基于模糊PID控制的激光投线仪光线调节系统

doi ：10．3969/j．issn．1674－8530．14．0177

基于模糊PID 控制的激光投线仪

光线调节系统

周建忠，吴天成，陈寒松，徐苏强

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

周建忠

摘要：激光投线仪能提供水平线和铅垂线基准，适用于泵站建设中建筑物与机电设备安装的基准标定．为解决传统激光投线仪光线校准精度较低、调节速度慢、人为因素影响较大等问题，在对现有激光投线仪光线调校原理深入研究的基础上，提出了一种新型激光投线仪光线调节系统．首先，设计了一套光线调节平台，该平台采用伺服电动机驱动光线调节螺栓，调节光线的水

coupled device ，CCD ）检测激光线的水平度与平度和垂直度，并通过线阵电荷耦合元件（charge-“比例－积分－微分”（proportion integration differentia-垂直度来实现设备的校准；其次，基于模糊

tion ，PID ）控制方法设计了用于实现光线自动调节的闭环控制系统．试验测试结果表明，所设计的光线调节平台调节过程平缓，速度快，水平度与垂直度都能控制在ʃ 1mm 范围内，满足出厂要求．

关键词：激光投线仪；泵站建设；光线调校；模糊PID 控制；线阵电荷耦合元件

中图分类号：TH164文献标志码：A 文章编号：1674－8530（2015）04－0362－07

J ］．排灌机械工程学报，2015，33（4）：362－368．周建忠，吴天成，陈寒松，等．基于模糊PID 控制的激光投线仪光线调节系统［

Zhou Jianzhong ，Wu Tiancheng ，Chen Hansong ，et al．System for adjusting light in laser demarcation device based on fuzzy PID con-trol ［J ］．Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering （JDIME ），2015，33（4）：362－368．（in Chinese ）

System for adjusting light in laser demarcation device

based on fuzzy PID control

Zhou Jianzhong ，Wu Tiancheng ，Chen Hansong ，Xu Suqiang

（School of Mechanical Engineering ，Jiangsu University ，Zhenjiang ，Jiangsu 212013，China ）

Abstract ：Laser demarcation device can provide horizontal and vertical datum ，and it is used in benchmark calibration of buildings and installation of mechanical and electrical equipment in the pump station．A new set of light calibration system for the laser demarcation device was developed to solve these problems of traditional calibration systems ：poor accuracy ，slow adjustment and high influential artificial factors ，based on numerous light calibrating theories ，methods and system．First ，light cali-bration platform was designed ，which used several servo motors to screw adjusting screws in and out so as to calibrate the straightness and verticality of lights ，and also used linear CCD （charge-coupled de-vice ）to detect the straightness and verticality of lights ，which realizes the detection of lights．Then ，based on the fuzzy PID （proportion integration differentiation ）controlling method ，a closed loop control system for light calibration was designed ，which adjusts light quickly and the dynamic balance perfor-收稿日期：2014－10－25；网络出版时间：2015－04－22

网络出版地址：http ：//www．cnki．net /kcms/detail/32．1814．TH．20150422．1027．003．html

基金项目：江苏省科技支撑项目（工业）（BE2013097）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

教授，博士生导师（zhoujz@ujs．edu．cn ），模具快速制造与表面作者简介：周建忠（1964—），男，江苏无锡人，主要从事先进激光制造技术、

工程、微塑成形理论与微加工技术研究．（1990—），吴天成硕士研究生（1035330781WTC@163．com ），男，江苏常熟人，主要从事机电一体化装备研究．

mance is good to the process of light calibration．Experiments show that the process of light calibration

is smooth and fast ，the straightness and verticality of lights can be controlled within ʃ 1mm ，which meet the requirements of the factory．This system is easy to operate ，and is more efficient．Compared with the traditional way of manual adjustment ，the light calibration equipment has high precision ，quick adjustment ，low labor intensity．

Key words ：laser demarcation device ；pump station construction ；light adjustment ；fuzzy PID control ；

linear CCD 在南水北调工程中，泵站的检测项目有建筑物外观检查、主体结构表面平整度检测、主体结构垂直度检测等．泵站主电动机和水泵的安装过程中，固定部分有垂直、同心及水平、高程等要求，转动部件有轴线摆度、垂直度等要求，这些都是安装过程

