н.Т. Кодирование информации (двоичные коды) / Н.Т. Березюк, А.Г. Адрущенко, С.С. Мощицкий. Харьков: Издательское объединение «Вища школа», 1978. 252 с.

2. Судоплатов С.В. Дискретная математика: Учебник / С.В. Судоплатов, Е.В. Овчинникова. М.: ИНФРА-М; Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005.256 с.

3. 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: сборник научных трудов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008. С. 71-75.

4. Самсонов Б.Б. Компьютерная математика (основание информатики) / Б.Б. Самсонов, Е.М. Плохов, А.И. Филоненков. Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. 512 с.

5. Вернер М. Основы кодирования / М. Вернер. М.: Техносфера, 2004.288 с.

6. Никамин В.А. Цифровая звукозапись. Технологии и стандарты / В.А. Ни-камин. СПб.: Наука и Техника, 2002.256 с.

7. Никамин В.А. Компакт-диски и CD-устройства / В.А. Никамин. СПб.: Лань, 1997. 110 с.

8. Яценков B.C. Азбука CD и DVD: стандарты оптических дисков / B.C. Яцен-ков. М.: Майор, 2004.428 с.

9. И. ЕСМА, 120 mm DVD Read-Only Disk. Standard ECMA-267, 3rd Edition. April 2001.

10. ECMA, Data interchange on read-only 120 mm optical data disks (CD-ROM). Standard ECMA-130,2nd Edition. June 1996.

11. Williams E.W. The CD-ROM and optical recording systems / E.W. Williams // Textbooks in electrical and electronic engineering, Oxford Univ. Press. 1996. Vol. 2. P. 122-135.

12. Stan S. The CD-ROM drive, a brief system description / S. Stan. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. 1998.454 p.

13. Taylor J. DVD Demystified / J. Taylor. Printed by R.R. Donnelley & Sons Company, USA, New York. 2001.691 p.

14. ECMA, 120 mm DVD Rewritable Disk (DVD-RAM). Standard ECMA-272, 2nd Edition. June 1999.

15. ECMA, Volume and File Structure of Read-Only and Write-Once Compact Disk Media for Information Interchange. Standard ECMA-168, 2nd Edition. December 1994.

16. Северов АЛ. Структура FRONT END системы DVD плеера / А.А. Северов // Глобальный научный потенциал: Сборник материалов 3-й международной научно-практической конференции. Тамбов: Издательство ТАМБОВ-ПРИНТ, 2007. С. 122-123.

17. Боухьюз Г. Оптические дисковые системы / Г. Боухьюз, Дж. Браат, А. Хей-сер. М.: Радио и связь, 1991.280 с.

18. Лапин Е.В. Подготовка и запись DVD всех типов. Краткое руководство / Е.В. Лапин. М.: Вильяме, 2006. 320 с.

19. Bouwhuis G. Recording and reading of information on optical disks / G. Bouwhuis, J. Braat // Applied Optics and Optical Engineering, New York. 1983. Vol. 9. P. 227-244.

20. Marchant A. Optical recording: a technical overview / A. Marchant. Addison Wesley, 1990. 381 p.

21. Schwartz K. The physics of optical recording / K. Schwartz. Springer, Berlin, 1993.295 p.

22. Чемберс М.Л. Запись компакт-дисков и DVD / М.Л. Чемберс. М.: Диалектика, 2005. 304 с.

23. Авраменко Ю.Ф. Схемотехника CD-проигрывателей / Ю.Ф. Авраменко. СПб.: Наука и техника, 2003.

24. Pohlmann К.С. The Compact Disc Handbook / K.C. Pohlmann. Madison, 1992.

25. Аксененко М.Д. Приемники оптического излучения / М.Д. Аксененко, М.Л. Бараночников. М.: Радио и связь, 1987.296 с.

