[发明专利]一种基于复合PID的质心调节机构及调节方法

权利要求书

1.一种基于复合PID的质心调节机构，其特征在于包括装在六自由度气浮台(1)上的三组质心调节机构(2)、步进电机驱动器(3)和倾角传感器(4)；

六自由度气浮台(1)的姿态平台包括两层，分别为负载下台面和负载上台面，负载下台面和负载上台面之间通过支撑结构连接；质心调节机构(2)包括丝杠(5)、质量块(6)、步进电机(7)和底座(8)；

质量块(6)上有螺纹通孔，套在丝杠(5)上且与丝杠(5)匹配，三个丝杠(5)的一端均通过轴承与底座(8)连接，三组质心调节机构(2)的三个丝杠(5)分别与六自由度气浮台的姿态平台坐标系的三轴平行，三组质心调节机构(2)固定于负载上台面上，步进电机(7)安装在负载上台面上，步进电机驱动器(3)控制步进电机(7)工作，驱动丝杠(5)转动，从而使得质量块(6)沿丝杠(5)移动；倾角传感器(4)装在所述姿态平台上，用于采集六自由度气浮台(1)姿态平台的倾斜角度；

三组正交质心调节机构(2)通过移动各个方向上调节机构上的质量块(6)相对气浮台(1)各个方向上转动中心的相对位置关系，改变气浮台(1)各个方向上质心相对气浮台(1)转动中心的偏移量，从而保证对气浮台(1)转动中心和质心的重合；

所述六自由度气浮台的姿态平台坐标系是指：原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定。

2.一种基于权利要求1调节机构实现的基于复合PID的质心调节方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立六自由度气浮台的姿态平台坐标系，原点O为姿态平台的质心，Y轴过质心且垂直于负载上台面，X轴过质心且垂直于Y轴，Z轴由右手定则确定；

(2)对X轴方向进行PID调节，X轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在X轴方向的分量进行二阶差分计算，得到X轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的X轴分量，将当前角度值的X轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；

速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述X轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；

速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在X轴方向的移动控制量；

(3)对Y轴方向进行PID调节，Y轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Y轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Y轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Y轴分量，将当前角度值的Y轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；

速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Y轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；

速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Y轴方向的移动控制量；

(4)对Z轴方向进行PID调节，Z轴方向控制回路包括位置环和速度环，对倾角传感器返回来的角度值在Z轴方向的分量进行二阶差分计算，得到Z轴角速度值；位置环的输入就是当前角度值的Z轴分量，将当前角度值的Z轴分量与姿态平台的标定角度值进行比较求得差值后在位置环做PID调节；

速度环的输入为位置环PID调节后的输出，将所述位置环PID调节后的输出与所述Z轴角速度值进行比较求得差值后在速度环做PID调节；

速度环做PID调节之后的输出值即为质量块的在Z轴方向的移动控制量；

(5)针对X轴、Y轴和Z轴的移动控制量，对步进电机按如下方式进行控制，从而调整质量块的位置，完成六自由度气浮台质心的调节：

X轴：

如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且X轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；

如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且X轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；

如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置X轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；

Y轴：

如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Y轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；

如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Y轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；

如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Y轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒；

Z轴：

如果姿态平台的倾斜角度大于0.1°且Z轴角加速度值为正，则说明此时的正向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、控制周期为500毫秒；

如果姿态平台的倾斜角度小于-0.1°且Z轴角加速度值为负，则说明此时的负向倾斜角比较大，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为1转/秒、定时器周期为500毫秒；

如果姿态平台的倾斜角度在±0.1°之间，步进电机驱动器设置Z轴上的步进电机的转速为0.1转/秒、定时器周期为100毫秒。