无所不在的控制技术课件

3C科技與生活授課師：林俊良 3C科技 1前言n所謂的自動控制是指利用各種儀器或感測元件量測操作程序內的變數，透過這些儀器或裝置自主地的調節，使操作程序中的量測值與目標值保持平衡。n然而在控制過程中對於誤差量的修正須適度，過與不及都無法達到目標，自動控制即在分析進而設計控制器以控制系統，不致使系統因過量修正造成不穩定，或不足的修正使其效率低落。前言所謂的自動控制是指利用各種儀器或感測元件量測操作程序內的2前言n自動控制技術的重大突破發生在二次大戰時期，因為製造武器必須面對複雜的系統，處理困難的控制問題，而雷達、無人駕駛機和自動瞄準系統都是具有回授控制機制的例子。現代控制理論甚至提供了發射第一顆人造衛星所需的技術。前言自動控制技術的重大突破發生在二次大戰時期，因為製造武器必3前言n自動控制是現實世界非常重要的一項應用理論與方法。例如n生活中的溫度(空調設備)與溼度(除濕機)調節，以提供舒適的生活空間。n製造加工過程，常須利用機械加工控制精度，以達到精度要求，如電腦數值控制(CNC)工具機或各式精密加工機械。n因此，自動控制是一項技術，可用以使系統依適當的方式完成所設定的目標。如何控制得好，使得一系統除了可達成目標外，還有良好的性能表現以及對抗干擾或環境變動的強健性(robustness)，更是一門藝術。前言自動控制是現實世界非常重要的一項應用理論與方法。4第一章自動控制的藝術：無所不在的控制技術第一章 自動控制的藝術：5一.自動控制基本原理人為操作之水位控制一.自動控制基本原理人為操作之水位控制6n自動控制的概念是衍生自人工控制，以水位控制為例，若水槽有一進水閥及出水口，在出水口適度開啟的狀況下，如要持續將槽內液面高度保持一定，只要將進水閥適度開啟，即可達成。可是如果進水水壓變動導致流入之液體量改變，就會使液面高度生變。因此操作員須不斷的監視液面高度，不斷操作閥門，以確保之。n而自動控制的目的即是希望取代人力，使機器能自行調整，以達到節省人力的效果。自動控制的概念是衍生自人工控制，以水位控制為例，若水槽有一進7(一)控制系統的組成n不論是手動控制或自動控制系統，信號(電、機械或化學反應)流動必定構成一閉迴路(closed loop)，亦即成為“因”的信號處，必定有“果”的信號回流至該處，信號流動形成一迴圈，稱為回授(feedback)。n若是系統輸出信號傳回輸入產生相減的作用稱為負回授(negative feedback)，反之為正回授(positive feedback)。(一)控制系統的組成不論是手動控制或自動控制系統，信號(8n一個完整的自動控制系統通常包含四個主要元件：u感測器(sensor)：一元件，利用各種電性原理以量測受控體反應的物理或化學量，如位置、速度、加速度、溫度、壓力、流量及液位等，量測結果通常以機械位移，壓力、水流、電流、電壓等變數代表之。u傳送器(transmitter)：一元件，將感測器測得的變數轉換成適合於傳送的信號，如電流 或電壓信號。一個完整的自動控制系統通常包含四個主要元件：感測器(sen9u控制器(controller)：一硬體，通常以電子電路、電腦或微處理器實現之，將測量的控制變數與參考命令(reference command)相比較而產生與誤差對應的控制信號，以行使必要的修正動作。u致動器(actuator)：一元件，通常為機械型式，一般調節操作量的最後致動機構以控制閥(control valve)居多，控制閥的開度與所接受電流、水流或空氣壓力等控制信號的大小對應。控制器(controller)：致動器(actuator)10(二)近代史上第一個自動控制系統瓦特(James Watt)近代史上，第一個出現的自動控制系統是瓦特(James Watt)於1789年針對蒸氣引擎所發明的離心式的飛球調速機(centrifugal flyball governor)，利用控制進入引擎的蒸氣流量來決定引擎的轉速。