照相机自动对焦系统,自控实验,刘子豪,2281,2008300556.doc

自动控制原理实验研究报告（2010-2011学年第一学期）照相机自动对焦系统姓名： 刘子豪 班号： 2281 学号： 2008300556 摘要：照相机对焦系统（AF, Auto Focus）已开发并用于各种专业和业余相机之上，实现了照相对焦的自动化。AF系统由信号采集装置，伺服电机，控制电路构成。通过 采集控制反馈 构成闭环控制来实现AF。关键字：自动对焦 位置 控制 闭环一、引言：相机自动对焦系统于1977年由日本开发出来，自动对焦系统（AF）的出现无疑是相机制造业的革命性创作，他的问世改变了原有老式相机的手动调焦不便，使得摄像技术得到了更大的提升。相机制造业主要由日本公司垄断，继而最新的自动对焦技术也主要由日本企业所掌握。自动对焦时间1/8s到1/10s到1/15s不断的得到提升，基于该技术拍摄动态画面的高速相机性能也得到提升。自动对焦系统分为两个类型：主动式和被动式。主动式：采用红外发生器、超声波发生器发波到被摄物，通过接受反射波的时间差计算距离对焦；被动式：为直接接受分析来自景物自身的反光进行自动对焦。相机采集到被摄物距离的采样信号后送入单片机中，并计算出理论焦点位置，将其转化为电压信号U，通过驱动伺服电机（执行机构）转动带动镜头的前后移动直到运动到焦点位置，反馈分压电阻反馈镜头位置信息，当电压偏差信号消失，调节过程结束，实现了自动对焦。自动对焦具体过程可以概括如下：1. 以某种方式自动判断拍摄者所拍摄的主体；2. 以某种方式测量被摄主体与相机感光元件之间的距离；3. 控制电路驱动电机将镜头推到与所测距离相应的距离刻度。文章内容如下：首先建立被控对象数学模型，根据物理规律推导数学模型，并对模型进行简化得到线性模型；其次分析被控对象特性，根据简化的数学模型得到传递函数，并分析传递函数的特性；再次设计控制器或校正网络，并求解控制器参数并利用MATLAB进行仿真验证；最后总结，分析优缺点以及未来研究方向。二、正文1. 建立被控对象数学模型对镜头的运动进行数学抽象，建立数学模型。输入量为驱动镜头移动的力，输出为位移量 初始位置为，末位置为，镜头移动摩擦系数为建立镜头运动微分方程：变换后得： 拉普拉斯变换后可得： 控制装置执行机构和被控对象镜头传动机构传感器2. 分析被控对象特性被控对象传递函数为 ： ；取单位负反馈： ；所以闭环传递函数为： 取时， 利用MATLAB对传递函数进行分析：（1）时域分析num=1;den=1,1,1;sys=tf(num,den);p=roots(den)t=0:0.01:15;figure(1)step(sys,t);gridxlabel(t);ylabel(c(t);title(step response);figure(2)u=t;lsim(sys,u,t,0);gridxlabel(t);ylabel(c(t);title(ramp response);得到系统的特征根为： p =-0.5000 + 0.8660i-0.5000 - 0.8660i均具有负实部，系统稳定。系统的单位阶跃响应为：系统的斜坡输入响应：（2）计算稳态误差：clearsyms s phib Gb Kp Kv Ka;phib=1/(s2+s+1);Gb=solve(1/(s2+s+1)=Gb/(1+Gb),Gb);Kp=limit(Gb,s,0)Kv=limit(s*Gb,s,0)Ka=limit(s2*Gb,s,0)得：Kp =NaNKv =1Ka =0系统静态位置误差系数Kp=NaN；系统静态速度误差系数Kv=1；系统静态加速度误差系数Ka=0。（3）波特图及奈奎斯特图程序如下：num=1;den=1.,1,0;G=tf(num,den);figure(1)margin(G)figure(3)nyquist(G);波特图 奈奎斯特图幅值裕度、相角裕度、截止频率及穿越频率程序如下：num=1;den=1 1 0;G=tf(num,den); Gm,Pm,Wcg,Wcp=margin(G)Gm = InfPm =51.8273Wcg = InfWcp =0.7862根据计算结果发现不加控制或者校正网络时系统的稳态性能较好，但动态性能或快速性不足，可加校正网络进行校正。3. 设计控制器首先画出系统的控制系统方框图：被摄物距离：将测量的被摄物距离转换为镜头伸缩到相应的位置，经过其后为控制系统的输入量；：控制器的传递函数；：被控对象传递函数；：反馈信号。因为原系统具有较好稳态性能，为使系统稳定并且具有较好的动态性能和稳态性能，对系统性能提出以下要求：(1)要求系统在单位斜坡信号作用时，位置输出误差 ；(2)开环系统截止频率；(3)相角裕度 ；为了获得比原系统大的，需要对系统设计超前校正网络：程序如下：n1=1;d1=1 1 0;G0=tf(n1,d1);wc=1.5;L=bode(G0,wc);Lwc=20*log10(L)a=10(-0.1*Lwc);T=1/(wc*sqrt(a);phi=asin(a-1)/(a+1)Gc=(1/a)*tf(a*T 1,T 1);Gc=a*GcG=Gc*G0;bode(G,r,G0,b-);grid;h,r,wx,wc=margin(G)计算结果： Transfer function:1.803 s + 1- 0.2465 s + 1即4. 仿真验证校正后系统的开环传递函数为：进行频域分析，绘制波特图计算参数：h =Inf r =83.1026 wx =Inf wc =1.4999校正后的系统问太和动态相应均得到了提升。5. 结论本文简要介绍了照相机自动对焦系统的原理和方式，根据结构和控制方案要求进行研究分析，设计控制系统。通过加装校正网络改善了系统的稳态性能和动态性能，使系统得到了优化。同时还存在着一些不足之处，比如被控对象模型建立过程过于简单和抽象，忽视了很多实际可能出现的问题，参数的选择不够精细，只是取了近似值，这些对于系统都有影响，所以降低了文章中控制系统