TW200540586A - Leveling apparatus - Google Patents

Description

200540586 五、發明說明（1) 一、 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種水平調整裝置。本發明更關於一種 利用PID控制方法的水平調整裝置。 二、 【先前技術】 在工程應用中’比例積分微分控制（P r 〇 P 〇 r t i 〇 n a 1 — integral - derivative control，簡稱PID 控制）具有廣泛 的用途。PID控制器設置簡單、穩定性與可靠度佳、調整 方便。尤其當無法掌握被控對象的結構和係數，或難以建 構精確的數學模型時，則控制理論下的設計技術難以使 用’因此系統的控制器的結構和係數必須依靠經驗和現場 調試來確定’這時PI D控制技術最為適用。當無法掌握了 解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來莽 得系統的係數的時候，則可運用P丨D控制技術。 又 PID控制包含比例（P)、積分（I)、微分（D)三部分， 際中也有PI和PD控制器。PID控制器係根據系統的誤77 利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和控制’ 入（誤差）之間的關係在時域中表示如下式所示，^裔輸 u (t)表示控制器的輸出、e (t)表示控制器輸入^誤^ ^ KP為比例係數、K!為積分係數、以及心為微分係數·、

200540586 五、發明說明（2)

u(t) = Kpe{t) + KIJ 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係。當僅有比例控制 時，則系統輸出具有穩態誤差（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係。對一個自動控制系統，如果在進 入穩態後存在穩態誤差，則控制系統係具有穩態誤差或稱 為有差系統（System with Steady-state Error )。為了 消除穩態誤差，在控制器中必須引入"積分項”。積分項對 誤差進行關於時間的積分運算，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態誤差進一步減 小’直到等於零。因此，比例積分（pl )控制器，可以使系 統在進入穩態後無穩態誤差。 在微分控制中’控制器的輸出與輸入（誤差）訊號的微 二（即誤差的變化率）成正比關係。自動控制系統在克服 =:調節過程中可能會出現振盪甚至失穩。纟原因是由 'I ^較大慣性的元件和有滯後（delay)的元件，使得 二撇!^差的作用，其變化總是落後於誤差的變化。解決 近雯疋t克：誤差的作用的變化需，，超前，，，即在誤差接 …’月艮誤差的作用就應該是零。也就是言兒，在控制

200540586 五、發明說明（3) ------〜 器中僅引入”比例"項往往是不夠的，比例項的作用僅是 大誤差的幅值，而目前需要增加的是"微分項”，"微分^ ’能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例微分的二 器’就能夠提前使克服誤差的控制作用等於零，甚至备 值，從而避免了被控量的過調。所以對有較大慣性和&笏 的被控對象，比例與微分（PD)的控制器能改善 1 ^ 過程中的動態特性。 凡I调即 • PID控制器中係數調整的方法很多，概括起來有兩大 類·一是理論計算調整法。它主要是依據系統的數學模 型，採用控制理論中的一些方法，經過理論計算確定栌制 器係數。這種方法不僅計算繁瑣，而且過分依賴系統：數 學模型丄所得到的計算數據未必能直接使用，還必須通過 工程上貫際地進行調整和修改。另外是工程調整方法，它 主f ^賴工程經驗，直接在控制系統的實驗中進行，且方 法簡單、易於掌握，相當實用，從而在工程實際中被廣泛 採用。 、P ID控制器的係數的工程調整方法，主要有臨界比例 度法、反應曲線法、和衰減法。三種方法各有其特點，其 共同點，，通過試驗，然後按照工程經驗公式對控制器的 係數進行凋整。但無論採用哪一種方法所得到的控制器係 數，都需要在實際運行中進行最後的調整與完善。

