專利名稱：水平調(diào)整裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工程應(yīng)用中的水平調(diào)整裝置，尤其是一種利用PID控制方法的水平調(diào)整裝置。
背景技術(shù)：
在工程應(yīng)用中，比例積分微分控制(proportional-integral-derivative control，簡稱PID控制)具有廣泛的用途。PID控制器設(shè)置簡單、穩(wěn)定性與可靠度佳、調(diào)整方便。尤其當無法掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和系數(shù)，或難以建構(gòu)精確的數(shù)學模型時，則控制理論下的設(shè)計技術(shù)難以實現(xiàn)，因此系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和系數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時PID控制技術(shù)最為適用。當無法掌握了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的系數(shù)的時候，則可運用PID控制技術(shù)。
PID控制包含比例(P)、積分(I)、微分(D)三部分，實際中也有PI和PD控制器。PID控制器是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和控制器輸入(誤差)之間的關(guān)系在時域中如下式所示，其中u(t)表示控制器的輸出、e(t)表示控制器輸入(誤差)、KP為比例系數(shù)、KI為積分系數(shù)、以及KD為微分系數(shù)u(t)=Kpe(t)+KI∫e(t)dt+KDde(t)dt]]>比例控制(P控制)是一種最簡單的控制方式。表示控制器的輸出與輸入誤差訊號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時，則系統(tǒng)輸出具有穩(wěn)態(tài)誤差(Steady-state error)。
在積分控制中(I控制)，控制器的輸出與輸入(誤差)訊號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后仍存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)態(tài)誤差或稱為有差系統(tǒng)(System with Steady-state Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差進行關(guān)于時間的積分運算，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。
在微分控制中，控制器的輸出與輸入(誤差)訊號的微分(即誤差的變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性的組件和有滯后(delay)特性的組件，使得欲克服誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化需“超前”，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應(yīng)該是零。也就是說，在控制器中僅引入“比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，“微分項”能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例微分的控制器，就能夠提前使克服誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的過調(diào)。所以對有較大慣性和滯后的被控對象，比例與微分(PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。
PID控制器中系數(shù)調(diào)整的方法很多，概括起來有兩大類一是理論計算調(diào)整法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用控制理論中的一些方法，經(jīng)過理論計算確定控制器系數(shù)。這種方法不僅計算繁瑣，而且過分依賴系統(tǒng)的數(shù)學模型，所得到的計算資料不一定能直接使用，還必須通過工程上進行實際的調(diào)整和修改。另一種是工程調(diào)整方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進行，且方法簡單、易于掌握，相當實用，從而在工程實際中被廣泛采用。
PID控制器系數(shù)的工程調(diào)整方法，主要有臨界比例度法、反應(yīng)曲線法、和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器的系數(shù)進行調(diào)整。但無論采用哪一種方法所得到的控制器系數(shù)，都需要在實際運行中進行最后的調(diào)整與完善。