當重錘快速旋轉，在離心力作用下，會往外飛，帶動套筒，關上閥門；反之，就會產生相反的動作打開閥門。該蒸氣機轉速可預先設定，當飛球離心力和彈簧力平衡時，引擎轉速就會趨於穩定。這是回授控制的一種基本應用。(二)近代史上第一個自動控制系統瓦特(James Wat11瓦特發明的飛球調速機瓦特發明的飛球調速機12n水位控制系統在工、農業生產以及日常生活應用中，常常會需要對容器中的水位進行自動控制。例如自動控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量，生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器等。(三)自動控制系統實例水位控制系統在工、農業生產以及日常生活應用中，常常會需要對容13u機電控制式水位控制若浮球浮力不足以驅動控制水閥時，可以在檢測機構與閥門控制之間增加一套機電控制驅動裝置，具體控制過程為：l檢測機構的位移先去帶動一個位移開關的動作l位移開關控制電機的轉動l電機驅動水閥門機電控制式水位控制若浮球浮力不足以驅動控制水閥時，可以在檢測14u全機械結構的水位控制方式 抽水馬桶(a)結構圖(b)功能方塊圖抽水馬桶是最典型的全機械結構的水位控制系統全機械結構的水位控制方式 抽水馬桶(a)結構圖(b)功能15n當使用者沖水時，扳動放水開關，放水開關通過鍊條將出水塞拉起，水箱的水就會放出。水流出後，出水塞落下，堵住出水口。此時，浮球也因水面下降而落下。而浮球的下落，帶動槓桿將進水塞拉起，將水引進水箱。隨著水面上升，浮球也因浮力逐漸升高，直至通過槓桿將進水塞壓下，堵住進水口。這樣水箱內又可盛滿水，等待下次的使用。n抽水馬桶系統中，水箱是受控體，槓桿機制相當於控制器，浮球相當於感測器，連桿、出水塞和進水塞如同致動器，水位y是受控體的輸出變數，參考命令r是滿水位。當使用者沖水時，扳動放水開關，放水開關通過鍊條將出水塞拉起，16n溫度控制系統溫度控制系統把在電暖爐上所測得的溫度，作類比轉數位的動作，再將所得到的數位資料透過一個介面設備來控制，若此溫度與預設溫度有差異，則控制器會發送一訊號經由一介面裝置、放大器與繼電器給加熱器來得到想要的溫度。溫度控制系統溫度控制系統把在電暖爐上所測得的溫度，作類比轉數17n機械手臂控制機械手臂的研究發展已行之有年，而機械手臂最關鍵之特性在於其高度非線性之物理現象，從最基本的座標系統建立、連桿運動學、動力方程式推導、乃至於路徑規劃及位置、速度等等的控制均呈現高皆非線性現象。u五軸機器手臂架構：目前在工業界的機械人或機械手臂大都擁有類似人類特性的可程式化控制機器。一般而言組成機器手臂皆具備兩大主體，分別是機械結構與控制系統。水平關節式結構關節手臂式結構極座標式結構圓柱式結構直角座標式結構非伺服伺服機械結構分為控制系統分為機械手臂控制機械手臂的研究發展已行之有年，而機械手臂最關鍵之18n新世代移動輔具 新世代移動輔具-席格威(Segway)http:/ Kamen)與DEKA公司團隊發明。席格威的運作原理主要是建立在動態穩定(dynamic stabilization)的基本原理上，類似於倒單擺(inverted pendulum)的平衡原理。新世代移動輔具 新世代移動輔具-席格威(Segway)席格威19nSegway靠內置的陀螺儀(gyroscopes)判斷車身所處的姿勢，透過中央微處理器計算適當命令後，驅動馬達達成縱向平衡效果。n因此，駕駛人只要改變自己身體的角度往前或往後傾，賽格威就會根據傾斜的方向前進或後退，而速度則與駕駛人身體傾斜的程度呈正比。此外，駕駛者可以扭轉把手控制旋扭，使車輛兩輪產生轉速差，產生轉彎的效果。Segway靠內置的陀螺儀(gyroscopes)判斷車身所20n陀螺儀(Gyroscope)主要是由一個位於軸心可以旋轉的輪子構成。它是一種基於角動量不滅理論設計出來感測與維持方向的裝置。