一种智能实时调平装置及其控制方法
阅读说明：本技术 一种智能实时调平装置及其控制方法 (Intelligent real-time leveling device and control method thereof ) 是由 李唐 王立慧 徐曼 马定奎 桑锐 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种智能实时调平装置及其控制方法,包括底座和位于底座上方的横摇机构、纵摇机构、负载安装平台。底座内安装有控制装置,横摇机构包括安装于壳体顶端且与壳体一体式铸造的横摇支架、位于横摇支架的外侧且与横摇支架贯通的横摇轴套筒以及位于横摇轴套筒内的横摇组件,纵摇机构包括安装于壳体上方的纵摇支架、位于纵摇支架外侧且与纵摇支架贯通的纵摇轴套筒以及位于纵摇轴套筒内的纵摇组件。通过横摇编码器和纵摇编码器将采集到的倾斜角度分别传输到控制器,控制器分别控制横摇伺服电机和纵摇伺服电机运转,使整体横摇组件所在的横摇轴和整体纵摇组所在的纵摇轴达到指定位置,从而带动纵摇支架运动,最终实现负载安装平台的调平。(The invention discloses an intelligent real-time leveling device and a control method thereof. Install controlling means in the base, roll the mechanism including install in the casing top and with casing integral type cast roll support, be located the outside of roll support and with roll the roll shaft sleeve that the support link up and be located the roll subassembly in the roll shaft sleeve, pitch the mechanism including install in the casing top pitch the support, be located the pitch support outside and with the pitch the support link up pitch the shaft sleeve and be located the pitch subassembly in the roll shaft sleeve. The controller is respectively transmitted to the acquired inclination angles through the rolling encoder and the pitching encoder, and the controller respectively controls the rolling servo motor and the pitching servo motor to operate, so that a rolling shaft where the whole rolling assembly is located and a pitching shaft where the whole pitching assembly is located reach specified positions, the pitching support is driven to move, and finally the leveling of the load mounting platform is realized.)
技术领域
本发明涉及调平装置技术领域，尤其涉及一种智能实时调平装置及其控制方法。
背景技术