［1］

水平线基准和铅垂线基中的关键．安装过程中，

准的获取可以采用全站仪或者经纬仪配合水平仪

进行标定，但受现场工况的影响，标定过程较为烦琐，所以现在很多场合都使用非接触式标线仪器．激光投线仪是一种新型的小型化激光类非接触式标线仪器．它可以在工作距离内投射出水平和铅垂激光线，为其他工作提供参考基准，现已广泛

［2－4］

．应用于建筑装潢、机械加工、家具制作等领域作为基准类仪器，激光投线仪的精度在整个测量中

占有至关重要的地位，因此，在出厂前必须对每一台激光投线仪进行光线调节，使其满足各项精度要求．目前，国内外普遍采用的光线校准方式为将校准标靶安放在距离激光投线仪5m 远的地方，校准同一条激光线要保证标靶基准线处在同一水平线或铅垂线，使工人能够清晰识别激光线相对于校准基线的偏差．同时，要在每个标靶旁安装监视器实时监视激光线在标靶上的位置，最后通过闭路监视系统将标靶的画面传送到检验员面前的显示器上，由人眼观测显示器画面，并对激光投线仪光线的误差做出判断，按其精度要求调节光线．显然，这种光线调节方式存在调节过程复杂、测量精度难以量化、人为误差较大、劳动强度大等缺陷．因此，研究人员开始尝试采用光线检测技术，实现校准自动化．路杰等设计了一套基于线阵电荷耦合元件（charge-coupled device ，CCD ）的光线检测装置，使光线检测的精度大大提高，且受人为因素的影响大

［6］

大减小．刘盼盼等采用平行光管角度测量与机器视觉测量结合的方法，设计了一台激光投线仪多维校准系统．上述装置均采用人工调节与视觉检测相结合的方式，自动化程度不高．

为了实现激光投线仪光线自动化调节，在已有

1. 2

图1光线调节机构图

Mechanical structure of light adjustment

［5］

激光投线仪光线调节与光线检测方法的基础上，设

计一台激光投线仪光线调节设备，该设备采用工控机与伺服电动机结合的方式，调整激光投线仪机芯上的光线调节螺栓，调节光线的水平度与垂直度，并采用线阵CCD 实时反馈光线位置，使光线满足各项精度要求．由于CCD 反馈光线位置的滞后性、几何摆放误差和调节装置的背隙都会对光线调节的速度与动态平衡性能造成很大的影响，文中基于模“比例－积分－微分”（proportion integration differ-糊

entiation ，PID ）算法思想，设计光线自动调节程序，不仅使光线达到目标位置的时间短、精度高，还能有效避免现场工况环境对光线调节造成的影响．

1

1. 1

激光投线仪光线调节设备结构

激光投线仪机芯结构

激光投线仪的机芯结构如图1所示，激光二极管封装在激光头中，可以投射出可见的红色水平激光线和铅垂激光线，激光头安装在调节片内，并通过调节螺栓与机芯连接，调节片中间的凹槽与机芯上的半圆凸起部分连接．通过2个位置调节螺栓的进退带动调节片上下摆动，从而调整光线的位置；调节片左右两端的角度调节螺栓与激光头的2个凹槽接触，角度调节螺栓的进退可带动激光头转动，从而调整光线的角度

．

Fig．1

光线调节平台设计

1个转向台，光线调节平台由8个伺服电动机，

4个气缸滑台组成．气缸滑台控制调节扳手的上下

位，伺服电动机与联轴连接，通过调节扳手控制调节螺栓的旋进与旋出，当一个工位的激光头光线调节完毕后，控制转台转向，转换工位，如图2所示．图3为激光投线仪光线调节设备实物图

．

［7］

以采用全站仪或者经纬仪配合水平仪进行标定．

H 正，H 右

．实际光线在3个CCD 上的反馈值为H 左，

图4水平光线检测示意图

Fig．4Scheme of light detection

激光投线仪光线的调节方法为先利用正前方的伺服电动机驱动调节扳手，使光线平移，从而调节光线的位置，光线的位置（H 正）由CCD （正）来确定．当位置H 正到达设定值H 正基准后，再利用左右两侧的伺服电动机驱动调节扳手，调节光线的水平度或垂直度，光线的水平度（H 左－H 左基准）由CCD （左）来H 正都到达基准位置H 左基准，H 正基准．确定．最终使H 左，