26. DVD Specifications for Read-Only Disc. Part 1. Physical Specifications. Version 1.04, June 2002.

27. DVD Specifications for Read-Only Disc. Part 2. File System Specifications. Version 1.05, April 2004.

28. DVD Specifications for Read-Only Disc. Part 3. Video Specifications. Version 1.13, March 2002.

29. Bouwhuis G. Principles of optical disc systems / G. Bouwhuis, J. Braat, A. Hui-jser, J. Pasman, G. Van Rosmalen. Adam Hilger, Bristol, 1984. 523 p.

30. Isailovic J. Videodisc and optical memory systems / J. Isailovic. Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1985. 412 p.

31. Abramovitch D. Turning the Tracking Problem Sideways: Servo Tricks for DVD+RW Clock Generation / D. Abramovitch // The proceedings of the 2000 ACC, Chicago. June 2000. P. 155-169.

32. Chew K.K. Digital control of repetitive errors in disk drive systems / K.K. Chew, M. Tomizuka// IEEE Control Systems Magazine, January 1990. Vol. 10. P. 16-20.

33. Ljung L. On consistency and identifiability / L. Ljung // Mathematical Programming Study 5. 1976. P. 169-190.

34. Anderson B. Model approximation via prediction error identification / B. Anderson, J. Moore, R. Hawkes // Automatica 14. 1978. P. 615-622.

35. Ljung L. Asymptotic normality of prediction error estimators for approximative system models / L. Ljung, P. Caines // Stochastics 3. 1979. P. 29-46.

36. Ljung L. System Identification: Theory for the User / L. Ljung // Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ. 1987. P. 35-42.

37. Hjalmarsson H. From experiment design to closed-loop control / H. Hjal-marsson // Automatica 41. 2005. P. 393-438.

38. Helmicki A. Control oriented system identification: A worst-case/deterministic approach in HI / A. Helmicki, C. Jacobson C. Nett // IEEE Trans. Automatic Control AC-36. 1991. P. 1163-1176.

39. Goodwin G. Quantifying the error in estimated transfer functions with application to model order selection / G. Goodwin, M. Gevers, B. Ninness // IEEE Trans. Automatic Control 37. 1992. P. 913-928.

40. Poolla K. A time-domain approach to model validation / K. Poolla, P. Khar-gonekar, A. Tikku, J. Krause, K. Nagpal // IEEE Trans. Automatic Control 39. 1994. P. 951-959.

41. Smith R.S. The Modeling of Uncertainty in Control Systems / R.S. Smith, M. Dahleh // Lecture Notes in Control and Information Sciences, Volume 192. Springer-Verlag. London. 1994. P. 56-68.

42. Vries D. Quantification of uncertainty in transfer function estimation: a mixed probabilistic worst-case approach / D. de Vries, P. Van den Hof // Automatica 31. 1995. P. 543-558.

43. Kosut R. Uncertainty model unfalsiflcation: a sytem identification paradigm compatible with robust control design / R. Kosut // Proc. 34th IEEE Conference on Decision and Control. New Orleans, LA. 1995. P. 233-245.

44. Hakvoort R. Identification of probabilistic system uncertainty regions by explicit evaluation of bias and variance errors / R. Hakvoort, P. Van den Hof// IEEE Trans. Automatic Control 42(11). 1997. P. 1516-1528.

45. Giarre L. HI identification and model quality evaluation / L. Giarre, M. Milanese, M. Taragna// IEEE Trans. Automatic Control 42(2). 1997. P. 188-199.

46. Mehra R. Optimal input signals for parameter estimation in dynamic systems survey and new results / R. Mehra // IEEE Trans, on Automatic Control AC-19(6). 1974. P. 753-768.

47. Zarrop M. Optimal experiment design for dynamic system identification / M. Zarrop I I Lecture Notes in Control and Information Sciences, Vol. 21. Springer Verlag, New York. 1979. P. 331-351.

48. Goodwin G. Dynamic System Identification: Experiment Design and Data Analysis / G. Goodwin, R. Payne. Academic Press, New York. 1977.

49. Gevers M. The role of experimental conditions in model validation for control / M. Gevers, X. Bombois, B. Codrons, F.D. Bruyne, G. Scorletti // Vol. 245 of Lecture Notes in Control and Information Sciences, Springer-Verlag. 1998. P. 72-86.