200540586 五、發明說明（4) 在目^雷射水平調整裝置中，達到快速、精確的水 平凋正通申為進行水平調整之最終目#，但隨著機構設計 3限於ΐ:感測裝置之反應速度與水平信號之處理等等 因素’ \達成快速、精確之目標仍有其不足之處。 PID控制方法具有上述之特性，因此，若能且有一運 工程應用上將具有更佳的優勢。 三、【發明内容】 水平Πϊΐ主要目的在於提供-種運用。ID控制方法的 本發明之另一目的在於提供一種水平調整裝置，係運 = =PID㈣單^供脈衝電流’以精準地控制—直 水平nG又的在於提供一種運用PID控制方法的 千整裝置八中可輕易調整PID運算中之係數。 。明提：一種水平調整裝置，包含一傾 輸訊；：^ :此傾角感測器供感測-倾L; ΐ元斑lpiD:b制單 元地理广疋。Λ處理I元更包含-參考 ”控制早兀。此參考單元供n參考Μ 4AOCI04007TW.ptd 第9頁 200540586 五、發明說明（5) 此P I D控制單元，根據此感測訊號與此參考訊號之差值進 行一 P I D運算，以輸出一控制訊號。此致動器根據此控制 訊號供調整此傾角。 本發明另提供一種用於水平調整裝置之控制模組，設 置於一水平調整裝置中，此水平調整裝置包含一傾角感測 器與一直流馬達。此傾角感測器供感測一傾角以輸出一感 測訊號至此控制模組。此控制模組更包含一水平參考單元 與一數位PID控制單元。此水平參考單元供提供一水平參 考訊號；此數位P ID控制單元，根據此感測訊號與此水平 參考訊號之差值進行一PID運算，以輸出一控制訊號。此 致動器根據此控制訊號供調整此傾角。 本發明提供一改良之水平調整裝置以及一用於水平調 整裝^之控制模組，可減少達成平衡狀態所需之時間。此 外’藉由數位PID控制單元，以脈衝電流控制一直流馬 達，可增加控制精準度，亦可避免步進馬達所需之昂貴成 本。 四、【實施方式】 圖1為根據本發明之一實施例所示之水平調整裝置 1 0，包含傾角感測器1 2、處理單元i 4、與致動器J 6。傾角 感測器1 2供感測一傾角，以輪出至少一感測訊號。此外， 本發明可結合一雷射光源1 8，供發射一雷射光束，利用此

4AOCI04007TW.ptd 第10頁 200540586 五、發明說明（6) 雷射光束可掃描出一平面。結合本發明而利用其他光源 (例如一紅外線光束）掃描或其他定義一平面的方式，亦在 本發明所欲涵蓋的範圍之内。 圖2 a為根據本發明之一實施例所示之水平調整裝置1 〇 之功能方塊圖。處理單元14包含一參考單元142與一 PID控 制（proportional-integra卜derivative control)單元 1 4 4 ’根據感測訊號1 41與參考訊號14 3之差值進行一 p i d運 算，以輸出一控制訊號1 45。此致動器1 6根據此控制訊號 145供調整傾角13。傾角感測器12為一雙向傾角感測器， 可分別在X方向與Y方向偵測一傾角。在另一實施例中σ，此 傾角感測器為一單向傾角感測器，可在一預定方向偵測一 傾角。本發明較佳地係利用一雙向傾角感測器而實施^鈇 為了簡化，以下將利用傾角感測器12在乂方向所偵測之傾' 角來說明。傾角感測器12將在X方向所偵測到之傾角13轉 換為一感測訊號141，並輸出至處理單元14。感測訊號141 之電壓值係對應於此傾角1 3，意即當所偵測到之傾角丨3愈 大，則此感測訊號1 41之電壓值也愈大。在此實施例中，… 此電壓的範圍為〇至2· 5V。此外，為了輸出感測气號141 傾角感_測器12中亦可包含放大器、濾波器等訊號處〜理裝置 參考單元142係根據使用者之預先設定，而輪—夫 考訊號143至PID控制單元144。在此實施例中，^夫考$

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唬143為一水平的參考訊號，意即此參考訊號中之電壓 值，係相當於當此水平調整裝置達到一水平時，傾角感測 器12所輸出感測訊號丨41中之電壓值。值得一提的是，本 發明所謂之『水平』，係使用者主觀認定，因此可根據使 用目的之不同，而設定不同之參考訊號143 控制單元 1 4 4彳貞測此感測訊號1 41電壓與此參考訊號1 4 3電壓之差 值’此差值即對應於此傾角1 3的大小。p丨D控制單元丨44並 根據此差值進行一PID運算’以輸出一控制信號147至致動 器16。傾角感測器12設置於一平板或是一基座上（如圖卜斤 示），而致動器16根據控制信號147移動此平板/基座，而 凋整傾角13。換句話說，在致動器移動此平板/基座之 後’傾角1 3係小於此致動器1 6移動此平板/基座之前之傾 角13。在一實施例中，水平調整裝置1〇係重覆地調整傾角 13，直到達到一水平。在此實施例中，「水平」係為在一 平衡狀態時，傾角13之值小於或等於一第一值（例如〇. i 度）。在另一實施例中，「水平」係在一平衡狀態時，‘感 測訊號141與參考訊號143之差值小於或等於一第二值（例 如0 · 0 1V)。另外，致動器1 6為一直流馬達，控制信號1 & 5 提供此直流馬達1 6 —控制電流，藉此控制此直流馬6之 運作。致動器1 6亦可為一步進馬達，係較精密地進行控制 其運作，然相對地製造成本亦高於直流馬達。其他常見之 致動器’包含運用電性、磁性、機械裝置、熱性、光學等 手段以達成制動之裝置，皆在本發明所欲涵蓋之範圍内。

