2015/6/21 introduction ( 導論 ) chapter 本章目的 1. 控制系統是什麼。 2....

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Introduction (Introduction ( 導論導論 ))CHAPTER

本章目的本章目的

1. 1. 控制系統是什麼。控制系統是什麼。2. 2. 控制系統的重要性為何。控制系統的重要性為何。3. 3. 控制系統的基本組件是什麼。控制系統的基本組件是什麼。4. 4. 控制系統的一些應用實例。控制系統的一些應用實例。5. 5. 為何大多數的控制系統需要回授。為何大多數的控制系統需要回授。6. 6. 控制系統的型式。控制系統的型式。

控制系統充斥於現代文明之中控制系統充斥於現代文明之中

產品品質管制、自動裝配線、工具機控制、太空技術與產品品質管制、自動裝配線、工具機控制、太空技術與武器系統、電腦控制、運輸系統、動力系統、機器人、武器系統、電腦控制、運輸系統、動力系統、機器人、微電機系統微電機系統 (MEMS)(MEMS) 、奈米科技與其它、奈米科技與其它

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控制系統的基本組件控制系統的基本組件 1. 1. 控制的目標。控制的目標。2. 2. 控制系統組件。控制系統組件。3. 3. 結果或輸出。結果或輸出。

圖圖 1-1 1-1 控制系統的基本組件控制系統的基本組件

目標 (objectives) 就是輸入 (inputs) 或激勵訊號 (actuating signals) u，而結果就是輸出 (outputs) 或受控變數 (controlled variables) y。

導論導論 CHAPTER

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控制系統應用實例控制系統應用實例

※ ※ 汽車的惰速控制汽車的惰速控制

※ ※ 工業用縫紉機工業用縫紉機

※ ※ 太陽能搜集器的循跡控制太陽能搜集器的循跡控制

※ ※ 汽車的駕駛控制汽車的駕駛控制

※ ※ 智慧型機器人智慧型機器人……....

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※ ※ 汽車的惰速控制汽車的惰速控制兩個主要目標是︰兩個主要目標是︰ (1) (1) 當引擎負載發生時，速率下降的情形會消除或降至最當引擎負載發生時，速率下降的情形會消除或降至最低程度。低程度。 (2) (2) 維持引擎惰速於一定值。維持引擎惰速於一定值。

圖圖 1-2 1-2 惰速控制系統惰速控制系統

節氣閥角度節氣閥角度及負載轉矩及負載轉矩 TTLL ( ( 係由冷氣、動力方向、係由冷氣、動力方向、傳動，或動力剎車等造成傳動，或動力剎車等造成 ) ) 是輸入，引擎速率是輸入，引擎速率則為則為輸出，而引擎為受控制程序輸出，而引擎為受控制程序或系統。或系統。

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※ ※ 工業用縫紉機工業用縫紉機

圖圖 1-3 1-3 工業用縫紉機工業用縫紉機

理想速度曲線理想速度曲線在圖中在圖中 A A 點不應點不應有速度超越量，而有速度超越量，而 B B 點則不能有速度點則不能有速度過低的現象。加速過低的現象。加速時間時間 ttaa ，減速時間，減速時間 ttbb ，和位置搜尋時，和位置搜尋時間間 ttpsps 都應愈短愈都應愈短愈好。當機器抵達停好。當機器抵達停止點止點 CC 時，不應時，不應有有 (( 或只能有很小或只能有很小 ) ) 振盪現象發生。振盪現象發生。

圖圖 1-4 1-4 工業用縫紉機在一個啟動工業用縫紉機在一個啟動 -- 停止週期內之理想速度曲線圖停止週期內之理想速度曲線圖

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圖圖 1-5 1-5 太陽能搜集器太陽能搜集器

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利用太陽能抽取地下水的示意圖利用太陽能抽取地下水的示意圖


在白天，藉在白天，藉著太陽能搜著太陽能搜集器得來的集器得來的電力把地下電力把地下水抽到水庫水抽到水庫中中 (( 水庫可水庫可能是在山邊能是在山邊 )) ；；清晨再利用清晨再利用水庫的水來水庫的水來灌溉。灌溉。

圖圖 1-6 1-6 用太陽能抽取地下水之示意圖用太陽能抽取地下水之示意圖

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※ ※ 太陽能搜集器的循跡控制太陽能搜集器的循跡控制太陽追蹤系統的示意圖以及一些重要組件太陽追蹤系統的示意圖以及一些重要組件