在船舶、车辆、飞机在行驶过程中会产生很大的摇晃，例如，在江河海上，船受风浪影响，会产生很大的摇晃，这对船、车辆或飞机上的测量设备的测量精度产生巨大的影响。所以我们在进行精密测量时，需要隔离掉这种摇晃，从而减小摇晃对测试设备测量精度造成的不利影响。为了解决该影响，需要使用一种智能实时调平装置，该调平装置可以根据摇摆幅度和速率实时自动调整平衡，为测量设备或仪器提供实时水平的平台，从而隔离掉摇摆对设备仪器造成的不利影响。同时现有产品易受盐雾侵蚀和干扰，因而降低了测量设备的精准度和可靠性。为了弥补传统装置的不足，提高精准度和可靠性，必须解决干扰和盐雾腐蚀等技术问题。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种智能实时调平装置及其控制方法，可以根据摇摆幅度和速率实时自动调整平衡，为设备仪器提供实时水平的平台，从而隔离掉摇摆对设备仪器造成的不利影响。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种智能实时调平装置，包括：
底座，包括壳体、分别设置在壳体外侧端面的电源插座和通信插座以及设置在壳体内部的控制器、电机驱动单元、倾角仪和稳压电源，所述控制器、电机驱动单元和电源插座分别与稳压电源电性连接；
横摇机构，包括安装于壳体顶端且与壳体一体式铸造的横摇支架、位于横摇支架的外侧且与横摇支架贯通的横摇轴套筒以及位于横摇轴套筒内的横摇组件，所述横摇组件包括由外向内依次连接的横摇编码器、横摇伺服电机和横摇减速机，所述横摇伺服电机为双轴伸电机，其中一个输出轴与横摇编码器连接，另一个输出轴与横摇减速机的输入端连接，所述横摇减速机的横摇输出轴向内延伸到横摇支架的内空腔体内；
纵摇机构，包括安装于壳体上方的纵摇支架、位于纵摇支架外侧且与纵摇支架贯通的纵摇轴套筒以及位于纵摇轴套筒内的纵摇组件，所述纵摇支架包括与横摇支架平行设置的第一连接部以及与第一连接部一端部垂直设置的第二连接部，所述纵摇组件包括由外向内依次连接的纵摇编码器、纵摇伺服电机和纵摇减速机，所述纵摇伺服电机为双轴伸电机，其中一个输出轴与纵摇编码器固定连接，另一个输出轴与纵摇减速机的输入端固定连接，所述纵摇减速机的纵摇输出轴向内延伸到第二连接部的内空腔体内；
所述横摇机构还包括安装在第一连接部靠近横摇支架的一端外壁上的横摇连接轴，所述横摇连接轴的另一端贯穿横摇支架的外壁与横摇减速机的横摇输出轴连接；
负载安装平台，位于壳体的上方且第二连接部的内侧外壁，其顶端开设有第一安装孔，所述负载安装平台与第二连接部以及第一连接部与横摇支架之间均通过法兰连接；
所述纵摇机构还包括安装在所述负载安装平台靠近第二连接部一端外壁上的纵摇连接轴，所述纵摇连接轴的另一端贯穿第二连接部的外壁与纵摇减速机的纵摇输出轴连接；
其中，所述横摇编码器、纵摇编码器、倾角仪和通信插座分别通过导线与控制器的输入端相连，所述横摇伺服电机和纵摇伺服电机分别通过导线与控制器的输出端相连。
作为本发明的进一步改进，还包括机械限位机构，所述机械限位机构包括：
横摇限位组件，位于横摇支架与纵摇支架之间，包括安装在第一连接部外壁上的第一限位杆以及两块对称设置在横摇支架外壁上的第一限位块；
其中，当横摇组件带动纵摇支架运动时，使第一限位杆在两块第一限位块之间摆动；
纵摇限位组件位于纵摇支架与负载安装平台之间，包括安装在负载安装平台外侧壁上的第二限位杆以及两块对称设置在第二连接部外壁上的第二限位块；
其中，当纵摇组件带动负载安装平台运动时，使第二限位杆在两块第二限位块之间摆动。
作为本发明的进一步改进，所述控制器包括相交互的FPGA芯片和DSP芯片，所述横摇编码器、纵摇编码器以及倾角仪均通过串口芯片与FPGA芯片的输入端相连，所述横摇伺服电机和纵摇伺服电机分别通过横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元与DSP芯片的输出端相连。
作为本发明的进一步改进，所述第一连接部与横摇支架之间连接有第一轴承组件，所述第一轴承组件包括与横摇连接轴的轴肩连接的第一轴承内圈，通过第一轴承衬套与横摇支架外壁连接的第一轴承外圈，通过横摇连接轴的轴肩定位到横摇减速机的横摇输出轴上的第一轴承内圈压板以及与横摇支架外壁连接的第一轴承外圈压板；
所述第二连接部与负载安装平台之间连接有第二轴承组件，所述第二轴承组件包括与纵摇连接轴的轴肩连接的第二轴承内圈，通过第二轴承衬套与第二连接部外壁连接的第二轴承外圈，通过纵摇连接轴的轴肩定位到纵摇减速机的纵摇输出轴上的第二轴承内圈压板以及与第二连接部外壁连接的第二轴承外圈压板。
