臺灣博碩士論文加值系統

滑車/翹翹板系統(Cartt-Seesaw System)主要是由翹翹板平台乘載兩組馬達滑車做直線運動控制，其不穩定非線性系統，常被用於驗證在各種追蹤控制的理論研究中。針對先前氣壓式滑車/翹翹板系統(Cartt-Seesaw System)使用無桿氣壓缸做驅動，本研究將系統動力方式做了部分改良，由於氣壓的可壓縮性，對實驗平台滑車的移動控制平衡之影響，改以伺服馬達取代舊有的無桿氣壓缸，利用Lagrange能量觀念，分析實驗平台之結構與運動狀態並建立其動態方程式。
本研究系統控制核心為數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，配合LabVIEW圖控介面撰寫PID控制器和模糊控制器，針對其控制結果與氣壓式之滑車/翹翹板系統做對照。此實驗平台可作為教學使用，甚至亦可擴充成更為複雜的非線性系統，對其撰寫不同控制法則做控制和比較。

The pneumatic cart-seesaw system is developed by the Sensor and Control Laboratory of Chien Hsin University of Science and Technology for several years. However, the compressibility of air and highly nonlinear flow through pneumatic components, often damage the functioning of the system. Hence, this thesis proposes a new laboratory apparatus which is driven by the servo motors and gear transmission. Comparing to the previous pneumatic cart-seesaw system, the major difference is using servo motor and gear transmission to instead the rodless pneumatic cylinder. In addition, the dynamic equation is derived by Lagrange formulation and also analyzed in this research.
The core control system is using Digital Signal Processing (DSP) to combine with LabVIEW graphical human-machine interface to implement PID and fuzzy controller. Experimental results indicate that utilizing the proposed novel cart-seesaw system play a superior performance than the existed pneumatic type in balancing and tracking control. Consequently, the development of such platform can be profitable for academic laboratory in developing various control algorithms, especially in nonlinear control verification.

摘　　要 i
Abstract ii
誌　　謝 iii
目　　錄 iv
表　目　錄 vii
圖　目　錄 x
符號說明 xviii
第一章　緒論 1
　1.1　研究背景與動機 1
　1.2　文獻探討 2
　1.3　論文架構 4
第二章　系統架構 6
　2.1　滑車/翹翹板系統平台 6
　2.2　控制系統架構 7
　　2.2.1　PC前置作業環境 9
　　2.2.2　PC-Based控制卡 9
　　2.2.3　線性電位計 13
　　2.2.4　I/O端子台 15
　　2.2.5　馬達及傳動機構 20
　　2.2.6　Arduino UNO 24
　　2.2.7　陀螺儀感測器 26
　2.3　人機控制系統LabVIEW 2011介紹說明 28
　　2.3.1　前置面板視窗(Front Panel) 28
　　2.3.2　程式方塊圖(Block Diagram) 29
　　2.3.3　LabVIEW外掛程式 30
　2.4　規格比較 33
第三章　系統數學模型 34
　3.1　動力系統 34
　3.2　系統動態方程推導 35
　3.3　馬達轉動之位移參數和數學模型 40
　　3.3.1　馬達數學參數模型 41
　　3.3.2　馬達轉動之位移參數 44
第四章　控制器設計 46
　4.1　PID Control 46
　4.2　模糊控制理論 47
　　4.2.1　模糊化(Fuzzifier) 48
　　4.2.2　模糊規則庫(Fuzzy Rule Base) 49
　　4.2.3　決策邏輯(Decision Making Logic) 50
　　4.2.4　模糊推論與解模糊化(Fuzzy Inference and Defuzzifier) 50
　　4.2.5　Mamdani之Min-Min-Max模糊推論法 52
　　4.2.6　TSK模糊推論系統 53
　　4.2.7　ANFIS模糊推論系統 54
　4.3　控制器之設計與程式操作說明 56
　　4.3.1　PID控制器 57
　　4.3.2　歸屬函數設計 58
　　4.3.3　歸則資料庫設計 67
　　4.3.4　LabVIEW 2011之人機介面 68
　　4.3.5　LabVIEW 2011之模糊控制器程式簡易說明 69
第五章　實驗結果與討論 73
　5.1　實驗結果-滑車位置於翹翹板中間 73
　　5.1.1　PID控制器 75
　　5.1.2　Fuzzy控制器 81
　　5.1.3　翹翹板角度動態響應對照與討論 87
　5.2　實驗結果-滑車位置於翹翹板兩端 93
　　5.2.1　PID控制器 94
　　5.2.2　Fuzzy控制器 101
　　5.2.3　翹翹板角度動態響應對照與討論 107
　5.3　實驗結果-滑車位置於翹翹板同側 113
　　5.3.1　PID控制器 113
　　5.3.2　Fuzzy控制器 116
　　5.3.3　翹翹板角度動態響應對照與討論 118
　5.4　實驗結果-滑車做 公分交叉直線運動 121
　5.5　實驗結果-滑車/翹翹板之角度控制 127
　5.6　實驗結果-滑車配置未知負重 131
第六章　結論與未來研究方向 139
　6.1　結論 139
　6.2　未來研究方向 140
參考文獻 141
簡　　歷 146

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