专利名称：水平调整装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工程应用中的水平调整装置，尤其是一种利用PID控制方法的水平调整装置。
背景技术：
在工程应用中，比例积分微分控制(proportional-integral-derivative control，简称PID控制)具有广泛的用途。PID控制器设置简单、稳定性与可靠度佳、调整方便。尤其当无法掌握被控对象的结构和系数，或难以建构精确的数学模型时，则控制理论下的设计技术难以实现，因此系统控制器的结构和系数必须依靠经验和现场调试来确定，这时PID控制技术最为适用。当无法掌握了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统的系数的时候，则可运用PID控制技术。
PID控制包含比例(P)、积分(I)、微分(D)三部分，实际中也有PI和PD控制器。PID控制器是根据系统的误差，利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入(误差)之间的关系在时域中如下式所示，其中u(t)表示控制器的输出、e(t)表示控制器输入(误差)、KP为比例系数、KI为积分系数、以及KD为微分系数u(t)=Kpe(t)+KI∫e(t)dt+KDde(t)dt]]>比例控制(P控制)是一种最简单的控制方式。表示控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。当仅有比例控制时，则系统输出具有稳态误差(Steady-state error)。
在积分控制中(I控制)，控制器的输出与输入(误差)讯号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后仍存在稳态误差，则称该控制系统具有稳态误差或称为有差系统(System with Steady-state Error)。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差进行关于时间的积分运算，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
在微分控制中，控制器的输出与输入(误差)讯号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性的组件和有滞后(delay)特性的组件，使得欲克服误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用的变化需“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。也就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，“微分项”能预测误差变化的趋势，这样，具有比例微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的过调。所以对有较大惯性和滞后的被控对象，比例与微分(PD)的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制器中系数调整的方法很多，概括起来有两大类一是理论计算调整法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的一些方法，经过理论计算确定控制器系数。这种方法不仅计算繁琐，而且过分依赖系统的数学模型，所得到的计算资料不一定能直接使用，还必须通过工程上进行实际的调整和修改。另一种是工程调整方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，且方法简单、易于掌握，相当实用，从而在工程实际中被广泛采用。
PID控制器系数的工程调整方法，主要有临界比例度法、反应曲线法、和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器的系数进行调整。但无论采用哪一种方法所得到的控制器系数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。
在目前的激光水平调整装置中，达到快速、精确的水平调整通常为进行水平调整的最终目标，但随着机构设计的极限、水平感测装置的反应速度与水平信号的处理等因素，欲达成快速、精确的目标仍有其不足之处。
发明内容
本发明的目的在于避免背景技术中的不足之处，而提供一种运用PID控制方法，轻易调整PID运算中的系数，运用数字PID控制单元提供脉冲电流，以精准地控制致动器，设置简单、稳定性及可靠度好、调整方便的水平调整装置。
本发明的目的是通过下述途径来实现的水平调整装置包含有发射激光束扫描出平面的激光光源；用来感测倾角并输出感测讯号的倾角传感器；接收感测讯号的处理单元；处理单元包含提供参考讯号的参考单元、根据感测讯号与参考讯号的差值进行PID运算，以输出控制讯号的PID控制单元以及根据控制讯号调整倾角的致动器。
本发明的水平调整装置包含有用来感测倾角并输出感测讯号的倾角传感器和接收感测讯号的处理单元；处理单元包含提供水平参考讯号的水平参考单元和根据感测讯号与水平参考讯号的差值，进行PID运算，以输出控制讯号的数字PID控制单元，以及根据控制讯号产生脉冲讯号的脉冲产生器；致动器为直流马达，直流马达根据脉冲讯号调整倾角。处理单元可以用控制模块代替。