作为本发明的进一步改进，所述壳体左右两端内部均横向对齐设置有导轨，所述导轨上滑动连接有器件安装板，所述控制器和倾角仪安装于器件安装板上。
作为本发明的进一步改进，所述壳体的底部外壁的两端向外水平延伸形成安装固定板，所述安装固定板的顶端设置有贯穿至安装固定板底端的第二安装孔。
作为本发明的进一步改进，所述壳体、横摇支架、横摇轴套筒、纵摇支架)和纵摇轴套筒的外表面均喷涂有防腐蚀涂层。
作为本发明的进一步改进，所述横摇编码器和纵摇编码器均为绝对式旋转编码器。
一种智能实时调平装置的控制方法，包括如下步骤：
1)指令接受：控制器通过RS422串口或网口接收上位机指令；
2)数据采集：横摇编码器、纵摇编码器以及倾角仪采集的船摇角度和速度数据传输到控制器；
3)算法实现：控制器根据接收到的目标角度和当前角度、速度，对横摇伺服电机和纵摇伺服电机进行算法控制；
4)电机驱动：控制器分别控制横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元，从而控制横摇伺服电机和纵摇伺服电机，控制器完成横摇伺服电机和纵摇伺服电机位置环闭环控制，电机驱动单元完成速度环和电流环闭环控制，实现负载安装平台的调平；
5)全自动监测：上位机软件通过接入通信插座进行远程控制，通过状态监控功能，实时显示调平状态。
作为本发明的进一步改进，所述步骤3)中算法控制为复合PI算法控制，具体包括如下步骤：
1)根据调平装置工作原理，确定伺服系统原理框图；
2)复合控制设计；
所述复合PI算法控制为基于前馈补偿和PI相结合的复合控制策略，
2-1)求前馈输出信号uf(s)为，
式中，yd(s)为目标角度信号，G(s)为传递函数；
2-2)求前馈补偿控制器总控制输出u(s)为，
u(s)＝up(s)+uf(s) (2)
式中，up(s)为PID控制输出，uf(s)为前馈控制输出；
2-3)将控制器总控制输出u(s)写成离散形式u(k)，
u(k)＝up(k)+uf(k) (3)
式中，up(k)为PI控制器输出，uf(k)为馈控制输出；
2-4)将目标角度r(k)与当前角度y(k)比较得到目标角度与当前角度的差值e(k)，差值e(k)作PI运算得到PI控制器输出up(k)，加上倾角仪测得的当前船摇速度v(k)作为伺服电机驱动单元的输入信号，伺服电机驱动单元完成伺服控制的速度环和电流环控制再驱动横摇伺服电机和纵摇伺服电机动作。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明一种智能实时调平装置，通过横摇编码器和纵摇编码器将采集到的倾斜角度分别传输到控制器，控制器分别通过驱动横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元控制横摇伺服电机和纵摇伺服电机运转，使得整体横摇组件所在的横摇轴和整体纵摇组件所在的纵摇轴达到指定位置，从而带动纵摇支架运动，最终实现负载安装平台的调平，不受到外接晃动干扰。
2、本发明一种智能实时调平装置，将横摇支架与底座设计成一体铸造成型的直角框架连接形式，具有很好的密封好，防震，防盐雾腐蚀，装置可靠性高，适合在恶劣环境下使用。
3、本发明一种智能实时调平装置的控制方法，提出一种基于前馈补偿和PI相结合的复合控制策略，减少了平均跟踪误差，改善了系统的动态性能，提高了系统的控制精度。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中横摇轴套筒和纵摇轴套筒内部结构示意图
图3为本发明整体结构侧视图；
图4为本发明中底座内部结构示意图；
图5为本发明图1中A处放大示意图；
图6为本发明横摇组件连接剖视图；
图7为本发明电气控制连接图；
图8为本发明上位机调试界面图；
图9为本发明伺服系统传递原理框图；
图10为本发明PID前馈补偿控制结构；
图11为本发明前馈PI原理图；
图12为本发明前馈PI与传统PI算法精度比较。
附图中：
100、底座；110、壳体；110-1、安装固定板；110-1a、第二安装孔；120、电源插座；130、通信插座；140、控制器；150、电机驱动单元；160、倾角仪；170、稳压电源；180、器件安装板；