50. Forssell U. Some results on optimal experiment design / U. Forssell, L. Ljung // Automatica 36. 2000. P. 749-756.

51. Hildebrand R. Identification for control: optimal input design with respect to a worst-case-gap cost function / R. Hildebrand, M. Gevers // SIAM Journal on Control and Optimization 41(5). 2003. P. 1586-1608.

52. Lindqvist K. Identification for control: adaptive input design using convex optimization / K. Lindqvist, H. Hjalmarsson // 40th IEEE Conf. on Decision and Control, Orlando. 2001. P. 1224-1241.

53. Barenthin M. Applications of mixed H2 and HI input design in identification / M. Barenthin, H. Jansson, H. Hjalmarsson // 16th IF AC World Congress on Automatic Control, paper 03882, Prague. 2005.

54. Bombois X. Cheapest open-loop identification for control / X. Bombois, G. Scorletti, M. Gevers, R. Hildebrand, P. Van den Hof // 33rd IEEE Conf on Decision and Control, The Bahamas. 2004. P. 382-387.

55. Parker P. Adaptive frequency response identification / P. Parker, R. Bitmead // Proc. CDC. 1987. P. 98-112.

56. Partington J. Robust identification and interpolation in HI /J. Partington // International Journal of Control 54. 1991. P. 1281-1290.

57. Khargonekar P. A class of algorithms for identification in HI / P. Khargone-kar, G. Gu // Automatica 28. 1992. P. 299-312.

58. Pintelon R. System Identification A Frequency Domain Approach / R. Pin-telon, J. Schoukens. IEEE Press, New York. 2001.

59. Pintelon R. Robust identification of transfer functions in the s- and z-domains / R. Pintelon, J. Schoukens // IEEE Trans, on Instrumentation and Measurement 39(4). 1990. P. 565-573.

60. Ljung L. Frequency domain versus time domain methods in system identification / L. Ljung // Control of Uncertain Systems: Modelling, Approximation and Design. Springer Verlag. 2006. P. 277-291.

61. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Т. 1. / Б.Р. Левин. М.: Сов. радио, 1974. 550 с.

62. Гультяев А. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие / А. Гультяев. СПб.: КОРОНА принт, 1999. 288 с.

63. Розенберг В.Я. Введение в теорию точности измерительных систем / В .Я. Розенберг. М.: Сов. радио, 1975. 304 с.

64. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Т. 2. / Б.Р. Левин. М.: Сов. радио, 1975. 391 с.

65. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике / В .В. Быков. М.: Сов. радио, 1971. 327 с.

66. Репин В.Г. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем / В.Г. Репин, Г.П. Тартаковский. М.: Сов. радио, 1977. 432 с.

67. 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.

68. Chen X. Design of FIR Filters in the Complex Domain / X. Chen, T.W. Parks // IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing. Feb. 1987. Vol. ASSP-35. P. 144-153.

69. Schroeder M.R. Synthesis of Low Peak-Factor Signals and Binary Sequences of Low Auto-Correlation / M.R. Schroeder // IEEE Trans. Inform. Theory. 1970. V0I.IT-I6.P. 85-89.

70. Guillaume P. Crest Factor Minimization Using Nonlinear Chebyshev Approximation Methods / P. Guillaume, J. Schoukens, R. Pintelon, I. Kollar // IEEE Trans. Instrum. Meas. Dec. 1991. Vol. 40. P. 982-989.

71. Schoukens J. Simple methods and insights to deal with nonlinear distortions in FRF measurements / J. Schoukens, J. Swevers, J. De Cuyper, Y. Rolain // Proc. ISMA 23, Leuven, Belgium. 1998. Vol. 1. P. 337-342.

72. Ljung L. System Identification: Theory for the User / L. Ljung. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1999.

73. Северов A.A. 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.

74. Никамин В.А. Микросхемы для CD-проигрывателей. Сервосистемы / В.А. Никамин. СПб.: Наука и техника, 2003.272 с.