在目前的激光水平調(diào)整裝置中，達到快速、精確的水平調(diào)整通常為進行水平調(diào)整的最終目標，但隨著機構(gòu)設(shè)計的極限、水平感測裝置的反應(yīng)速度與水平信號的處理等因素，欲達成快速、精確的目標仍有其不足之處。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免背景技術(shù)中的不足之處，而提供一種運用PID控制方法，輕易調(diào)整PID運算中的系數(shù)，運用數(shù)字PID控制單元提供脈沖電流，以精準地控制致動器，設(shè)置簡單、穩(wěn)定性及可靠度好、調(diào)整方便的水平調(diào)整裝置。
本發(fā)明的目的是通過下述途徑來實現(xiàn)的水平調(diào)整裝置包含有發(fā)射激光束掃描出平面的激光光源；用來感測傾角并輸出感測訊號的傾角傳感器；接收感測訊號的處理單元；處理單元包含提供參考訊號的參考單元、根據(jù)感測訊號與參考訊號的差值進行PID運算，以輸出控制訊號的PID控制單元以及根據(jù)控制訊號調(diào)整傾角的致動器。
本發(fā)明的水平調(diào)整裝置包含有用來感測傾角并輸出感測訊號的傾角傳感器和接收感測訊號的處理單元；處理單元包含提供水平參考訊號的水平參考單元和根據(jù)感測訊號與水平參考訊號的差值，進行PID運算，以輸出控制訊號的數(shù)字PID控制單元，以及根據(jù)控制訊號產(chǎn)生脈沖訊號的脈沖產(chǎn)生器；致動器為直流馬達，直流馬達根據(jù)脈沖訊號調(diào)整傾角。處理單元可以用控制模塊代替。
本發(fā)明的水平調(diào)整裝置可含有一激光光源，在達成水平后，可發(fā)射激光束掃描出平面。本發(fā)明的水平調(diào)整裝置也可以利用其它光源掃描或其它方式定義平面。
本發(fā)明相比背景技術(shù)有如下優(yōu)點運用PID控制方法，輕易調(diào)整PID運算中的系數(shù)，運用數(shù)字PID控制單元提供脈沖電流，精準地控制致動器，設(shè)置簡單、穩(wěn)定性及可靠度好、調(diào)整方便。


圖1是水平調(diào)整裝置示意圖；圖2a是實施例中水平調(diào)整裝置功能方塊圖；圖2b是另一實施例中水平調(diào)整裝置功能方塊圖；圖2c是實施例中具有調(diào)整單元的水平調(diào)整裝置功能方塊圖；圖2d是另一實施例中具有調(diào)整單元的水平調(diào)整裝置功能方塊圖；圖3是顯示實施例中調(diào)整傾角的過程，其積分系數(shù)較大視圖；圖4是顯示實施例中調(diào)整傾角的過程，其積分系數(shù)較小視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明的水平調(diào)整裝置10，包含有傾角傳感器12、處理單元14和致動器16。傾角傳感器12用來感測傾角13，并輸出感測訊號141。圖1所示的實施例中，水平調(diào)整裝置10更包含發(fā)射激光束掃描出平面的激光光源18，而在其它實施例中還可以利用其它光源(例如一紅外線光束)掃描或其它方式定義一平面。
如圖2a所示，本發(fā)明的水平調(diào)整裝置10。處理單元14包含參考單元142與PID控制單元144，根據(jù)感測訊號141與參考訊號143的差值進行PID運算，以輸出控制訊號145。致動器16根據(jù)控制訊號145調(diào)整傾角13。傾角傳感器12為雙向傾角傳感器，可分別在X方向與Y方向偵測傾角。在另一實施例中，傾角傳感器為單向傾角傳感器，可在預(yù)定方向偵測傾角。本發(fā)明較佳地利用雙向傾角傳感器而實施，為了簡化，以下將利用傾角傳感器12在X方向所偵測的傾角來說明。傾角傳感器12將在X方向所偵測到的傾角13轉(zhuǎn)換為感測訊號141，并輸出至處理單元14。感測訊號141的電壓值對應(yīng)于傾角13，意即當所偵測到的傾角13愈大，則感測訊號141的電壓值也愈大。在此實施例中，電壓的范圍為0至2.5V。此外，為了輸出感測訊號141，傾角傳感器12中也可包含放大器、濾波器等訊號處理裝置。
參考單元142根據(jù)使用者的預(yù)先設(shè)定，輸出參考訊號143至PID控制單元144。在實施例中，參考訊號143為水平的參考訊號，即參考訊號中的電壓值，相當于當水平調(diào)整裝置達到水平時，傾角傳感器12所輸出感測訊號141中的電壓值。本發(fā)明所稱的“水平”，是使用者主觀認定的，因此可根據(jù)使用目的的不同，設(shè)定不同的參考訊號143。PID控制單元144偵測感測訊號141電壓與參考訊號143電壓的差值，對應(yīng)于傾角13的大小。PID控制單元144根據(jù)差值進行PID運算，輸出控制信號147至致動器16。傾角傳感器12設(shè)置在平板或基座上(如圖1所示)，致動器16根據(jù)控制信號147移動平板或基座，調(diào)整傾角13。換句話說，在致動器16移動平板或基座之后，傾角13小于致動器16移動平板或基座之前的傾角13。在實施例一中，水平調(diào)整裝置10重復(fù)地調(diào)整傾角13，直到達到水平。在此實施例中，“水平”為在平衡狀態(tài)時，傾角13的值小于或等于第一值(例如0.1度)。在另一實施例中，“水平”為在平衡狀態(tài)時，感測訊號141與參考訊號143的差值小于或等于第二值(例如0.01V)。另外，致動器16為直流馬達，控制信號145提供直流馬達16控制電流，以控制直流馬達16的運作。致動器16也可為步進馬達，較精密地進行控制其運作，但相對地制造成本高于直流馬達。其它常見的致動器，包含運用電性、磁性、機械裝置、熱性、光學等手段以達成制動的裝置。