圖圖 1-7 1-7 太陽追蹤控制系統的重要組件太陽追蹤控制系統的重要組件

基本原基本原理是利理是利用感測用感測到的太到的太陽轉速陽轉速來確認來確認實際的實際的位置誤位置誤差，以差，以修正預修正預設的馬設的馬達轉速。達轉速。

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※ ※ 開迴路控制系統開迴路控制系統 (( 非回授系統非回授系統 ) )

圖圖 1-8 1-8 開迴路控制系統之元件圖開迴路控制系統之元件圖

開迴路系統較經濟但通常較不準確

控制器可能是一個放大器、機械鏈、濾波器或其它控制元件，控制器可能是一個放大器、機械鏈、濾波器或其它控制元件，依系統的性質而定。在更複雜的系統中，控制器可能是一部電依系統的性質而定。在更複雜的系統中，控制器可能是一部電腦或微處理機。腦或微處理機。

控制效果不夠精確，適應性也降低。控制效果不夠精確，適應性也降低。

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※ ※ 閉迴路控制系統閉迴路控制系統 (( 回授控制系統回授控制系統 ) )

閉迴路惰速控制系統閉迴路惰速控制系統

圖圖 1-9 1-9 閉迴路惰速控制系統的方塊圖閉迴路惰速控制系統的方塊圖

引擎惰速控制的目的是將系統輸出維持在某一設定值，這類系統稱為調節器系統 (regulator system) 。

具有一個或多個回授路徑具有一個或多個回授路徑的系統稱之為閉迴路系統的系統稱之為閉迴路系統 (closed-loop system)(closed-loop system) 。。

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※ ※ 閉迴路控制系統閉迴路控制系統 (( 回授控制系統回授控制系統 ) )

開迴路與閉迴路惰速控制系統響應的比較開迴路與閉迴路惰速控制系統響應的比較

圖圖 1-10 (a) 1-10 (a) 開迴路惰速控制系統的典型響應開迴路惰速控制系統的典型響應 (b) (b) 閉迴路惰速控制系統的典型響應閉迴路惰速控制系統的典型響應

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※ ※ 何謂回授及其影響為何？何謂回授及其影響為何？

當有一序列因果關係當有一序列因果關係 (cause-and-effect relationships) (cause-and-effect relationships) 存在於某系統的許多存在於某系統的許多變數之間時，則回授存在。變數之間時，則回授存在。

※ ※ 簡單回授系統的結構簡單回授系統的結構

圖圖 1-11 1-11 回授系統回授系統

系統的輸入 - 輸出關係

(1-1)

rr 是輸入訊號，是輸入訊號， yy 是輸出訊是輸出訊號，號， ee 是誤差訊號，而是誤差訊號，而 bb 是回授訊號；參數是回授訊號；參數 GG 和和 HH 可視為定值的增益。可視為定值的增益。

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負迴授放大器（ negative feedback amplifier ）

改善穩定度 (stability) 、頻率響應 (frequency response) 及加強電路的強健性（ robustness)

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※ ※ 回授對全級增益的影響回授對全級增益的影響回授可能在某一頻率範圍增加系統增益值，而在另一頻率範圍降低回授可能在某一頻率範圍增加系統增益值，而在另一頻率範圍降低之之

※ ※ 回授對穩定度的影響回授對穩定度的影響

圖圖 1-12 1-12 具有兩個回授迴路的回授系統具有兩個回授迴路的回授系統

一個系統若無法一個系統若無法控控制輸出就是不穩制輸出就是不穩定定系統系統回授可增進或破回授可增進或破壞壞穩定度穩定度GHGH = = 1 1 並不是造成並不是造成不穩定的唯一條件不穩定的唯一條件

(1-2)(1-2)

GHGH = = 1 1 而使得內迴而使得內迴路回授系統不穩定，路回授系統不穩定，整個系統卻可適當選整個系統卻可適當選擇外迴路之回授增益擇外迴路之回授增益 FF 使其成為穩定。使其成為穩定。

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※ ※ 控制系統應對參數的靈敏度控制系統應對參數的靈敏度

變化量的百分比變化量的百分比

G

M

GG

MMS MG

/

/(1-3)

GHM

G

G

MS MG

1

1(1-4)

回授可增加或降低回授可增加或降低系統靈敏度系統靈敏度

圖圖 1-11 1-11 回授系統回授系統

對開迴路系統而言，因對開迴路系統而言，因 1M

GS ，系統增益會以，系統增益會以

一對一的方式反應一對一的方式反應 GG 的的改變。改變。在實際應用上，因 GH 是頻率的函數，1 + GH 的值在某些頻率範圍會小於 1 。

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※ ※ 回授對外界干擾或雜訊的影響回授對外界干擾或雜訊的影響圖圖 1-13 1-13 具雜訊的回授系統具雜訊的回授系統