本发明的水平调整装置可含有一激光光源，在达成水平后，可发射激光束扫描出平面。本发明的水平调整装置也可以利用其它光源扫描或其它方式定义平面。
本发明相比背景技术有如下优点运用PID控制方法，轻易调整PID运算中的系数，运用数字PID控制单元提供脉冲电流，精准地控制致动器，设置简单、稳定性及可靠度好、调整方便。
图1是水平调整装置示意图；图2a是实施例中水平调整装置功能方块图；图2b是另一实施例中水平调整装置功能方块图；图2c是实施例中具有调整单元的水平调整装置功能方块图；图2d是另一实施例中具有调整单元的水平调整装置功能方块图；图3是显示实施例中调整倾角的过程，其积分系数较大视图；图4是显示实施例中调整倾角的过程，其积分系数较小视图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的水平调整装置10，包含有倾角传感器12、处理单元14和致动器16。倾角传感器12用来感测倾角13，并输出感测讯号141。图1所示的实施例中，水平调整装置10更包含发射激光束扫描出平面的激光光源18，而在其它实施例中还可以利用其它光源(例如一红外线光束)扫描或其它方式定义一平面。
如图2a所示，本发明的水平调整装置10。处理单元14包含参考单元142与PID控制单元144，根据感测讯号141与参考讯号143的差值进行PID运算，以输出控制讯号145。致动器16根据控制讯号145调整倾角13。倾角传感器12为双向倾角传感器，可分别在X方向与Y方向侦测倾角。在另一实施例中，倾角传感器为单向倾角传感器，可在预定方向侦测倾角。本发明较佳地利用双向倾角传感器而实施，为了简化，以下将利用倾角传感器12在X方向所侦测的倾角来说明。倾角传感器12将在X方向所侦测到的倾角13转换为感测讯号141，并输出至处理单元14。感测讯号141的电压值对应于倾角13，意即当所侦测到的倾角13愈大，则感测讯号141的电压值也愈大。在此实施例中，电压的范围为0至2.5V。此外，为了输出感测讯号141，倾角传感器12中也可包含放大器、滤波器等讯号处理装置。
参考单元142根据使用者的预先设定，输出参考讯号143至PID控制单元144。在实施例中，参考讯号143为水平的参考讯号，即参考讯号中的电压值，相当于当水平调整装置达到水平时，倾角传感器12所输出感测讯号141中的电压值。本发明所称的“水平”，是使用者主观认定的，因此可根据使用目的的不同，设定不同的参考讯号143。PID控制单元144侦测感测讯号141电压与参考讯号143电压的差值，对应于倾角13的大小。PID控制单元144根据差值进行PID运算，输出控制信号147至致动器16。倾角传感器12设置在平板或基座上(如图1所示)，致动器16根据控制信号147移动平板或基座，调整倾角13。换句话说，在致动器16移动平板或基座之后，倾角13小于致动器16移动平板或基座之前的倾角13。在实施例一中，水平调整装置10重复地调整倾角13，直到达到水平。在此实施例中，“水平”为在平衡状态时，倾角13的值小于或等于第一值(例如0.1度)。在另一实施例中，“水平”为在平衡状态时，感测讯号141与参考讯号143的差值小于或等于第二值(例如0.01V)。另外，致动器16为直流马达，控制信号145提供直流马达16控制电流，以控制直流马达16的运作。致动器16也可为步进马达，较精密地进行控制其运作，但相对地制造成本高于直流马达。其它常见的致动器，包含运用电性、磁性、机械装置、热性、光学等手段以达成制动的装置。
在一实施例中，PID控制单元144包含模拟PID控制电路。在另一实施例中，PID控制单元144包含数字PID控制电路。如图2b所示，倾角传感器12具有模拟或数字转换器(A/D converter)，将所侦测的倾角13转换并输出数字感测讯号141至处理单元14。模拟或数字转换器具有12位的精度，即数字感测讯号141所对应的值可为1至4096(2的12次方)。参考单元142也提供数字参考讯号143(例如设定水平的参考讯号143的值为2000)。PID控制单元144根据数字感测讯号141与数字参考讯号143的差值，输出数字控制信号145。处理单元14包含脉冲产生器146。脉冲产生器146根据数字控制讯号145，产生脉冲讯号147。脉冲信号147提供致动器16脉冲电流，控制致动器16的运作。举例来说，当致动器16为直流马达时，在正负端分别输入0与1的信号，则直流马达正转；在正负端分别输入1与0的信号，则直流马达反转；在正负端分别输入1与1的信号，则制动直流马达，使它不会因惯性而过度调整，进而提高精度。当在正负端分别输入0与1的信号后，再分别输入1与1的信号，则直流马达完成一个脉冲运动，而脉冲讯号147可使直流马达完成复数个脉冲运动。用此脉冲电流进行控制的手段，也可达到相当于步进马达的效能。其它实施例中，处理单元14可为通用处理器，或是特用处理器，其中参考单元142、PID控制单元144以及脉冲产生器146可通过软件、硬件或者软件与硬件的组合来实施。
如图3与图4所示，显示水平调整装置10重复地调整倾角13直到水平状态的过程中感测讯号141的变化。如图3所示，PID控制单元144选用较大的积分系数KI，因而加快致动器16的响应，因此造成的振荡也较大。如图4所示，PID控制单元144选用较小的积分系数KI，因此造成的振荡较小。