在一實施例中，PID控制單元144包含模擬PID控制電路。在另一實施例中，PID控制單元144包含數(shù)字PID控制電路。如圖2b所示，傾角傳感器12具有模擬或數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D converter)，將所偵測的傾角13轉(zhuǎn)換并輸出數(shù)字感測訊號141至處理單元14。模擬或數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有12位的精度，即數(shù)字感測訊號141所對應(yīng)的值可為1至4096(2的12次方)。參考單元142也提供數(shù)字參考訊號143(例如設(shè)定水平的參考訊號143的值為2000)。PID控制單元144根據(jù)數(shù)字感測訊號141與數(shù)字參考訊號143的差值，輸出數(shù)字控制信號145。處理單元14包含脈沖產(chǎn)生器146。脈沖產(chǎn)生器146根據(jù)數(shù)字控制訊號145，產(chǎn)生脈沖訊號147。脈沖信號147提供致動器16脈沖電流，控制致動器16的運作。舉例來說，當致動器16為直流馬達時，在正負端分別輸入0與1的信號，則直流馬達正轉(zhuǎn)；在正負端分別輸入1與0的信號，則直流馬達反轉(zhuǎn)；在正負端分別輸入1與1的信號，則制動直流馬達，使它不會因慣性而過度調(diào)整，進而提高精度。當在正負端分別輸入0與1的信號后，再分別輸入1與1的信號，則直流馬達完成一個脈沖運動，而脈沖訊號147可使直流馬達完成復(fù)數(shù)個脈沖運動。用此脈沖電流進行控制的手段，也可達到相當于步進馬達的效能。其它實施例中，處理單元14可為通用處理器，或是特用處理器，其中參考單元142、PID控制單元144以及脈沖產(chǎn)生器146可通過軟件、硬件或者軟件與硬件的組合來實施。
如圖3與圖4所示，顯示水平調(diào)整裝置10重復(fù)地調(diào)整傾角13直到水平狀態(tài)的過程中感測訊號141的變化。如圖3所示，PID控制單元144選用較大的積分系數(shù)KI，因而加快致動器16的響應(yīng)，因此造成的振蕩也較大。如圖4所示，PID控制單元144選用較小的積分系數(shù)KI，因此造成的振蕩較小。
如圖3、圖4所示，PID控制單元144根據(jù)預(yù)設(shè)系數(shù)，執(zhí)行PID運算。如圖2c或圖2d所示，處理單元14包含調(diào)整單元148，輸出調(diào)整訊號149至PID控制單元144，選擇性地調(diào)整PID運算中的系數(shù)，例如積分系數(shù)KI。當調(diào)整訊號149使積分系數(shù)KI增加，使得致動器16調(diào)整傾角13的響應(yīng)加快。另外，輸出調(diào)整訊號149調(diào)整比例系數(shù)KP及/或微分系數(shù)KD的手段，可以通過計算機硬件或軟件來實施。輸出調(diào)整訊號149改變PID運算中的系數(shù)。調(diào)整單元148可由硬件、軟件或者軟件與硬件的組合來實施。
如圖2c所示，調(diào)整單元148根據(jù)傾角13的值，輸出調(diào)整訊號149。例如，在第一階段，當傾角13的值大于10度時，輸出調(diào)整訊號149增加積分系數(shù)KI，使得致動器16調(diào)整傾角13的響應(yīng)加快。而在第二階段，當傾角13的值小于10度卻大于3度時，停止輸出調(diào)整訊號149至PID控制單元144，使PID控制單元144采用預(yù)設(shè)的積分系數(shù)KI。在第三階段，當傾角13小于3度時，輸出調(diào)整訊號149減小積分系數(shù)KI，避免致動器16產(chǎn)生過度震蕩。
在另一實施例中，調(diào)整單元148根據(jù)感測訊號141與參考訊號143的差值，輸出調(diào)整訊號149。例如，在第一階段，當差值大于0.1V時，輸出調(diào)整訊號149增加積分系數(shù)KI，使得致動器16調(diào)整傾角13的響應(yīng)加快。而在第二階段，當差值小于0.1V卻大于0.05V時，輸出調(diào)整訊號149回復(fù)預(yù)設(shè)的積分系數(shù)KI與增加比例系數(shù)KP。在第三階段，當差值小于0.01V時，輸出調(diào)整訊號149回復(fù)預(yù)設(shè)的比例系數(shù)KP及增加微分系數(shù)KD。