200、横摇机构；210、横摇支架；220、横摇轴套筒；230、横摇组件；230-1、横摇编码器；230-2、横摇伺服电机；230-3、横摇减速机；230-3a、横摇输出轴；240、横摇连接轴；
300、纵摇机构；310、纵摇支架；310-1、第一连接部；310-2、第二连接部；320、纵摇轴套筒；330、纵摇组件；330-1、纵摇编码器；330-2、纵摇伺服电机；330-3、纵摇减速机；
400、负载安装平台；410、第一安装孔；
500、机械限位机构；510、横摇限位组件；510-1、第一限位杆；510-2、第一限位块；510-3、第一螺钉；520、纵摇限位组件；520-1、第二限位杆；520-2、第二限位块；520-3、第二螺钉；
610、第一轴承内圈；620、第一轴承衬套；630、第一轴承内圈压板；640、第一轴承外圈压板；650、油封；660、油封安装端盖。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1至图8示出的是本发明一种智能实时调平装置一实施方式的结构示意图，其主体部分包括底座100、横摇机构200、纵摇机构300、负载安装平台400。
底座100用来支撑横摇机构200、纵摇机构300和负载安装平台400以及放置控制装置。底座100包括壳体110、分别设置在壳体110外侧端面的电源插座120和通信插座130以及设置在壳体110内部的控制器140、电机驱动单元150、倾角仪160和稳压电源170，所述控制器140、电机驱动单元150和电源插座120分别与稳压电源170电性连接。所述横摇编码器230-1、纵摇编码器330-1、倾角仪160和通信插座130分别通过导线与控制器140的输入端相连，所述横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2分别通过导线与控制器140的输出端相连。具体的，所述控制器140包括相交互的FPGA芯片和DSP芯片，所述横摇编码器230-1、纵摇编码器330-1以及倾角仪160均通过串口芯片与FPGA芯片的输入端相连，所述横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2分别通过横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元与DSP芯片的输出端相连。控制部分采用嵌入式技术，均布置于壳体110内部，选用DSP+FPGA作为主控制器。DSP芯片通过CAN总线分别控制横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元，FPGA芯片用来采集横摇编码器230-1、纵摇编码器330-1以及倾角仪160的船摇角度数据。电机驱动单元150包括横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元，控制器140分别通过驱动横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元控制横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2运转。
横摇机构200，包括安装于壳体110顶端且与壳体110一体式铸造的横摇支架210、位于横摇支架210的外侧且与横摇支架210贯通的横摇轴套筒220以及位于横摇轴套筒220内的横摇组件230，所述横摇组件230包括由外向内依次连接的横摇编码器230-1、横摇伺服电机230-2和横摇减速机230-3，所述横摇伺服电机230-2为双轴伸电机，其中一个输出轴与横摇编码器230-1连接，另一个输出轴与横摇减速机230-3的输入端连接，所述横摇减速机230-3的横摇输出轴230-3a向内延伸到横摇支架210的内空腔体内；所述横摇机构200还包括安装在第一连接部310-1靠近横摇支架210的一端外壁上的横摇连接轴240，所述横摇连接轴240的另一端贯穿横摇支架210的外壁与横摇减速机230-3的横摇输出轴230-3a连接。将横摇支架210与壳体110设计成一体铸造成型的直角框架连接形式，整体上呈反L型，具体很好的密封性，防震、防盐雾复试。使用时，横摇伺服电机230-2启动后，动力输出至横摇减速机230-3，横摇减速机230-3的横摇输出轴230-3a通过横摇连接轴240带动纵摇支架310运动，从而带动与纵摇支架310连接的负载安装平台400的调平。