陀螺儀一旦開始旋轉，由於輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向，一般用於導航、定位等用途上。現在陀螺儀已不限於機械性旋轉體，大部份為雷射及光纖製作的固態迴轉儀。固態陀螺儀陀螺儀(Gyroscope)固態陀螺儀21nU3-X 是部單輪車其自動平衡與操控原理近似於Segway，它採用了世界上第一個全方位驅動輪系統，大車輪的上面佈有許多小型車輪且比Segway重量更輕、外型更巧、行動力更強。U3-X 内建有一自動平衡系統，因此騎座者完全不需擔心落下的問題。另類移動工具-Honda U3-Xhttp:/ U3-X 是部單輪車其自動平衡與操控原理近似於Segway，22n混合動力車混合動力車輛使用超過一種能源。現時生產的通常由電動機及內燃機發動，由一個或多個電動機推動車輛，內燃機則負責為電池充電，或者在需要大量推力直接提供動力。而純電力推動的車輛則要定時接上外部的電源充電。u優點 l 能有效節燃消耗，減低空氣污染，且無續航足問題。l 需用的電瓶容較純電動小，電瓶可小型輕化，充電態的管理較為 容易，價格也較為宜。l 沒有充電耗時及充電設備足的問題。l 和電動一樣，可以回收減速時的能源。l 具有暫停引擎怠速運轉的功能。l混合動系統構成複雜，維修困難。l價格較汽油昂貴。l相較於電動，仍有廢氣排放的問題。u缺點混合動力車混合動力車輛使用超過一種能源。現時生產的通常由電動23Lexus LS600h(394+44 hP)Lexus LS600h(394+44 hP)24Toyota Prius油電混合車(a)外型，(b)雙動力傳輸及儲存(a)(b)Toyota Prius油電混合車(a)外型，(b)雙動力25n智慧型居家電力管理系統將太陽能和市電結合，合作供電，是一種極為環保的概念。將二者結合的居家供電系統也是自動控制技術可以充分運用的平台。智慧型居家電力管理系統將太陽能和市電結合，合作供電，是一種極26n一般來說，太陽能光電板(photovoltaic array，PV)的輸出功率與日照強度成正比，與溫成反比，此外，輸出功率隨著輸出電壓而改變，而在某一輸出電壓可得到最大輸出功率。這一點稱為最大功率點(maximum power point;MPPT)，此時產出能量最大。利用自動控制的技術，可以讓太陽能電池工作在最大功率點，讓電能儲存於蓄電池。蓄電池的電壓轉換為交流電後，將其與一般市電結合供給家庭各項電器使用。夜晚時以市電供電為主，蓄電池白天蓄積之電能作為輔助能源。无所不在的控制技术课件27n商業行為之應用自動控制的概念不只用於工程科技也可運用於及經濟學和社會學。甚至還有學者將控制的抽象概念延伸到公共政策的詮釋。u估測理論(estimation theory)是自動控制學理中的一門分支，其中最重要的一種概念就是卡爾曼濾波器(Kalman filter)，它不是具象的電子線路或其他有形的硬體，實質上是一種遞迴(recursive)演算法,它能夠從一系列不完全及包含雜訊的量測資訊中，估計動態系統的狀態。雷達的偵測就是一個很好的例子。商業行為之應用估測理論(estimation theory)28二.自動控制系統的架構n控制工程的基礎是建立在線性系統的分析與設計上。基本上，一般線性系統控制都是以開迴路(open-loop control)和閉迴路控制(closed-loop control)系統的架構介紹啟始，繼之解析控制系統的理論。(一)開迴路與閉迴路系統u開迴路控制系統優點：(1)結構簡單，系統建構成本較經濟。(2)無閉迴路穩定性問題。缺點：(1)輸出結果不能自行修正，追蹤誤差無從修正。(2)控制精度和抑制干擾的能力差，對系統特性變化較敏感。Ex:傳統汽車空調系統 二.自動控制系統的架構控制工程的基礎是建立在線性系統的分析與29u閉迴路控制系統優點：(1)增加準確性：可改善輸出誤差。(2)控制干擾的影響:較不受外來干擾的影響，且可改善系統的響應特性。