如圖2d所示，調(diào)整單元148根據(jù)感測訊號141與參考訊號143的差值，輸出調(diào)整訊號149，而感測訊號141為數(shù)字訊號，所對應(yīng)的值可為1至4096(2的12次方)。參考訊號143也為數(shù)字訊號，其所對應(yīng)的值為2000。例如，在第一階段，當差值大于500時，輸出調(diào)整訊號149增加積分系數(shù)KI，配合脈沖產(chǎn)生器146使得致動器16調(diào)整傾角13的響應(yīng)加快。而在第二階段，當差值小于100卻大于10時，輸出調(diào)整訊號149回復(fù)預(yù)設(shè)的積分系數(shù)KI與增加比例系數(shù)KP。在第三階段，當差值小于10時，輸出調(diào)整訊號149回復(fù)預(yù)設(shè)的比例系數(shù)及增加微分系數(shù)KD。
權(quán)利要求
1.一種水平調(diào)整裝置，其特征是它包含有供感測傾角(13)輸出感測訊號(141)的傾角傳感器(12)；接收感測訊號(141)的處理單元(14)；處理單元(14)包含提供參考訊號(143)的參考單元(142)和根據(jù)感測訊號(141)與參考訊號(143)的差值進行PID運算，以輸出控制訊號(145)的PID控制單元(144)，以及根據(jù)控制訊號(145)調(diào)整傾角(13)的致動器(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平調(diào)整裝置，其特征是處理單元(14)包含的參考單元是提供水平參考訊號的水平參考單元；該處理單元(14)還包含根據(jù)控制訊號(145)產(chǎn)生脈沖訊號(147)的脈沖產(chǎn)生器(146)；所述致動器(16)是根據(jù)脈沖訊號(147)調(diào)整傾角(13)的直流馬達。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水平調(diào)整裝置，其特征是處理單元(14)是一個控制模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的水平調(diào)整裝置，其特征是水平調(diào)整裝置重復(fù)地調(diào)整傾角(13)，直到傾角(13)的值小于或等于第一值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的水平調(diào)整裝置，其特征是水平調(diào)整裝置重復(fù)地調(diào)整傾角(13)，直到感測訊號(141)與參考訊號(143)的差值小于或等于第二值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的水平調(diào)整裝置，其特征是處理單元(14)包含有輸出調(diào)整訊號(149)至PID控制單元(144)，以調(diào)整PID運算中至少一個系數(shù)的調(diào)整單元(148)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水平調(diào)整裝置，其特征是調(diào)整單元(148)根據(jù)傾角(13)的值，輸出調(diào)整訊號(149)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水平調(diào)整裝置，其特征是調(diào)整單元(148)根據(jù)感測訊號(141)與參考訊號(143)的差值，輸出調(diào)整訊號(149)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平調(diào)整裝置，其特征是PID控制單元(144)包含模擬PID控制電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平調(diào)整裝置，其特征是PID控制單元(144)包含數(shù)字PID控制電路。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平調(diào)整裝置，其特征是處理單元(14)包含根據(jù)控制訊號(145)產(chǎn)生脈沖訊號(147)的脈沖產(chǎn)生器(146)；致動器(16)根據(jù)脈沖訊號(147)，調(diào)整傾角(13)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平調(diào)整裝置，其特征是致動器(16)為步進馬達。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平調(diào)整裝置，其特征是致動器(16)為直流馬達。
全文摘要
一種水平調(diào)整裝置，包含有傾角傳感器、處理單元和致動器。傾角傳感器供感測傾角以輸出感測訊號至處理單元。處理單元包含有參考單元與PID控制單元，參考單元提供參考訊號；PID控制單元，根據(jù)感測訊號與參考訊號的差值進行PID運算，以輸出控制訊號。致動器根據(jù)控制訊號調(diào)整傾角。
文檔編號G12B5/00GK1595540SQ20041005994
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月23日
發(fā)明者李袆奇, 宋鵬飛 申請人:亞洲光學股份有限公司