纵摇机构300，包括安装于壳体110上方的纵摇支架310、位于纵摇支架310外侧且与纵摇支架310贯通的纵摇轴套筒320以及位于纵摇轴套筒320内的纵摇组件330，所述纵摇支架310包括与横摇支架210平行设置的第一连接部310-1以及与第一连接部310-1一端部垂直设置的第二连接部310-2，所述纵摇组件330包括由外向内依次连接的纵摇编码器330-1、纵摇伺服电机330-2和纵摇减速机330-3，所述纵摇伺服电机330-2为双轴伸电机，其中一个输出轴与纵摇编码器330-1固定连接，另一个输出轴与纵摇减速机330-3的输入端固定连接，所述纵摇减速机330-3的纵摇输出轴向内延伸到第二连接部210-2的内空腔体内；所述纵摇机构300还包括安装在所述负载安装平台400靠近第二连接部310-2一端外壁上的纵摇连接轴，所述纵摇连接轴的另一端贯穿第二连接部310-2的外壁与纵摇减速机330-3的纵摇输出轴连接。使用时，纵摇伺服电机330-2启动后，动力输出至纵摇减速机330-3，摇减速机330-3的纵摇输出轴通过纵摇连接轴带动与纵摇支架310连接的负载安装平台400的调平。
负载安装平台400用来安装射频天线等外置负载器件，位于壳体110的上方且第二连接部310-2的内侧外壁，其顶端开设有第一安装孔410，所述负载安装平台400与第二连接部310-2以及第一连接部310-1与横摇支架210之间均通过法兰连接。横摇支架210和纵摇支架310通过法兰可拆卸连接，另外可以根据外置器件尺寸，在负载安装平台400上开设相应的第一安装孔410，负载安装平台400仅为示意安装平台，不体现具体负载器件。
作为优选，在本实施方式中，如图1、图3、图5所示，还包括机械限位机构500，所述机械限位机构500包括横摇限位组件510和纵摇限位组件520。其中机械限位可调的横摇角度为-35°～+35°，纵摇角度为-15～+15°，摇摆周期为1S-10S。横摇限位组件510用来进一步控制整体横摇组件230的运动区间，位于横摇支架210与纵摇支架310之间，包括安装在第一连接部210-1外壁上的第一限位杆510-1以及两块对称设置在横摇支架210外壁上的第一限位块510-2。第一限位杆510-1通过螺钉安装在第一连接部210-1的外壁上，两块第一限位块510-2与横摇支架210通过铸造融为一体，使第一限位杆510-1便于更换。当横摇组件230带动纵摇支架310运动时，第一限位杆510-1在两块第一限位块510-2之间摆动。纵摇限位组件520用来进一步控制整体纵摇组件330的运动区间，位于纵摇支架310与负载安装平台400之间，包括安装在负载安装平台400外壁上的第二限位杆520-1以及两块对称设置在第二连接部210-2外侧壁上的第二限位块520-2。第二限位杆520-1通过螺钉安装在负载安装平台400的外侧壁上，使第二限位杆520-1便于更换。当纵摇组件330带动负载安装平台400运动时，第二限位杆520-1在两块第二限位块520-2之间摆动。
作为优选，在本实施方式中，如图6所示，所述第一连接部310-1与横摇支架210之间连接有第一轴承组件，所述第一轴承组件包括与横摇连接轴240的轴肩连接的第一轴承内圈610，通过第一轴承衬套620与横摇支架210外壁连接的第一轴承外圈，通过横摇连接轴240的轴肩定位到横摇减速机230-3的横摇输出轴230-3a上的第一轴承内圈压板630以及与横摇支架210外壁连接的第一轴承外圈压板640。所述第二连接部310-2与负载安装平台400之间连接有第二轴承组件，所述第二轴承组件包括与纵摇连接轴的轴肩连接的第二轴承内圈，通过第二轴承衬套与第二连接部310-2外壁连接的第二轴承外圈，通过纵摇连接轴的轴肩定位到纵摇减速机330-3的纵摇输出轴上的第二轴承内圈压板以及与第二连接部310-2外壁连接的第二轴承外圈压板。在使用时，当横摇减速机230-3的横摇输出轴230-3a通过横摇连接轴240带动纵摇支架310运动以及摇减速机330-3的纵摇输出轴通过纵摇连接轴带动负载安装平台400运动时更平稳。