(3)降低系統靈敏度:使系統對於元件特性變化較不敏感。(4)增進穩定性和頻寬:回授增益若選擇適當，可增進系統穩定性及加快反應速度。缺點：(1)控制增益選擇不當可能導致系統的不穩定。(2)增加系統複雜性，價格較昂貴，結構複雜，不易維護。Ex:自動汽車空調系統(ACC)閉迴路控制系統優點：30三.典型控制器的運作原理馬克斯威爾(James Clerk Maxwell)雖然，1789年瓦特發明了飛球轉速控制器，但直到1868年著名的物理學家馬克斯威爾(James Clerk Maxwell)發表了飛球轉速控制器的數學理論，才奠定了控制理論的雛形。三.典型控制器的運作原理馬克斯威爾(James Clerk 31nPID控制器 u開關式控制u比例控制u比例積分控制u比例微分控制u比例積分微分控制為了達到良好的控制，控制系統必須是(1)誤差小(2)穩定(3)反應快。比例積分微分控制又稱PID控制，是藉積分作用消除穩態誤差，而微分控制縮小響應超越量(overshoot)加快反應，綜合PI與PD控制的優點，去無其缺點的控制。PID控制器開關式控制為了達到良好的控制，控制系統必須是(132四.新世代自動控制系統n智慧型控制的主要目的是模仿人腦進行決策(decision making)、調適(adaptation of uncertain media)、自我組織(self-organizing)、規劃(planning)、排程(scheduling of operation)等功能，產生最適宜的控制決策。一般泛指之智慧型控制包含下列幾類：模糊邏輯控制 FI(fuzzification interface)：模糊化介面DML(decision making logic)：決策邏輯KB(knowledge base)：知識庫DFI(defuzzification interface)：解模糊化介面四.新世代自動控制系統智慧型控制的主要目的是模仿人腦進行決策33類神經網路 根據人類腦神經系統的簡化模式，以一種程式架構，透過反覆學習的程序，模仿人腦學習及推論的功能。進化演算 模擬生物自然演化過程的數值搜尋演算法，主要運用於求解最佳化問題和機器學習(machine learning)等。l基因演算法(genetic algorithm;GA)l進化策略(evolution strategy;ES)、l進化規 劃(evolution programming;EP)l粒子群最佳化(particle swarm optimization;PSO)類神經網路 根據人類腦神經系統的簡化模式，以一種程式架構，透34專家系統結合特定領域的專家知識並複製其決策行為。它可被視為是一種知識庫(knowledge base)與專家智慧結合的機制，例如，醫師看診、儀器維修工程師診斷儀器故障等行為均屬之。知識庫系統一種可進行推演的程式機制，其性能良窳取決於資料庫的資料儲存量而非特殊的演算程序。它可被視為是一種資料庫系統與特定程序(非智慧型演算程序)結合的機制，例如，增益排程系統(gain scheduling system)等。專家系統知識庫系統35五.結語n科技不斷發展下，為了使人類生活上更便利，自動控制的研究也不斷朝向人性化、便利化、簡易化、智慧化的目標邁進，目前自動控制科技的發展已朝向機電、資訊、通訊、生化、醫工等跨領域整合，幾乎結合所有應用科學知識與技術。n而自動控制學理與其他很多學科有所關聯，尤其是數學和信號處理，在結構、製造、機器人、航太、交通、系統生物，以及經濟學，社會學中的應用也非常廣泛，而一般產業實務上的應用上更是比比皆是，可以說，現代人的生活和自動控制科技脫離不了關係，甚且更為緊密。n因此，未來自動控制科技的發展更應朝向產品體積微小化，不僅攜帶方便而且減少能源消耗，更人性化，使操作者更為方便，更智慧化，以減輕操作者的負擔，符合新人類的需求。五.結語科技不斷發展下，為了使人類生活上更便利，自動控制的研36