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在一實施例中，PID控制單元144係包含一類比PID控 制電路。在另一實施例中，PID控制單元丨44包含一數位 PID控制電路。參考圖2b，傾角感測器1 2具有一類比/數位 轉換器（A/D converter)(未圖示），供將所偵測之傾角13 轉換並輸出一數位感測訊號1 41至處理單元丨4。此類比/數 位轉換器具有1 2位元的精度，意即此數位感測訊號1 41所 對應之值可為1至4096(2的12次方）。參考單元142亦提供 一數位參考訊號1 4 3 (例如設定水平的參考訊號丨4 3之值為 2000 )。PID控制單元144根據此數位感測訊號141與此數位 參考訊號143之差值，以輸出一數位控制信號145。處理單 元14更包含一脈衝產生器146。脈衝產生器146係根據此數 位控制訊號1 4 5 ’產生一脈衝訊號1 4 7。此脈衝信號1 4 7提 供致動器1 6 —脈衝電流，藉此控制致動器丨6之運作。舉例 來《兒’ g致動器1 6為一^直流馬達時，在正負端分別輸入〇 與1的js说’則此直流馬達正轉；在正負端分別輸入1與〇 的信號，則此直流馬達反轉；在正負端分別輸入丨與〗的信 號’則制動此直流馬達，使不會因慣性而過度調整，進而 提高精度。當在正負端分別輸入〇與1的信號後，再分別輸 入1與1的信號，則此直流馬達完成一個脈衝運動，而一脈 衝訊號可使此直流馬達完成複數個脈衝運動。習此技藝者 應知，以此脈衝電流進行控制之手段，亦可達到相當於步 進馬達之效能。其他實施例中，處理單元1 4可為一遠用型 處理器，或是一特用型處理器，其中參考單元142、PID控 制單元144、與脈衝產生器146可藉由軟體、硬體、或是軟

4AOCI04007TW.ptd 第13頁 200540586 五、發明說明（9) 體與硬體的組合而實施。 圖3與圖4皆顯示此水平調整裝置丨〇重覆地調整傾角1 3 直到一水平狀態之過程中感測訊號丨41之變化。圖3中， PID控制單兀144選用較大之一積分係數（integrabterm coefficient)!^ ’因而加快致動器l 6的回應，但因此也造 成之震盪也較大。圖4中，pid控制單元144選用較小之一 積分係數!^ ，因此造成之震盈較小。 在圖3與圖4中，PID控制單元144係根據預設係數，執 行一PID運算。然而如圖2C或圖2d所示，此處理單元14可 更包含一調整單元148，供輸出一調整訊號149至PID控制 單元1 44，以選擇性地調整此pId運算中至少一係數，例如 一積分係數K!。當此調整訊號1 49使此積分係數&增加， 則使得致動器1 6調整傾角1 3的回應加快。另外，輸出調整 訊號1 4 9以調整一比例係數（p r 〇 p 〇 r t i ο η -1 e r m coef ficient) KP 及/ 或一微分係數（differential-term coef f icient) KD之手段，甚者，以電腦硬體/軟體以實施 此輸出調整訊號149以改變PID運算中之係數的手段，亦在 本發明所欲涵蓋範圍之内。而選定適當之PID運算係數之 方法，應為熟此技藝者所習知，在此不予贅述。而此調整 單元148可由硬體、軟體、或是軟體與硬體的組合而實 施0

