臺灣博碩士論文加值系統

吊車系統為一非線性系統，本論文的主旨即為設計強健及兼顧實用性的控制器，使吊車系統同時達到高速運動與抗擺的目標，然後再用數學方式計算出吊車系統的最佳運動路徑，控制吊車依循最佳路徑運動。
在本文中首先進行吊車系統的數學模型推導，接著再使用SimMechanics Toolbox建立吊車物理機構模型，互相驗證系統模型的正確性。在控制器部分，將先使用線性控制理論，設計極點配置法與LQR控制器來模擬控制非線性吊車系統與倒單擺系統，然後再設計PID控制器與模糊控制器來比較其控制響應。在模擬階段，將使用Virtual Reality Toolbox建立虛擬實境吊車與倒單擺3D模型，使其在模擬過程中能更直觀地觀測整個系統的3D動態反應。最後將開發完成的Simulink 模型轉換為ANSI C 程式載入到dSPACE DS1104控制卡上運作， 與實際吊車系統連結，進行實機控制。

Anti-swing control of the overhead crane is a difficult yet important task in many applications. The purpose of this thesis is to design a robust controller to guide an experimental overhead crane system to move between two static points within the least time while keeping the load from moving backward.
To achieve this task, a theoretically optimum trajectory is obtained as the reference, and mathematical model of the overhead crane system is derived, verified using the SimMechanics Toolbox, and viewed with the Virtual Reality Toolbox of the MathWorks, Inc. We have tried the pole placement method, the LQR control law, and the PID controller. But the performance of these schemes is worse then a manually tuned fuzzy controller. The Simulink model is then transformed into ANSI C language and load to a dSPACE DS1104 control board for practical experiments. The experimental results are consistent with those of the simulation predictions.

目 錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
長庚大學博碩士紙本論文著作授權書 iii
誌謝 iv
中文摘要 v
英文摘要 vi
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 論文架構 3
第二章 數學模型推導 4
2.1 前言 4
2.2 吊車系統數學模型 4
2.3 吊車系統分析 9
2.4 SimMechanics吊車系統物理機構模型 11
2.5 SimMechanics 倒單擺系統物理機構模型 14
2.6 虛擬實境模型建立 16
2.7 非線性吊車系統最佳運動路徑 19
第三章 控制器理論與設計 22
3.1極點配置法 22
3.1.1現代控制器設計 23
3.2 LQR(linear quadratic regulator)最佳控制器 24
3.2.1 LQR控制器設計 25
3.3 PID控制 26
3.3.1 PID控制器設計 27
3.3.1.1最佳化工具箱(Optimization Toolbox) 27
3.2.1.2遺傳演算法(Genetic Algorithms) 28
3.4模糊理論概要 31
3.4.1 模糊控制器設計 31
第四章 吊車系統設備整合 39
4.1前言 39
4.2系統架構 39
4.3 硬體設備介紹 39
4.3.1 吊車機構 39
4.3.2 伺服馬達與馬達驅動器 41
4.3.3 編碼計數器 41
4.3.4 近接開關與極限開關 42
4.3.5 dSPACE DS1104控制卡 43
4.4 軟體架構 45
4.5 控制器與伺服驅動器訊號整合 46
4.5.1 吊車系統訊號流程 46
4.5.2 吊車位置讀取 46
4.5.3 擺錘角度讀取 47
4.5.4 扭力模式 47
4.5.5 速度模式 48
4.5.6 位置模式 48
第五章 數值模擬結果 50
5.1 前言 50
5.2 極點配置法控制非線性吊車系統模擬 50
5.3 LQR控制器控制非線性吊車系統模擬 53
5.4 PID控制非線性吊車系統模擬 55
5.5 Fuzzy控制非線性吊車系統模擬 59
5.6 非線性吊車系統最佳路徑控制模擬 64
5.7 極點配置法控制非線性倒單擺系統模擬 67
5.8 LQR控制器控制非線性倒單擺系統模擬 67
5.9 PID控制非線性倒單擺系統模擬 68
5.10 Fuzzy控制非線性倒單擺系統模擬 69
第六章 實驗控制結果 72
6.1 前言 72
6.2極點配置法控制實際吊車系統 72
6.3 LQR控制器控制實際吊車系統 74
6.4 PID控制實際吊車系統 75
6.5 Fuzzy控制實際吊車系統 77
6.6 實際吊車系統最佳路徑控制 80
第七章 結論與未來展望 86
7.1 結論 86
7.2 未來展望 86
參考文獻 87

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