75. Fujimoto H. High-performance servo systems based on multirate sampling control / H. Fujimoto, Y. Hori. Control Engineering Practice 10,2002. P. 32-38.

76. Воронов A.A. Теория автоматического управления. Ч. I. Теория линейных систем автоматического управления / А.А. Воронов. М.: Высш. школа, 1986. 367 с.

77. Лурье Б.Я. Классические методы автоматического управления / Б.Я. Лурье, П.Д. Энрайт. СПб.: БВХ-Петербург, 2004. 640 с.

78. Садомцев Ю.В. Аналитическое конструирование регуляторов по заданным показателям качества. Развитие проблемы / Ю.В. Садомцев // Аналитические методы синтеза регуляторов: Межвуз. науч. сб. Саратов: СПИ, 1980.

79. Абдулаев Н.Д. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов / Н.Д. Абдулаев, Ю.П. Петров. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 287 с.

80. Садомцев Ю.В. Модели систем автоматического управления. Непрерывные системы: Учебное пособие / Ю.В. Садомцев. Саратов: СПИ, 1990.

81. Kempf С. Comparison of four discrete-time repetitive control algorithms / C. Kempf, W. Messner, M. Tomizuka, R. Horowitz // IEEE Control Systems Magazine, December 1993. Vol. 13. P. 48-54.

82. Kyo Б. Теория и проектирование цифровых систем управления / Б. Куо. М.: Машиностроение, 1986.437 с.

83. Садомцев Ю.В. Конструирование систем управления с обратной связью по критериям точности и грубости /Ю.В. Садомцев. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2003. 208 с.

84. Потемкин В.Г. Инструментальные средства MATLAB 5.x / В.Г. Потемкин. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000. 336 с.

85. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры / Р.В. Хемминг. М.: Советское радио, 1980.312 с.

86. Rabiner L.R. Digital Processing of Speech Signals / L.R. Rabiner, R.W. Schafer. Prentice-Hall, 1978.422 p.

87. Haykin S. Adaptive Filter Theory / S. Haykin. Prentice-Hall, 1996.290 p.

88. Северов А.А. Математическая модель оптической головки для канала трекинга / А.А. Северов // Проблемы управления, передачи и обработки информации АТМ-ТКИ-50: сб. трудов Международ, науч. конф. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009. С. 224-227.

89. Spriet J.A. Computer-Aided Modelling and Simulation / J.A. Spriet, G.C. Vansteenkiste. London: Academic Press, 1982. 363 p.

90. Schroeder M.R. Synthesis of Low-Peak-Factor Signals, and Binary Sequences with Specified Fourier Amplitude Spectra / M.R. Schroeder // Int. J. Control, 1979. Vol. 30. P. 85-89.

91. Кендалл M. Статистические выводы и связи / М. Кендалл, А. Стьюарт. М.: Наука, 1973. 899 с.

92. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей: учебник / Б.В. Гнеденко. Изд. 6-е. М.: Наука, 1988. 488 с.

93. Афифи А.А. Статистический анализ: Подход с использованием ЭВМ. / А.А. Афифи, С.П. Эйзен. М.: Мир, 1982. 488 с.

94. Eykhoff P. System Identification. Parameter and State Estimation / P. Eylc-hoff. New York: Wiley & Sons, 1974.

95. Schoukens J. Study of the Noise Influence on the Fourier Coefficients after a Discrete Fourier Transform / J. Schoukens, J. Renneboog // IEEE Trans. In-strum. and Meas., Sept. 1986. P. 221-243.

96. Ю9.Шимбирев П.Н. Гибридные непрерывно-логические устройства / П.Н. Шимбирев. М.: Энергоатомиздат, 1990. 174 с.

97. Гуртовцев А.Л. Программы для микроконтроллеров / А.Л. Гуртовцев, С.В. Гудыменко. Мн.: Выш. шк., 1989. 352 с.

