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應用模糊-滑動平面控制器於氣壓伺服系統之研究 班級：四自控四甲 組別：第七組 姓名：游仕帆 49012004 蕭友德 49012057 潘建瑋 49012058 目錄 摘要 (一)系統架構 (二)氣壓缸位置控制 (三)氣壓缸馬達轉速控制 (四)比例方向控制閥 (五)模糊控制理論 5-1模糊-滑動平面控制理論 5-2氣壓缸定位PID控制 5-3位置迴路控制 5-4伺服閥控制氣壓缸位置系統 (六)模糊邏輯控制應用實例 摘要： 氣壓系統為一高度非線性且時變的系統，系統參數常隨著 氣體的可壓縮性、使用環境、溫度、外界干擾而改變，但因其 具有清潔、可在高溫環境下作業及易於維護的優點，故仍被廣 泛地應用於工業界。尤其在自動化機械中，氣液壓系統扮演著 重要的角色，例如搬運機械、煞車、工具機、飛機、船舶、太 空梭、大型遊樂設施等，都能發現氣液壓系統的應用實例。因 目前工業界中應用的氣壓系統多屬於開迴路的順序控制，在本 文中則將推廣其應用領域，以閉迴路的比例閥控氣壓系統為實 驗探討對象。並且應用PID 控制及模糊-滑動平面控制來對氣壓 缸及氣壓馬達分別進行位置及轉速控制。由實驗結果知，在氣 壓缸短距離或氣壓馬達低轉速控制時，以模糊-滑動平面控制可 獲得比PID 控制較佳的結果。 (一). 系統架構 本文之系統主要是由氣壓源、無桿式氣壓缸、氣壓馬達、比 例方向閥、方向閥、位置檢測器、解碼器、控制卡、個人電腦 等所構成。並利用個人電腦結合控制介面驅動比例方向閥，以 高壓氣體針對氣壓缸及氣壓馬達進行控制且由實驗結果來分析 比較。 (1)氣壓架構簡介： 「氣壓系統」通常是由「壓縮機」來提供壓縮空氣，壓縮機 也就是整個氣壓系統動力的來源。下圖為一個典型氣壓系統示 意圖。 儲氣槽 氣壓缸 壓縮機 馬達 氣壓管 調質器 壓縮氣體在使用前必須經過「空氣過濾器」，將空氣中塵埃等 雜質除去，再配合「調壓器」調節管路氣壓大小，最後「潤滑器」 噴入油霧與高壓氣體混合以潤滑管路。過濾器、調壓器、和潤滑 器，一般均將此三者組合成一組，是氣壓管路中必備的調質設備， 經過這三者的過濾、調壓與潤滑作用後，氣壓管路的壽命與精確 性才能獲得保障。 氣壓迴路控制元件是達成氣壓系統工作的基本組件，依其功能 大致可以分為控制氣流壓力的「壓力控制閥」、控制氣流流動方 向的「方向控制閥」、與控制氣流流量的「流量控制閥」等三類。 氣壓系統管路中的壓力常可能會高於使用壓力，需要經過壓力 控制閥調整以獲得穩定氣壓，確保致動器穩定運作。方向控制閥 能改變氣壓流動的方向，並依據閥口與管路的設計，可以組合出 各種的運動模式，是控制氣壓系統動作的重要元件。流量控制閥 可以增減流通氣壓量，以控制致動器動作的速度。 (A).「 壓力控制閥(pressure control valve)」的目的是調節管路壓縮 空氣壓力的大小，將進口壓縮空氣壓力保持固定。下圖為壓 力控制閥示意圖。 氣壓調整器表示符號 (B).「方向控制閥(directional control valve)」能變換氣壓流動的 向，是氣壓迴路的重要控制閥，此類閥件有方向控制閥、止回閥、 梭動閥等。方向控制閥經常以“口”與“位置”來稱呼。下圖為 兩口兩位置閥的示意圖。 IN IN OUT OUT (C).「流量控制閥(flow control valve)」可以控制氣壓迴路中空氣 流量，以控制氣壓缸等元件動作之速度，常與止回閥組合成為 速度控制閥。下圖為流量控制閥示意圖。 (二).氣壓缸位置控制 使用比例閥的氣壓缸位置控制其控制系統方塊圖如圖五所示。 至於其動作原理為： 1.個人電腦計算出控制量送至控制卡。 2.控制卡將控制量轉成類比電壓訊號後輸入至比例閥。 3.比例閥得到訊號後，控制氣體進入氣壓缸的流量及方向。 4.氣壓缸得到壓縮空氣開始動作。 5.位置檢測器量測氣壓缸的位置，然後送出回授訊號。 6.控制卡收到類比的位置訊號後轉成數位訊號，然後送回個人 電腦以計算下一次的控制量，依此循環至控制結束。 下圖為比例閥控制氣壓缸位置方塊圖。 參考輸入 個人電腦 控制卡 控制卡 比例閥 氣壓缸 位置檢測器 輸出 (三). 氣壓馬達轉速控制 使用比例閥的氣壓馬達轉速控制其控制系統方塊圖如圖六所 示。至於其動作原理為： 1.電腦計算出控制量送至控制卡。 2.卡將控制量轉成類比電壓訊號後輸入至比例閥。 3.閥得到訊號後，控制氣體進入氣壓馬達的流量及方向。 4.馬達得到壓縮空氣開始旋轉。比例閥氣壓馬達控制卡個人電 腦解碼器控制卡輸出參考輸入。 5.器量測轉速送出脈衝訊號(PULSE)。 6.卡計算解碼器的脈衝訊號，然後送回個人電腦以計算下一次 的控制量，依此循環至控制結束。 