作为优选，在本实施方式中，如图4所示，所述壳体110左右两端内部均横向对齐设置有导轨，所述导轨上滑动连接有器件安装板180，所述控制器140和倾角仪160安装于器件安装板180上。底座内设置有导轨，器件安装板180可方便抽出，自主灵活，方便维修。
作为优选，在本实施方式中，如图1至图4所示，所述壳体110的底部外壁的两端向外水平延伸形成安装固定板110-1，所述安装固定板110-1的顶端设置有贯穿至安装固定板110-1底端的第二安装孔110-1a。使用时，可以将安装固定板110-1上的第二安装孔110-1a插入螺栓固定，进一步提高了整体装置的稳定性。
作为优选，在本实施方式中，所述述壳体110、横摇支架210、横摇轴套筒220、纵摇支架310和纵摇轴套筒320的外表面均喷涂有防腐蚀涂层，防盐雾腐蚀，适合在恶劣环境下使用。
作为优选，在本实施方式中，所述横摇编码器230-1和纵摇编码器330-1均为绝对式旋转编码器。绝对式旋转编码器是测角度传感器，角度信息通过SSI同步串口传给伺服控制板，安装方式简单多样，数据编码类型为格雷码，同时控制板分别与电机驱动单元150CAN通信，提高了整个系统的稳定性和抗干扰能力。
结合图1至图8，本实施方式的一种智能实时调平装置，具体使用原理如下：将底座100固定在船上，再将负载器件固定在负载安装平台400的顶端，通过横摇编码器230-1和纵摇编码器330-1将采集到的倾斜角度分别传输到控制器140，控制器140分别通过驱动横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元控制横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2运转，使得整体横摇组件230所在的横摇轴和整体纵摇组件330所在的纵摇轴达到指定位置，从而带动纵摇支架310运动，最终实现负载安装平台400的调平。
本发明一种智能实时调平装置包括两种工作模式：自动调平模式和定位模式。
具体操作过程及原理：首先将本调平装置安装在船上，设整体横摇组件230所在的轴为横摇轴X，整体纵摇组件330所在的轴为纵摇轴Y，船横摇与横摇轴X平行，船纵摇与纵摇轴Y平行，再进行生产设置，启动本设备，电源插入电源插座120。其中，倾角仪160采集角度和速度数据，角度数据为当前船体的横摇横摇角度和纵摇角度，速度数据即为当前船体的横摇速度和纵摇速度。横摇轴编码器230-1数据即为负载安装平台400横轴的当前角度，纵轴编码器数330-1数据即为该负载安装平台400纵轴的当前角度。其中横摇轴可调的角度为-30°～+30°，纵摇轴可调的角度为-10°～+10°，摇摆周期为1S-10S。
在自动调平模式下，以横摇轴X为例，当上位机下发“调平”指令时，控制器140将倾角仪130的横摇角度的负值作为负载安装平台400横轴的目标角度，控制器140通过控制横摇轴X的横摇电机驱动单元来驱动横摇伺服电机230-2将负载安装平台400运动到目标角度处,从而保证了负载安装平台400的水平。其中横摇编码器230-1作为负载安装平台400当前角度检测元件与倾角仪130目标角度数据形成位置环闭环控制。纵摇轴Y的连接形式与横摇轴X结构同理实现,控制器140实时接受倾角仪160、横摇编码器230-1和纵摇编码器330-1采集来的数据，将倾角仪160数据的负值作为目标角度，将横摇编码器230-1和纵摇编码器330-1的数据作为当前角度，根据目标角度和当前角度进行位置环控制，再将速率信号发送给电机驱动单元150，电机驱动单元150运行速度环和电流环控制算法，使电机驱动单元150驱动横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2运转，从而带动横摇组件230所在的横摇轴和整体纵摇组件330所在的纵摇轴达到指定位置，从而实现负载安装平台实时的调平。
在定位模式下，目标角度由上位机下发，上位机软件通过接入通信插座130进行远程控制，通过状态监控功能，实时显示调平状态。控制器140横摇编码器230-1、纵摇编码器333-1和倾角仪160上的数据，通过内部复合PI算法，实现对电机驱动单元150的控制，从而控制横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2带动横摇组件230所在的横摇轴和整体纵摇组件330所在的纵摇轴达到指定位置，从而实现负载安装平台调平。