98. Hattori Т. Design Methodology of a 200-MHz Superscalar Microprocessor: SH4 / T. Hattori // DAC, June 1998. P. 246-249.

99. Голубцов M.C. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному / М.С. Голубцов. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 288 с.

100. Финогенов К.Г. Программирование измерительных систем реального времени /К.Г. Финогенов. М.: Энергоатомиздат, 1990.256 с.

101. Гольденберг Л.М. Цифровая обработка сигналов / Л.М. Гольденберг. М.: Радио и связь, 1985. 312 с.

102. Котов В.Е. Теория схем программ / В.Е. Котов, В.К. Сабельфельд. М.: Наука, 1991.248 с.

103. Куприянов М.С. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования / М.С. Куприянов, Б.Д. Матюшкин. СПб.: Политехника, 2002. 592 с.

104. Поляков А.К. Языки VHDL и VERILOG в проектировании цифровой ап-партуры/А.К. Поляков. М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 320 с.

105. Сергиенко А.М. VHDL для проектирования вычислительных устройств / A.M. Сергиенко. К.: ЧП «Корнейчук», ООО «ТИД «ДС», 2003. 208 с.

106. Бибило П.Н. Основы языка VHDL / П.Н. Бибило. М.: Солон-Р, 2000.200 с.

107. Ashenden P.J. The designer's guide to VHDL / P.J. Ashenden. San Francisco: Morgan Kaufman Publishers, 1996. 688 p.

108. Суворова E.A. Проектирование цифровых систем на VHDL / Е.А. Суворова, Ю.Е. Шейнин. СПб.: БВХ-Петербург, 2003. 576 с.

109. Сташин В.В. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах / В.В. Сташин, А.В. Урусов, О.Ф. Мологонцева. М.: Энергоатомиздат, 1990.224 с.

110. Острем К. Системы управления с ЭВМ / К. Острем, Б. Витгенмарк. М.: Мир, 1987.335 с.

111. Бродин В.Б. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс / В .Б. Бродин, И.И. Шагурин. М.: Издательство «ЭКОМ», 1999. 400 с.

112. Немудрое В. Системы на кристалле. Проектирование и развитие / В. Не-мудров, Г. Мартин. М.: Техносфера, 2004. 216с.

113. Design of Microprocessors. EDA Roadmap Taskforce Report. Electronic Design Automation Industry Council — Si2. 1999. 51 p.

114. Стешенко В.Б. Практика автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств / В.Б. Стешенко. М.: Нолидж, 2002.768 с.

115. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем / В.В. Соловьев. М.: Горячая линия-Телеком, 2001.636 с.

116. Кнышев Д.А. ПЛИС фирмы «Xilinx»: описание структуры основных семейств / Д.А. Кнышев, М.О. Кузелин. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001.238 с.

117. Грушвицкий Р.И. Проектирование систем на микросхемах программируемой логики / Р.И. Грушвицкий, А.Х. Мурсаев, Е.П. Угрюмов. СПб.: БВХ-Петербург, 2002. 608 с.

118. Вениаминов В.Н. Микросхемы и их применение / В.Н. Вениаминов, О.Н. Лебедев, А.И. Мирошниченко. М.: Радио и связь, 1989.240 с.

119. Якубовский С.В. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский, В.И. Ниссельсон. М.: Радио и связь, 1990.496 с.

120. Айнспрук Н. Электроника СБИС. Проектирование микроструктур / Н. Айнспрук. М.: Мир, 1989. 256 с.

121. Fisher R.A. On an absolute criterion for fitting frequency curves / R.A. Fisher //Mess. Math. 1912. vol. 41. P. 155-161.

122. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы теории обработки наблюдений / Ю.В. Линник. М.: ГИФМЛ, 1958. 336 с.

123. Северов А.А. Алгоритм оценки параметров математических моделей линейных и нелинейных систем / А.А. Северов, А.А. Львов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 4 (43). С. 77-81.

124. Кендалл М. Многомерный статистический анализ и временные ряды / М. Кендалл, А. Стьюарт. М.: Наука, 1976.736 с.