下圖為比例閥控制氣壓馬達轉速方塊圖。 參考輸入 個人電腦 控制卡 控制卡 比例閥 解碼器 氣壓馬達 輸出 (四).比例方向控制閥:實驗採用的比例方向控制閥為流量型的 比例閥，其主要動作是利用低功率的電氣控制輸入，進而控 制高功率的流量輸出，即流量的大小可以依照輸入電壓作調整。 此閥主要由兩個部份構成，其一為包含位置感測器的比 例電磁線圈；另一為閥軸式氣壓閥體，這兩個部份是相互連 接在一起的。傳統PID式的模糊控制器結構 模糊控制的目標 ，是把人類專家經驗法則以模糊邏輯的方式值入控制器，所 以假如能夠把PID控制運作的原理找出來，就可用模糊控制來 完成 PID 式的控制動作。 (五) 1.模糊控制理論: 模糊控制是以模糊集合(Fuzzy set)為基礎，將人類對於領 域專業上的經驗及問題特性的掌握程度轉換成控制策略 的一種控制方式，對於系統所迴授之不同程度的訊號透 過預先建立的規則庫與資料庫規劃出合適的控制策略， 並經由適當的加權性運算得到相對應的控制量。 本文所設計的模糊控制器之整體架構如下圖一所示。首 先，將進入控制器的訊號誤差以事先建立的模糊集合之 歸屬函(membership function)模糊化，接著運用推論法則 配合模糊規則庫，得到控制器輸出的模糊集合，最後利 用適當的加權性運算推算出相對應的控制量，以達到控 制的目的。 2.模糊-滑動平面控制理論: 在設計模糊控制器時，對於一個較複雜或著控制性能要 求較高的系統，通常要建立一組龐大的模糊控制規則庫, 故適當的減少規則庫中的規則數是必須的，但是如此將 影響控制器的性能表現，因此如何有效地簡化控制規則 庫又能兼顧控制性能即為本文採用模糊-滑動平面控制 的主因。 通常模糊控制是以誤差e和誤差變化量e’為輸入變數， 故需建立一組二維的模糊控制規則庫。而模糊-滑動平 面控制則是將傳統模糊控制的兩個輸入變數誤差e 和誤 差變化量e’結合成一個滑動平面s = e’+ λe，以此為 新的輸入變數，所以只需建立一維的模糊控制規則庫， 並且能達到二維控制規則庫的效果。由滑動模式控制理 論中可得知，只要系統的狀態維持在滑動模式，則系統 狀態終將收斂至穩定狀態。至於λ值的選取，基本上λ 值越大則收斂速度越快，但太大的λ值卻可能使系統發 生振盪，因此根據實際需求對λ值調適，找出適當值。 3.氣壓缸定位PID控制:下圖為氣壓缸PID控制系統方塊圖 參考輸入 個人電腦 控制卡 控制卡 比例閥 氣壓缸 位置檢測器 輸出 4.位置迴路控制: 整個伺服馬達控制系統通常有三個迴路，由內向外分別 是電流迴路、速度迴路、位置迴路。現在已有微處理機 可以直接處理經數位化的這三種迴路，因為驅動器通常 已經包含了電流迴路及速度迴路，所以一般控制器以處 理位置迴路為主(如下圖二、三)。位置控制在工業上應 用的範圍很廣，例如 CNC 車床、機械手臂、追蹤器、 列表機、磁碟機等都是，而精密的位置控制方式主要有 直流伺服馬達、步進馬達 和線性馬達等。高速切削、 進給的工具機有提高工作效率、改善工件表面的粗糙度; 更 可 以 減 少 熱 對 工 件 與 刀 具 的 影 響 。 5.伺服閥控制氣壓缸位置系統: 伺服閥控制氣壓缸系統組成包括氣壓源、單桿式氣壓缸 (負荷氣壓缸)、雙桿式氣壓缸、伺服閥、比例壓力閥、微 電腦、AD/DA卡、感測器等所構成。 使用伺服閥做氣壓缸位置控制系統動作原理為：空氣 壓縮機將壓縮空氣輸送到伺服閥，微電腦計算出之控制信 號經由數位/類比介面卡轉換成類比之電壓訊號，類比訊 號經放大器放大後輸入至伺服閥， 伺服閥控制氣體進入 氣壓缸的流量及方向，位置則經由光學尺及解碼電路回授 至微電腦控制處理，產生新的控制訊號。如下圖(四)為利 用伺服閥作位置控制之系統方塊圖。 圖四.伺服閥做位置控制之系統方塊圖 (六).模糊邏輯控制應用實例 應用實例： 1.模糊邏輯控制的全自動洗衣機 目標:依洗衣服數量，種類，髒的程度，決定水量多寡， 水流強度和洗衣時間，以達不傷衣料，省水，省電， 省時的目的，操作簡單，one touch ，人性化洗衣條件 的決定。 影響洗淨度的因素:衣服的質料、水溫及水量。 模糊控制實現方法: 2.模糊控制照相機 A.目標— 自動對焦，使照片更清晰 B.失焦的問題 C.模糊自動聚焦:(1) 模糊聚焦系統 C.模糊自動聚焦:(1) 模糊聚焦系統 效果:傳統 : 73% 正確對焦 Fuzzy : 96.5 %正確對焦 3.模糊控制電鍋: A.目標—不管米量多少，均能煮出香Q好吃的飯 B.理想煮飯方法 C.傳統方法難以實現的因素:第二過程(加熱過程)，依研 究証明，須時10分鐘且此時間不依米量，水溫等因素而 異 D.模糊控制電鍋的設計: (1).結構 E.米飯加工控制過程: (1) 吸水過程對米的份量確定 (2)加熱過程的控制