4AOCI04007TW.ptd 第14頁 200540586 五、發明說明（ίο) 如圖2 c所示’其中調整單元1 4 8係根據傾角1 3之值， 以輸出調整訊说1 4 9。舉例來說，在第一階段，當傾角1 3 之值大於10度時，則輸出一調整訊號丨49以增加此積分係 數1^ ’使得致動器1 6調整傾角1 3的回應加快。而在第二階 段，當此傾角1 3之值小於1 〇度卻大於3度時，則停止輸出 调整訊號1 4 9至此PID控制單元1 4 4，使此p ID控制單元1 4 4 採用預設之積分係數。在第三階段，當傾角1 3小於3度 時’則輸出調整訊號1 4 9以減小此積分係數& ，避免致動 器16產生過度震盪。 在另一實施例中，此調整單元1 4 8係根據感測訊號1 41 與參考訊號143之差值，以輸出調整訊號149。舉例來說， 在第一階段’當此差值大於〇· IV時，則輸出調整訊號149 以增加此積分係數Κ〗，使得致動器1 6調整傾角1 3的回應加 快。而在第二階段，當此差值小於〇·丨ν卻大於〇· 〇5ν時， 則輸出調整訊號1 4 9以回復預設之積分係數1與增加一比 例係數KP 。在第三階段，當此差值小於〇 · 〇 1 ν時，則輪出 調整訊號1 49回復預設之比例係數Κρ及增加一微分係數κ 如圖2d所示，調整單元丨48亦係根據感測訊號14ι與參 考訊號143之差值，以輸出調整訊號149，然此感測訊號/ 141為一數位訊號，其所對應之值可為1至4〇96(2的12次 方）。參考訊號1 4 3亦為一數位訊號，其所對應之值為

200540586 五、發明說明（11) 2二0屮0:ΐ:列t說’在第一階段’當此差值大於500時，則 以增力°積分係數V，西己合脈衝產生器“6 Γ:ί S n調整傾角13的回應加快。而在第二階段，當 = =〇〇卻大於10時’則輪出調整訊號149以回復預 设之積分係數K丨與增加一比例係數Kp 。在第三階段，舍 此差值小於10時，則輸出調整訊號149回復預設之比例^ 數及增加一微分係數KD 。 雖然本發明以實施例揭露如上，然其並非 6 發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 限定本 内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之:砷和範圍 視後附之申請專利範圍所界定者為準。 /、護範圍當

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圖式簡單說明 五、【圖式簡單說明】 所附圖式係為配合說明書解釋本發明。 圖1係一實施例中水平調整裝置之示意圖； 圖2a係一實施例中水平調整裝置之功能方塊圖； 圖2b係另一實施例中水平調整裝置之功能方塊圖； 圖2 c係一實施例中一具有調整單元之水平調整 塊圖； 衣置功能方 圖2d係另一實施例中一具有調整單元之水平調整裝 方塊圖； 、 ％

圖3係顯示一實施例中調整傾角的過程，其積分係數較 大； 圖4係顯示一實施例中調整傾角的過程，其積分係數較 /J、 〇 ※元件符號說明 1 4處理單元 142參考單元 144PID控制單元 1 4 6脈衝產生器 148調整單元 1 6致動器 1 0水平調整裝置 1 2傾角感測器 1 3傾角 1 41感測訊號 1 4 3參考訊號 1 4 5控制訊號 1 4 7脈衝訊號 149調整訊號 1 8雷射光源

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Claims (1)

1. 200540586 六、申請專利範圍 1 · 一種水平調整裝置（1 e v e 1 i n g a p p a r a t u s )，包含： 一傾角感測器（t i 11 s e n s o r )，供感測一傾角以輸出 一感測訊號； 一處理單元，供接收該感測訊號，該處理單元包含： 一參考（reference)單元，供提供一參考訊號； 以及 一 PID 控制（proportional- integral-derivative control )單元，根據該感測訊號與該參考訊號之差值進行 一 P ID運算，以輸出一控制訊號；以及 一致動器（actuator)，根據該控制訊號供調整該傾 角。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之水平調整裝置，其中該水 平調整裝置係重覆地調整該傾角，直到該傾角之值小於或 等於一第一值。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之水平調整裝置，其中該水 平調整裝置係重覆地調整該傾角，直到該感測訊號與該參 考訊號之差值小於或等於一第二值。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之水平調整裝置，其中該處 理單元更包含一調整單元，供輸出一調整訊號至該PID控 制單元，以調整該P I D運算中至少一係數。