1) 若無回授 H = 0 ，由 n 單獨作用時的輸出 y 為 : (1-5)

2) 假定有回授存在，由 n 單獨作用所引起的系統輸出為 : (1-6)

回授可降低雜訊的影響回授可降低雜訊的影響

回授會影響頻帶寬度，阻抗，暫態和頻率響應回授會影響頻帶寬度，阻抗，暫態和頻率響應

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※ ※ 回授控制系統的種類回授控制系統的種類

1) 連續資料 (continuous-data) 或離散資料 (discrete-data) 系統 2) 調變 (modulated) 或未調變 (unmodulated) 系統

由分析和設計的觀點 :

由系統訊號型式觀點 :

1) 線性 (linear) 或非線性 (nonlinear)2) 時變 (time-varying) 或非時變 (time-invariant)

大多數真實的控制系統都具大多數真實的控制系統都具有某些程度的非線性特質有某些程度的非線性特質

以系統的主要功用來分類以系統的主要功用來分類 : : 例如：位置控制系統 (position-control system) 和速度控制系統 (velocity-control system) 等

以其所控制的輸以其所控制的輸出變數來分類出變數來分類

※ ※ 線性和非線性控制系統之對比線性和非線性控制系統之對比嚴格而言，線性系統實際上並不存在嚴格而言，線性系統實際上並不存在大多數真實的控制系統都具有某大多數真實的控制系統都具有某

些程度的非線性特質些程度的非線性特質

非線性系統並無通用性解法非線性系統並無通用性解法

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※ ※ 非時變和時變系統之對比非時變和時變系統之對比一個系統在操作時，其系統參數不會隨時間而變，此系統即稱為非時變系統。一個系統在操作時，其系統參數不會隨時間而變，此系統即稱為非時變系統。

大部份的真實系統，其元件的特性多少會隨時間而改變成漂移。大部份的真實系統，其元件的特性多少會隨時間而改變成漂移。

如馬達、導如馬達、導向飛彈控制向飛彈控制

系統系統

※ ※ 連續資料控制系統連續資料控制系統若訊號在系統的各個部份都是連續時間變數若訊號在系統的各個部份都是連續時間變數 tt 的函數，的函數，則稱此系統為連續資料系統。則稱此系統為連續資料系統。

交流或直流訊號交流或直流訊號

交流控制系統通常是指系統中的訊號經某種調變方式加以調變交流控制系統通常是指系統中的訊號經某種調變方式加以調變

直流控制系統則非指系統中的所有訊號都是單一方向的直流控制系統則非指系統中的所有訊號都是單一方向的

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※ ※ 閉迴路直流控制系統閉迴路直流控制系統

圖圖 1-14 1-14 典型的直流閉迴路控制系統示意圖典型的直流閉迴路控制系統示意圖

直流控制系統只是意謂著訊號未經調變直流控制系統只是意謂著訊號未經調變

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※ ※ 典型交流控制系統典型交流控制系統

圖圖 1-15 1-15 典型的交流閉迴路控制系統示意圖典型的交流閉迴路控制系統示意圖

系統中的訊號被調變，亦即以交系統中的訊號被調變，亦即以交流載波訊號來做資訊的傳輸。流載波訊號來做資訊的傳輸。

交流控制系統的典型元件有交流控制系統的典型元件有同步器、交流放大器、交流同步器、交流放大器、交流馬達、陀螺儀、加速規等。馬達、陀螺儀、加速規等。

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※ ※ 離散資料控制系統離散資料控制系統其訊號在系統的某處或多處是以脈波序列或數位碼的形式出現稱之。

離散資料控制系統可細分為取樣資料控制系統和數位控制系統兩種。離散資料控制系統可細分為取樣資料控制系統和數位控制系統兩種。

※ ※ 取樣資料系統的工作原理取樣資料系統的工作原理

將一個連續的輸入訊號將一個連續的輸入訊號 rr((tt) ) 加於系統中，誤差訊號加於系統中，誤差訊號 ee((tt) ) 以取樣裝置以取樣裝置 (( 取樣取樣器器 ) ) 加以取樣，而取樣器的輸出是一序列的脈波。加以取樣，而取樣器的輸出是一序列的脈波。

數位控制系統不易受雜訊干擾數位控制系統不易受雜訊干擾

圖圖 1-16 1-16 取樣資料控制系統方塊圖取樣資料控制系統方塊圖

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※ ※ 導向飛彈自動駕駛系統的基本組件導向飛彈自動駕駛系統的基本組件

圖圖 1-17 1-17 導向飛彈的數位自動駕駛系統導向飛彈的數位自動駕駛系統

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