一种智能实时调平装置的控制方法，包括如下步骤：
1)指令接受：控制器140通过RS422串口或网口接收上位机指令；
2)数据采集：横摇编码器230-1、纵摇编码器330-1以及倾角仪160采集的船摇角度、速度数据高速传输到控制器140中的FPGA芯片；
3)算法实现：FPGA芯片与DSP芯片信息交互之后，控制器140根据接收到的目标角度和当前角度、速度，对横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2位进行算法控制；
所述算法控制具体为复合PI算法控制，包括如下步骤：
1)如图9所示，根据调平装置工作原理，确定伺服系统原理框图；
2)复合控制设计；
所述复合PI算法控制为基于前馈补偿和PI相结合的复合控制策略，调平装置系统中总是存在一个位置跟踪误差，而前馈控制的目的就是通过预见系统将来的行为，提前向控制系统中传递预期的误差，使跟踪误差最小。利用这种前馈控制的思想，针对传统PI控制设计了前馈补偿，以提高系统的跟踪性能。
一个PI控制器由比例、积分和微分控制器组成，描述了误差信号是如何被放大，进而产生一个合适的电机响应来减小这个偏差，其结构如图10所示。
2-1)求前馈输出信号uf(s)为，
式中，yd(s)为目标角度信号，G(s)为传递函数；
2-2)求前馈补偿控制器总控制输出u(s)为，
u(s)＝up(s)+uf(s) (2)
式中，up(s)为PID控制输出，uf(s)为前馈控制输出；
2-3)将控制器总控制输出u(s)写成离散形式u(k)，
u(k)＝up(k)+uf(k) (3)
式中，up(k)为PI控制器输出，uf(k)为馈控制输出；
2-4)将目标角度r(k)与当前角度y(k)比较得到目标角度与当前角度的差值e(k)，差值e(k)作PI运算得到PI控制器输出up(k)，加上倾角仪测得的当前船摇速度v(k)作为伺服电机驱动单元的输入信号，电机驱动单元150完成伺服控制的速度环和电流环控制再驱动横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2动作。针对位置环，利用前馈的思想，针对传统PID控制设计了前馈补偿。其原理如图11所示，其中r(k)为目标角度，y(k)为当前角度，e(k)为目标角度与当前角度差值，up(k)为PI控制器输出，v(k)为倾角仪测得的当前船摇速度；
4)电机驱动：控制器140分别控制横摇电机驱动单元和纵摇电机驱动单元，从而控制横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2，控制器140完成横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2位置环闭环控制，电机驱动单元150完成速度环和电流环闭环控制，实现负载安装平台400的调平；
5)全自动监测：上位机软件通过接入通信插座130进行远程控制，通过状态监控功能，实时显示调平状态。
精度测量方法：将本调平装置置于摇摆台，随摇摆台做正弦轨迹运动。定义当前角度与目标角度的差值为误差值，通过分析仪实时采集误差值，绘制误差曲线。以横摇轴为例，如图12所述，上下波动频率较大的曲线为传统PI算法时系统控制精度，上下波动频率较小的曲线为加入前馈算法的复合算法下系统控制精度，可知，在引入前馈控制的复合算法下，系统精度明显优于传统PI控制算法，减小了平均跟踪误差，改善了系统的动态性能，提高了系统的控制精度。
本发明调平装置的整体横摇组件230所在的横摇轴和整体纵摇组件330所在的纵摇轴在工作过程中，每当横摇伺服电机230-2和纵摇伺服电机330-2启动、停止以及产生外界干扰时，会造成系统PID运算的误差积累增大，以致引起系统的振荡。传统PI控制动态误差的绝对值大于0.03°，此时引入前馈控制，前馈PI控制器定位偏差的绝对值小于0.03°，减少了平均跟踪误差，说明前馈PI能够在一定程度上克服系统内部的扰动影响，从而提高系统动态精度，这样传统的PI控制器仅需修正残余的误差，便改善了系统的动态性能。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种新型的取水控流装置