如图3、图4所示，PID控制单元144根据预设系数，执行PID运算。如图2c或图2d所示，处理单元14包含调整单元148，输出调整讯号149至PID控制单元144，选择性地调整PID运算中的系数，例如积分系数KI。当调整讯号149使积分系数KI增加，使得致动器16调整倾角13的响应加快。另外，输出调整讯号149调整比例系数KP及/或微分系数KD的手段，可以通过计算机硬件或软件来实施。输出调整讯号149改变PID运算中的系数。调整单元148可由硬件、软件或者软件与硬件的组合来实施。
如图2c所示，调整单元148根据倾角13的值，输出调整讯号149。例如，在第一阶段，当倾角13的值大于10度时，输出调整讯号149增加积分系数KI，使得致动器16调整倾角13的响应加快。而在第二阶段，当倾角13的值小于10度却大于3度时，停止输出调整讯号149至PID控制单元144，使PID控制单元144采用预设的积分系数KI。在第三阶段，当倾角13小于3度时，输出调整讯号149减小积分系数KI，避免致动器16产生过度震荡。
在另一实施例中，调整单元148根据感测讯号141与参考讯号143的差值，输出调整讯号149。例如，在第一阶段，当差值大于0.1V时，输出调整讯号149增加积分系数KI，使得致动器16调整倾角13的响应加快。而在第二阶段，当差值小于0.1V却大于0.05V时，输出调整讯号149回复预设的积分系数KI与增加比例系数KP。在第三阶段，当差值小于0.01V时，输出调整讯号149回复预设的比例系数KP及增加微分系数KD。
如图2d所示，调整单元148根据感测讯号141与参考讯号143的差值，输出调整讯号149，而感测讯号141为数字讯号，所对应的值可为1至4096(2的12次方)。参考讯号143也为数字讯号，其所对应的值为2000。例如，在第一阶段，当差值大于500时，输出调整讯号149增加积分系数KI，配合脉冲产生器146使得致动器16调整倾角13的响应加快。而在第二阶段，当差值小于100却大于10时，输出调整讯号149回复预设的积分系数KI与增加比例系数KP。在第三阶段，当差值小于10时，输出调整讯号149回复预设的比例系数及增加微分系数KD。
权利要求
1.一种水平调整装置，其特征是它包含有供感测倾角(13)输出感测讯号(141)的倾角传感器(12)；接收感测讯号(141)的处理单元(14)；处理单元(14)包含提供参考讯号(143)的参考单元(142)和根据感测讯号(141)与参考讯号(143)的差值进行PID运算，以输出控制讯号(145)的PID控制单元(144)，以及根据控制讯号(145)调整倾角(13)的致动器(16)。
2.根据权利要求1所述的水平调整装置，其特征是处理单元(14)包含的参考单元是提供水平参考讯号的水平参考单元；该处理单元(14)还包含根据控制讯号(145)产生脉冲讯号(147)的脉冲产生器(146)；所述致动器(16)是根据脉冲讯号(147)调整倾角(13)的直流马达。
3.根据权利要求2所述的水平调整装置，其特征是处理单元(14)是一个控制模块。
4.根据权利要求1或2或3所述的水平调整装置，其特征是水平调整装置重复地调整倾角(13)，直到倾角(13)的值小于或等于第一值。
5.根据权利要求1或2或3所述的水平调整装置，其特征是水平调整装置重复地调整倾角(13)，直到感测讯号(141)与参考讯号(143)的差值小于或等于第二值。
6.根据权利要求1或2或3所述的水平调整装置，其特征是处理单元(14)包含有输出调整讯号(149)至PID控制单元(144)，以调整PID运算中至少一个系数的调整单元(148)。
7.根据权利要求6所述的水平调整装置，其特征是调整单元(148)根据倾角(13)的值，输出调整讯号(149)。
8.根据权利要求6所述的水平调整装置，其特征是调整单元(148)根据感测讯号(141)与参考讯号(143)的差值，输出调整讯号(149)。
9.根据权利要求1所述的水平调整装置，其特征是PID控制单元(144)包含模拟PID控制电路。
10.根据权利要求1所述的水平调整装置，其特征是PID控制单元(144)包含数字PID控制电路。
11.根据权利要求1所述的水平调整装置，其特征是处理单元(14)包含根据控制讯号(145)产生脉冲讯号(147)的脉冲产生器(146)；致动器(16)根据脉冲讯号(147)，调整倾角(13)。
12.根据权利要求1所述的水平调整装置，其特征是致动器(16)为步进马达。
13.根据权利要求1所述的水平调整装置，其特征是致动器(16)为直流马达。
全文摘要
一种水平调整装置，包含有倾角传感器、处理单元和致动器。倾角传感器供感测倾角以输出感测讯号至处理单元。处理单元包含有参考单元与PID控制单元，参考单元提供参考讯号；PID控制单元，根据感测讯号与参考讯号的差值进行PID运算，以输出控制讯号。致动器根据控制讯号调整倾角。
文档编号G12B5/00GK1595540SQ20041005994
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月23日 优先权日2004年6月23日
发明者李袆奇, 宋鹏飞 申请人:亚洲光学股份有限公司