图2光线调节平台

Fig．2Platform of light

adjustment

2

2. 1

光线调节原理与算法

光线位置的采集

采用线阵CCD 进行光线位置的实时采集，线阵

CCD 采用TOSHIBA 公司的TCD1501D 型CCD ，该

5000像元的二相器件是一种高灵敏度、低暗电流、

Fig．3

图3激光投线仪光线调节设备实物

Equipment for adjusting light in laser demarcation device

线阵CCD ，像元之间的间距为7．0μm．在数据采集电路中，本系统使用CPLD 驱动线阵CCD 与处理信号，通过ＲS232串行总线与计算机通讯将数据传入计算机显示．线阵CCD 的输出信号包含了CCD 各个像元的光强分布信息和像元位置信息，能够测量

［8］

光线的宽度和位置．

CCD 感光面接收光线垂直入射到CCD 感光面，

到光强后，输出信号将放生变化，利用二值化处理电路对CCD 输出信号进行二值化处理，处理结果如图5所示．二值化处理后的信号通过CPLD 提取像S 1与S 2的差值即为光线的宽度，S 1与元S 1和S 2，

S 2的中间像元所在的位置即为光线在线阵CCD 上的位置值

．

激光投线仪光线调节系统中光线位置的采集2个使用6个线阵CCD．水平放置的3个CCD 中，

CCD 可用于检测光线的位置和水平度，3个一起可检测激光线是否弯曲．同理，垂直的3个CCD 用于检测铅垂光线．

光线检测过程中，水平光线采用位于同一水平线上的3个线阵CCD 进行检测，机芯正前方的CCD 检测光线的位置，机芯左边的CCD 与机芯正前方的CCD 检测光线的水平度（与2个CCD 上基准位置的差值即为水平度）；垂直光线采用位于同一垂直线摆放位置与检测水平上的3个线阵CCD 进行检测，光线的方式相同，安放于同一垂直线上

［5］

．以检测

水平光线为例进行说明，水平光线检测示意图如图

4所示．CCD （正）放于光源正前方，用于检测光线的CCD （左）用于检测光线的水平度，CCD 上下位置，

（左）与CCD （正）之间的间隔为2. 5m ，3个CCD 离3个CCD 上的基准值记为H 左基准，光源距离为5m ，

H 正基准和H 右基准，水平线基准和铅垂线基准的获取可

图5二值化处理示意图

Fig．5Scheme of binarization

2. 2

光线调节算法

CCD 检测光线位置的滞后性、几何摆放误差和

调节装置的背隙都会对光线调节的速度与动态平衡造成很大的影响，另一方面，系统本身的数学模型无法精确建立，故考虑采用模糊控制的思想对光线进行调节．

激光投线仪在操作过程中要求尽量以最少的操作步骤实现更为精确的校准目标，故文中设计的激光投线仪光线调节设备可一次调节2条激光线，分别为1条水平线和1条铅垂线．光线的位置调节采用单个电动机调节即可完成．文中主要研究光线水平度和垂直度的调节算法．光线的水平度或垂直度调节需要通过2个伺服电动机完成，并采用模糊PID 控制，水平线与铅垂线的调节程序设计时可以采用同样的参数．

以增量式PID 作为系统的调节方式，具体表达式为

U （k ）=U （k －1）+K P ［E （k ）－E （k －1）］+E （k ）+E （k －2）－2E （k －1）］K I E （k ）+K D ［，

（1）

U （k ）分别为控制系统中被控对象的输式中：E （k ），

K I ，K D 分别为其入偏差和伺服电动机的控制量；K P ，

［4］

比例、积分、微分控制作用的参数．

常规PID 控制器不具有在线整定参数的功能，

ΔK I ，ΔK D 分别输入PID 控制器中，出的修正量ΔK P ，

对3个参数进行在线修正计算输出控制量u ，控制

［10－11］

．将伺服电动机的转动角度，实现光线调节PID 控制器的输入取为CCD （左）反馈值H 左和H 左

输出取为电动机的给定脉冲量．的变化率，

K P ，K I ，K D 与偏差e 和偏差变化率ec 的二元连续函数关系为

{

K P =K' P +ΔK P ，K I =K' I +ΔK I ，K D =K' D +ΔK D ，

（2）

K' K' 式中：K' 光线调节模糊PID 参数P ，I ，D 为预设值，

自整定的设计思想是找到PID 控制器3个参数与光线位置偏差e 和位置偏差变化率ec 之间对应的模

ΔK I ，ΔK D 值，在运行糊关系，在线自整定参数ΔK P ，K I ，K D 进行中通过不断检测e 和ec ，对3个参数K P ，

在线校正，以满足不同偏差e 和偏差变化率ec 时，对控制器参数的不同要求，从而使被控对象有良好的动、静态性能．根据要求，光线调节的模糊PID 控制系统中的模糊控制器采用二输入三输出的形式，以CCD （左）以ΔK P ，ΔK I ，反馈值H 左和H 左的变化率作为输入，