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   六、申請專利範圍 5 ·如申請專利範圍第4項所述之水平調整裝置，其中該調 整單元係根據該傾角之值，以輪出該調整訊號。 6·如申請專利範圍第4項所述之水平調整裝置，其中該調 整單元係根據該感測訊號與該參考訊號之差值，以輸出該 調整訊號。 X 7·如申請專利範圍第1項所述之水平調整裝置，其中該piD 控制單元包含一類比p ID控制電路。 8·如申請專利範圍第1項所述之水平調整裝置，其中該PID 控制單元包含一數位PID控制電路。 9·如申請專利範圍第8項所述之水平調整裝置，其中該處 理單元更包含一脈衝產生器，根據該控制訊號，供產生一 脈衝訊號；其中該致動器更根據該脈衝訊號，調整該傾 角0 I 0 ·如申請專利範圍第1項所述之水平調整裝置，該致動器 為一步進馬達。 II ·如申請專利範圍第1項所述之水平調整裝置，該致動器 為一直流馬達。

   4AOCI04007TW.ptd 第19頁 200540586 六、申請專利範圍 1 2 · —種水平調整裝置，包含： 一傾角感測器，供感測一傾角，以輸出一感測訊號； 一處理單元，供接收該感測訊號，該處理單元包含： 一水平參考單元，提供一水平參考訊號； 一數位PID控制單元，供根據該感測訊號與該水 平參考訊號之差值，進行一PID運算，以輸出一控制訊 號；以及 一脈衝產生器，根據該控制訊號供產生一脈衝訊 號；以及 一直流馬達，供根據該脈衝訊號調整該傾角。 1 3 ·如申請專利範圍第丨2項所述之水平調整裝置，其中該 水平調整裝置係重覆地調整該傾角，直到該傾角之值小於 或等於一第一值。 1 4·如申請專利範圍第丨2項所述之水平調整裝置，該水平 調整裝置係重覆地調整該傾角，直到該感測訊號與該水平 參考訊號之差值小於或等於/第二值。 1 5 ·如申請專利範圍第丨2項所述之水平調整裝置，其中該 處理單元更包含一調整單元，供輸出一調整訊號至該PID 控制單元，以調整該p ID運算中至少一係數。 1 6 ·如申請專利範圍第1 5項戶斤述之水平調整裝置’其中該

   200540586 六、申請專利範圍 調整單元係根據該傾角之值，以輸出該調整訊號。 1 7 ·如申請專利範圍第丨5項所述之水平調整裝置，其中該 調整單元係根據該感測訊號與該水平參考訊號之差值，以 輸出該調整訊號。 1 8 · —種用於水平調整裝置之控制模組，設置於一水平調 整裝置中’該水平調整裝置具有一傾角感測器與一直流馬 達’ δ亥傾角感测器供感測一傾角以輸出一感測訊號至該控 制模組’該控制模組包含： 一水平參考單元，供提供一水平參考訊號； 一數位Ρ I D控制單元，供根據該感測訊號與該水平參 考訊號之差值’進行一 ρ ID運算，以輸出一控制訊號；以 及 一脈衝產生器，供根據該控制訊號產生一脈衝訊號； 其中，該直流馬達根據該脈衝訊號，供調整該傾角。 1 9·如申請專利範圍第丨8項所述之控制模組，該控制模組 係供該水平調整裝置重覆地調整該傾角，直到該傾角之值 小於或等於一第一值。 20·如申請專利範圍第18項所述之控制模組，該控制模組 係供該水平調整裝置重覆地調整該傾角直到該感測訊號與 該水平參考訊號之差值小於或等於一第二值。

   200540586 六、申請專利範圍 " ~ ' --- 21·如申請專利範圍第18項所述之控制模組，該控制模組 更包含一调整單元，供輸出一調整訊號至該pID控制單 元，以調整該pID運算中至少一係數。 22·如申請專利範圍第18項所述之控制模組，其中該調整 早元係根據該傾角之值，以輸出違调整訊號。 2 3 ·如申請專利範圍第1 8項所述之控制模組，其中該調整 單元係根據該感測訊號與該水平參考訊號之差值，以輪出 該調整訊號。

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