工业X-CT二代扫描运动控制系统及其仿真

　　工业X-CT(X-ray ComputedTomography),即工业X射线计算机层析成象技术,是一种集核技术、光机电一体化技术、自动控制及计算机图象技术于一体的高新技术,在航空、航天、军工、机械、电子、石油及钢铁等领域中有着广泛的用途[1-2]。在工业CT技术中,扫描运动的自动控制技术是其关键技术之一。扫描运动控制性能将直接影响工业CT系统或装置获取扫描数据的可靠性,并最终影响CT成像的质量[3]。因此,对工业CT二代扫描自动控制的研究也就具有十分重要的现实意义。自动控制系统的仿真,是描述CT扫描运动控制系统性能的一种有效的方法[4-5]。所谓仿真,就是建立系统的动态模型并在模型上进行试验(或实验),以便对控制系统的稳定性、稳态误差、系统的时域响应以及频域响应等相关参数进行计算和分析[6]。随着计算机技术的发展,基于计算机的自动控制系统仿真是十分便利的。由于计算机仿真能够为系统的分析、计算、研究、综合设计提供快速、经济、科学及有效的手段,故控制系统的计算机仿真将逐渐为人们所广泛使用,并扮演越来越重要的角色。

　　基于此,研制了工业X-CT二代扫描实验装置,并根据工业CT二代(Ⅱ代)扫描运动的特性,利用系统的传递函数,运用Matlab的开发环境对系统进行仿真,得出最优控制参数。之后,依据仿真结果,对系统进行有关校正,力求达到工业X-CT二代扫描运动实验系统的最优化控制。

　　1　系统构成及传递函数的建立

　　目前,工业CT扫描方式主要采用了三代(Ⅲ代)扫描和二代(Ⅱ代)扫描。在工业CT三代扫描方式中,扫描运动控制系统仅作“旋转”运动。工业CT的二代扫描方式,运动控制系统则采用“平移+旋转”运动。在工业X-CT系统的扫描运动中,因X射线束是小角度(一般小于20°)的窄扇形束,对被检物的检测,其运动控制系统主要采用二代扫描方式,如图1所示。

　　自动控制实验系统主要是由两部分组成的,即驱动部分和传递运动部分。驱动部分由专门的步进电动机驱动器构成,传递运动部分则由两相混合步进电动机构成。由于涉及到控制系统的闭环响应问题,为便于讨论,假设系统的闭环反馈系数是-1,也就是说,系统是由一个驱动器和步进电机组成开环的前向通道,一个传递函数是-1反馈环节构成了整个系统的组成,如图2所示。

　　在明确了运动控制系统的构成之后,就可以建立或求取系统的传递函数。步进电动机的传递函数为:

        将步进电机的各部分参数的相应数据代入公式后，其传递函数简化为：

　　对于步进电动机驱动器而言,其是由按照内部环形分配器决定的分配方式,控制电机各项绕组的导通和截止。为了使步距角能够达到更高的精度,其内部存在一个细分驱动电路,使得其传递函数就是在其细分数上乘上一个比例系数。反馈部分是类似一个传递函数为-1的的反馈环节组成。