取输入输出语言变量模糊子集为ΔK D 作为输出，｛负大，负中，负小，零，正小，正中，正大｝，并简记为｛NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB ｝，位置偏差H 左，H 左的变化率的模糊论域为｛－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6｝，模糊子集为｛NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB ｝，ΔK I ，ΔK D 控制器输出ΔK P ，

0，1，2，3｝，模糊子集的模糊论域为｛－3，－2，－1，

NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB ｝，为｛NB ，隶属度函数均

采用线性函数，并考虑激光投线仪实际应用工况，建立合适的模糊控制规则表

［11－12］

因此难以满足以光线调节系统的调节精度．引入模

糊控制概念，将模糊控制与增量式PID 控制结合在K I ，一起，根据不同范围的E （k ）选择PID 参数K P ，K D ，K I ，K D 的在实现对常规PID 控制器的参数K P ，线自整定

［9］

．

激光投线仪光线调节算法的模糊PID 控制器如图6所示

．

．表1为e ，ec 的

3，4分别为ΔK P ，表2，ΔK I ，ΔK D 的模隶属度赋值表，

糊控制规则表．

ec 的隶属度赋值表表1模糊变量e ，

Tab．1Degree of membership of fuzzy

variable e ，ec assignment table

隶属度

－61

－50. 50. 5

1

0. 50. 5

1

0. 50. 5

1

0. 50. 5

1

0. 50. 5

1

0. 50. 5

1

－4

－3

－2

－1

1

2

3

4

5

6

NB NM NS ZO PS PM PB

图6模糊PID 控制器结构图

Fig．6Structure of fuzzy PID controller

模糊PID 控制器的工作原理是把输入PID 控制器的位置偏差e 和位置偏差的变化率ec 同时输入K I ，K D 进行调整，到模糊控制器中，对3个参数K P ，

然后分别经过模糊化、近似推理和清晰化后，把得

表2ΔK P 的模糊控制规则表

Tab．2Fuzzy control rule table of ΔK e NB NM NS ZO PS PM PB

ec

NB NB NB NM NM NS ZO ZO

NM NB NB NM NS NS ZO ZO

NS NB NM NS NS ZO PS PM

ZO NM NS NS ZO PS PS PM

PS NS NS ZO PS PS PM PM

PM ZO ZO PS PM PM PB PB

PB ZO ZO PS PM PM PB PB

集合A 的u i 个隶属度函数．2. 3光线调节算法仿真

结合调节系统中的几何位置关系和机械传动关系，忽略机械误差和几何误差，得到系统的数学模型．

l =

y

P －λH ，y 0

l =r θ，

（6）（7）

表3ΔK I 的模糊控制规则表

Tab．3Fuzzy control rule table of ΔK e NB NM NS ZO PS PM PB

ec

NB PM PS PS ZO ZO PB PB

NM NB NM NM NS ZO PS PM

NS NB NM NM NS ZO PS PM

ZO NB NM NM NS ZO PS PM

PS NB NM NM NS ZO PS PM

PM NB NM NM NS ZO PS PM

PB PM PS PS ZO ZO PB PM

（8）ΔH =Ｒθ，

式中：y 为所给脉冲数；y 0为电动机转1圈所需的脉冲数，设定为10000；l 为调节螺栓的进给量；P 为螺栓的螺距，为1mm ；H 为CCD 上光线的实际位置；λ为螺栓的进给损失系数，值为0. 025；r 为激光头凹5. 2mm ；θ为光线转动的角度；Ｒ为CCD 之槽半径，间的间距，为2. 5m ；ΔH 为线阵CCD 上光线所移动的距离．

