第二章 - 智慧型系統實驗室.doc

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1、機械工程實驗III–第一章第一章量測與控制之簡介1-1前言消除感官錯覺最好的方式為量測、計數以及稱量。經由這些行為即可擺脫感官之控制。我們可以不再將眼光侷限在大小、數目及重量所造成的主觀印象上，而是在於計算、量測及稱量。所以量測是人類對自然界中物質或現象予以量化的經過，經由這個數量化的過程，我們才能對「數量」或「大小」得到較準確的認識，並能有較客觀且準確的描述。而自從人類有了「數」的觀念並藉此建立其「權衡」標準之後，「量測」這一客觀、通識又能計量的觀察配合著邏輯的思考，乃逐漸形成了自然科學與知識的根源。控制工程是一種以自動控制理論為基礎，結合電子、機械、感測等技術，

2、為了達到控制的目地而發展出來的系統理論與工程技術。控制工程與自動化、國防工業、航太工業、乃至於高品質的現代化生活均有著非常密切的關係，主要是因為控制工程技術可用來整合不同學門的應用技術，同時又提供了系統工程的理論基礎。在實際應用方面例如在工業自動化的機器人、無人搬運車、自動倉儲等；在國防科技如飛彈導控、火炮射控系統、魚雷導控等；在電腦產業上如磁碟機、光碟機、印表機的伺服控制、高品質電源供應器的穩壓控制等；在航太工業如飛機自動駕駛導航、人造衛星定點與姿態控制等；在民生家電消費工業如高效率智慧型電鍋、洗衣機、冷氣機、照相機、攝影機等的控制技術；在民生產品上如電梯、火車、

3、空調、照明等的自動控制。此外如目前蓬渤發展的智慧型控制，更結合了模糊理論、類神經網路與大型積體電路技術而應用至工業控制與多種民生消費電子產品，這些應用涵蓋現代生活的各個層面，小至自動照相機大至磁浮火車的自動控制，但基本上都可以說是結合電機、機械與其它相關學門的整合性的應用成果[1]。1-2測量的重要性60機械工程實驗III–第一章由於人類的發展和人類量測的能力息息相關，社會的發展促使對量測能力和標準的需求日增；量測能力和標準的改進也可奠定社會發展的良好基礎，這種情況在現代化的工業社會尤其顯著。世界各地零件、產品的製造，必須使用嚴格的標準；經過嚴格的量測，才能保證不同

4、零件和產品的可容性，達到大量製造、國際分工的可能。各實驗室的研究成果，必須使用嚴格的標準，才能溝通。商業上的交易，必須有適當的量測、適當的標準，才能維持其公平合理。至於醫療衛生、環保監視等，沒有可靠之計量，甚至影響到人身的安全與健康；所以為了人類發展的需要，精確計量的科技是絕對重要的一環。1-3控制系統的設計回授系統的中心元件為程序（process），它的輸出即是我們所要控制的。而控制系統的設計則需要經過多次計算與模擬。對一個已知程序而言，設計的完成包含幾個步驟，如圖1-1所示。在第一個步驟中（需求和裝置的規格），可利用簡化模型（roughmodel）來滿足需求，而

5、模型化（modeling）則需要具有程序物理性質的知識。對一個數位伺服機構而言，可分為三種不同的模型類別：非線性模型（non-linearmodels）、線性連續時間模型（continuous-timelinearmodels）、線性離散時間模型（lineardiscretemodels）。首先，對受控系統的模型結構提出假設，再經由輸入得到量測的輸出值，以及經由其它變數所推導出的模型參數。此步驟在設計過程中稱為實驗模型化（experimentalmodeling），或系統鑑別（identification）。當設計控制器時，必須經過多次的遞迴演算以符合需求，而控制演

6、算法則是以交談對話（interactivedialogue）方式來發展，而後針對操作和控制變數加以模擬，其中還必須設定幾種不同的參數，例如：狀態變數的權重因數（statevariableweightingfactors）、控制變數的上下限制（controlvariablelimits）。最後，再觀察所量測出的響應性能[2]。圖1-1控制系統的設計步驟60機械工程實驗III–第一章若控制系統的所有假設均能滿足，則即時演算法就開始致動（否則，即必須加以修正），且控制實驗可開始執行了。1-4即時控制系統（Real-timecontrolsystem）圖1-2是一個電腦即時

7、控制系統的方塊圖，此系統有六個部份：程序（process）、感測器、A/D及D/A轉換器、控制演算法（controlalgorithm），及一個時鐘；轉換器及控制演算法的運作皆由時鐘來控制，每一個訊號轉換為數位形式的時間間隔稱為取樣週期（samplingperiod,T），而時鐘每T秒供應一個時脈（apulse,clockclick,orinterrupt），A/D轉換器則在每個時脈到達時送一個數位值到電腦，控制演算法計算每一個控制變數值，並將結果送到D/A轉換器，並假設D/A轉換器可持有每個資料以定值保持一個取樣週期，這裡，每一個取樣週期的時間是固定的，另外，