控制系统简介

五、控制系統簡介

5-1 控制與系統的定義

5-2 控制系統的分類

5-3 控制系統的發展歷史

5-4 控制系統的應用

5-5 控制系統的響應特性

5-6 實例研究介紹–天線方位控制系統

5-7控制系統的設計步驟

5-1 控制與系統的定義

5-1-1 系 統

由一群元件裝置組合而成，以達到某特定之功能者稱之，例人體、社會、經濟體、機器設備…..

5-1-2 控 制

凡能依照所下達的命令，適當的操作或調整某些參數，而可達成所需要的目的或物理狀態者稱之，例水塔水位、自動門、工具機、飛機仰角…..

Figure Simplified description of a control system

5-1-3 控制的特徵

1. 控制必須有對象：即受控制的主體 (系統)，如社會、人、機器等受關心

的事物 2. 對象的狀態必須不是唯一的：受控對象可能具有多種存在的狀態空間，

即有許多反應的可能性 3. 控制要有目標：希望受控體輸出的目標(即控制能力規格的訂定)，如希

望馬達轉速於10秒內達2000 rpm

刺激輸入 反應輸出

5-1-4 控制必須考慮的限制

1.受控對象能夠承受外激的能力：

z要50 W的喇叭發出200 W的音量………………………….困難

z讓1600 cc, 1000 Kg的汽車5秒內加速至100 Km/hr………困難2.控制者本身的能力(受到當前科學發展的限制)：

z100 Kg的人一週內瘦30 Kg………………………………….困難

z以地球為系統，控制其溫度、生態…等…………………….困難

5-1-5 控制分類

1.定性控制：只能決定受控對象的物理量狀態為有或無者。

2.定量控制：能連續性的調整控制對象，使其物理量作大小的變化。

3.手動控制：控制的操作者是經由人的感覺器官及大腦的判斷，再藉由手

動方式完成控制者。

4.自動控制：控制對象本身及其附屬裝置，能自動依控制命令，使其物理

量之狀態達到目標者。

電熱器的手動控制

5-1-6 控制系統性能要求

穩：系統穩定

快：在時域反應上迅速

準：達穩態時的結果準確

5-1-7控制系統方塊圖(Block diagram of control system)

5-1-8回餽控制(feedback control)系統方塊圖

5-2控制系統的分類

開迴路馬達控制系統

閉迴路馬達控制系統

a. open-loop system;

b. closed-loop system

數位閉迴路控制系統

類比、數位控制系統的實例

塗料混合的程序控制

順序控制定義：

所謂「順序控制」基本上是利用繼電器、計數器、計時器及極限開關(limit switch)…等元件進行程序、限時及條件的控制。也就是透過預先規劃好的的動作流程、時間程序及相關開關的配置，進行各種控制，小如水塔水位、洗衣機、自動門、電梯及工作母機等的控制，大至生產線物流控制、整廠的製造程序控制…等都是常見的應用。

9. 數值控制：

數值控制(numerical control, NC)是 使用在加工機械之數位控制的一種 類型，例如車床和銑床。這些機器 能夠不需操作人員就可以自動地進 行工件切削。各個機器有各自需要 被控制的軸組或參數。

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5-3控制系統的發展歷史

1.自動控制系統的創使者–1769年瓦特發明的離心式飛球調速機。

2.1940年以前

理論尚未發展成熟，大多以試誤法來設計控制系統。

3.古典控制理論(classical control theory)

z1932年Nyquist發表以頻率響應圖決定系統穩定性的方法。

z在頻域的研究上，波德(Bode)與尼可士(Nichols)發表波德圖與尼可士圖分析。

z1948年Evans發展出特徵方程式的根隨系統參數變化的繪圖規則，可作為系統的穩定度判斷或控制器的設計依據，此法即為根軌跡法。

4.現代控制理論 (modern control theory)

z1950年代，自動控制的發展以最佳控制(optimal control)的研究為主。蘇聯的Pontryagin(1956)及美國的Bellman 與Kalman(1957)分別提出極大原理(maximal principle)及動態規劃(dynamic programming)來處理最佳控制問題。

z適應控制探討可變(調)式控制器問題。

z1965年美國數家Zadeh提出模糊數學理論，並隨後發展出以人類思維模式為控制機制的模糊控制(曼德尼, 1974)。

z結合類神經理論的智慧型控制(intelligent control)亦開始發展。

5.後現代控制理論(post modern control theory)

z在1980年後所發展出來的控制理論，如強健控制(robust control)、模糊控制(fuzzy control)等理論。

z1981年Doyle與Stein提出強健控制的觀念

5-4 控制系統的應用

b. Modern Duo-lift elevators make their way up the Grande Arche in Paris, driven by one motor, with each car counterbalancing the other. Today, elevators are fully automatic, using control systems to regulate position and velocity.

Figure

a. Early elevators

were controlled by hand ropes or an elevator operator.

Here, a rope is cut to demonstrate the safety brake, an

innovation in early

elevators; Figure

Rover was built to

work in contaminated

areas at Three Mile

Island in Middleton,

PA, where a nuclear

accident occurred in

1979. The remote

controlled robot’s

long arm can be seen

at the front of the

vehicle.