通过拉氏变换得到水平度控制对象的传递函

2

，数为利用Matlab /Simulink软件仿真光线

38. 4s +1系统中各参数的采样周期为水平度调节过程，

0. 5s ，延时时间为2s ，仿真时间为100s．光线调节模糊PID 控制的阶跃响应曲线如图7所示，图中d 为光线在CCD （左）上的位置

．

［13］

表4ΔK D 的模糊控制规则表

Tab．4Fuzzy control rule table of ΔK e NB NM NS ZO PS PM PB

ec

NB PS PB PB PM PS ZO ZO

NM PS PB PM PM PS ZO ZO

NS PB PB PM PS ZO NS NM

ZO PM PS PS ZO NS NM NB

PS PM PS ZO NS NS NM NM

PM ZO ZO NS NS NM NM NB

PB ZO ZO NS NM NM NB NB

光线调节中模糊PID 控制器2个输入量为CCD （左）反馈值H 左和H 左的变化率，它们都是连续的实数，乘以量化因子后输入到控制器中．在实际调

H 左的物理论域为（0，35）mm ，H 左的变化率节中，

2）mm /s，的物理论域取（－2，引入量化因子k e 和k ec ，使物理论域（连续量）映射模糊论域（离散量）．2n 2n 2ˑ 6==0. 34，k e =（3）=

e c 1－c 235－0

k ec =

2ˑ 62n ==3．ec 2－（－2）

（4）

图7模糊PID 控制阶跃响应曲线Fig．7Fuzzy PID control step response curve

3试验验证

经过模糊逻辑推理后，输出在模糊PID 控制中，

的是模糊集合，还需将模糊量转化为精确量，其目的在于把模糊集合换算为一个清晰值，采用重心法得到控制量u 作为精确值控制电动机转动．

n

系统控制软件用Visual C ++作为开发工［14］

光线调节系统每次线阵CCD 输出信具．试验中，

号采集的时间间隔为0. 5s ，并将每次调节后得到的

位置误差输入至上位机中，在软件界面上对CCD 的反馈值进行采集，图8所示为光线水平度调节中CCD （左）的反馈值H 左随时间的变化量．

H 左的起始位置为3mm ，基准位置为25mm．由图8可知，起始时刻光线处在偏离基准位置的状态，通过模糊PID 控制器的闭环控制，经过15s 左右，光线被调节到误差范围内，实现了光线自动调节．

u =

u i A （u i ）∑i =1

n

，（5）

A （u i ）∑i =1

式中：u i 为论域u 的第i 个元素；A （u i ）为论域u 上

求，证明所设计的激光投线仪光线调节系统能够满

足设计要求．

4

图8模糊PID 控制的试验数据采集Fig．8Experimental data of fuzzy PID control

结论

1）针对传统激光投线仪光线调节方式的不足，利用伺服电动机与线阵CCD 相结合，设计了一套适用于激光投线仪光线调节的系统，很好地解决了传统光线调节存在的精度值难以量化以及人为因素影响大的问题，并实现了自动调节的目的，大大降低了劳动强度．

2）针对激光投线仪光线调节需要快调节速度、高调节精度和调节过程必须具备较好的动态平衡性能，设计了一种基于模糊PID 控制的光线自动调节方法，仿真与试验结果表明，光线经过该激光投线仪光线调节系统调节后，光线的水平度与垂直度都满足精度要求．

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试验中采用的光线校准标准是激光投线仪出

厂所表明的精度指标，如表5所示，通常以5m 距离时光线的偏差值表示水平和垂直方向精度，以90ʎ 时光线偏差角度表示正交方向精度．

Tab．5

表5激光投线仪校准的精度指标

Precision index of laser demarcation device

校准项目水平方向垂直方向正交方向

激光投线仪精度

ʃ 1mm ʃ 1mm ʃ 40ᵡ

使每条光线对激光投线仪各条光线进行调节，

的位置和角度都满足精度要求，调节前与调节后激光投线仪的光线投影如图9所示

．

Fig．9

图9调节前后的光线投影

Light projection before and after adjustment

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在试验中调节10台激光投线仪机芯的激光线的水平度与垂直度，经过光线调节系统调节激光线后，利用厂商提供的光线检测平台进行各项精度的测试，测试结果如表6所示．表中A H 为水平精度，A V 为铅垂精度，A o 为正交精度．

表6光线调节后的精度值

Tab．6Precision values after adjustment

机芯编号

[1**********]

A H /mm－0. 3－0. 20. 30. 50. 40. 30. 20. 4－0. 10. 1

A V /mm0. 30. 30. 20. 30. 5－0. 10. 20. 20. 3－0. 2

A o /（ᵡ ）[***********]21

10台样机都达到了精度要由测试结果可知，

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