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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:許昌典
研究生(外文):Chang-Dean Sheu
論文名稱:液壓缸脈波寬度調變之位置控制研究
論文名稱(外文):Position Control of a Hydraulic Cylinder Using PWM Control Algorithm
指導教授:成銘德
指導教授(外文):Minter Cheng
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:66
中文關鍵詞:位置控制脈波寬度調變控制液壓系統
外文關鍵詞:Position ControlPWM Control AlgorithmHydraulic System
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本文主要係於液壓缸定位系統中,以結構簡單、價格低廉之電磁開關閥取代價格昂貴之比例閥或伺服閥,利用脈波寬度調變(Pulse Width Modulated, PWM)之方式進行精密控制。本文詳細說明如何建立脈波寬度調變器、電磁開關閥、液壓缸、PID控制器之數學模型,並探討電磁開關閥之時間常數、鋸齒波頻率及PID控制參數對系統反應之影響。由分析結果得知,系統之動態特性深受電磁開關閥所影響,由於電磁開關閥之反應具有時間延遲,且此時間延遲限制其操作之最高頻率,當輸入頻率過高時,會造成電磁開關閥只完成部分之開關動作,此將無法達到良好之控制效果,故電磁開關閥之反應時間常數為決定系統性能表現之最重要參數。

The objective of this study is to investigate the possibility of using low cost solenoid valves instead of expensive proportional valve or servo valve, and using pulse width modulated technique to accurate control the cylinder position in a hydraulic system. This paper describes how to derive the mathematical models of the hydraulic system, of the PWM modulator, and of the PID controller. The effects on the system response by the delay time of the solenoid valve, the frequency of the saw-tooth wave, and the PID controller parameters are studied. It is observed that the delay time of the solenoid valve defines the maximum operation frequency of the valve. If the operation frequency is too high, the on-off operation of the valve is uncompleted and the performance is not satisfactory. From the analysis result, it can be concluded that the delay time of the solenoid valve is the main feature to effect the system control characteristic.

中文摘要……………………………………………………………….Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………….Ⅱ
目錄…………………………………………………………………….Ⅲ
圖目錄………………………………………………………………….Ⅴ
符號說明……………………………………………………………….Ⅶ
第一章 緒論…………………………………………………… 1
1.1 前言……………………………………………………1
1.2 文獻回顧………………………………………………2
1.3 研究動機及內容……………………………………………5
第二章 理論分析……………………………………………… 7
2.1 脈波寬度調變器模型之建立………………………………7
2.2 二口二位電磁開關閥模型之建立…………………………9
2.3 液壓缸模型之建立……………………………………… 10
2.4 控制器模型之建立……………………………………… 14
2.5 系統模型之建立………………………………………… 16
第三章 結果與討論……………………………………………17
3.1 電磁開關閥輸入頻率之分析結果與討論……………… 17
3.2 PID控制器參數調整之分析結果與討論……………… 18
3.3 鋸齒波頻率之分析結果與討論………………………… 21
3.4 各種參考輸入之分析結果與討論……………………… 23
3.5 電磁開關閥時間常數之分析結果與討論……………… 25
3.6 PWM位置控制之實例應用……………………………… 27
第四章 結論……………………………………………………28
參考文獻……………………………………………………… 29
圖 目 錄
圖2.1 PWM 液壓缸系統架構圖………………………… 32
圖2.2(a) 脈波寬度調變器之結構圖…………………………33
圖2.2(b) 鋸齒波訊號與一固定強度訊號進行比較…………34
圖2.2(c) 脈波寬度調變比較器之輸出結果…………………34
圖2.3(a) 電磁開關閥之數學模型……………………………35
圖2.3(b) 電磁開關閥之反應特性圖…………………………36
圖2.4(a) 液壓缸之物理結構系統……………………………37
圖2.4(b) 負載之受力情形……………………………………37
圖2.5(a) 受控體之控制方塊圖………………………………38
圖2.5(b) 受控體之二階等效控制方塊圖……………………38
圖2.6 液壓缸步階輸入之輸出響應曲線……………… 39
圖2.7 PID控制器之方塊圖…………………………… 40
圖2.8 PWM液壓缸定位系統之數學模型架構……… 41
圖3.1 脈波頻率對閥軸開關之影響………………… 42
圖3.2 比例(P)增益對PWM液壓缸定位系統響應之影 ……………響……………………………… ………………… 43
圖3.3 比例(P)微分(D)增益對PWM液壓缸定位系
…………統響應之影響………………………………………… 44
圖3.4 比例(P)積分(I)微分(D)增益對PWM液壓
……………缸定位系統響應之影響…………………………… 45
圖3.5 PWM液壓缸定位系統之響應曲線…………………… 46
圖3.6 PWM液壓缸定位系統之響應曲線…………………… 47
圖3.7 鋸齒波頻率對PWM液壓缸定位系統響應之影
……………響…………………………………………………… 48
圖3.8 電磁開關閥之輸出訊號………………………………49
圖3.9 電磁開關閥之輸出訊號…………………………… 50
圖3.10 電磁開關閥之輸出訊號…………………………… 51
圖3.11 電磁開關閥之輸出訊號…………………………… 52
圖3.12 電磁開關閥之輸出訊號…………………………… 53
圖3.13 PWM液壓缸定位系統步階輸入之反應特性
……………圖…………………………………………………… 54
圖3.14 PWM液壓缸定位系統斜坡輸入之反應特性
……………圖…………………………………………………… 55
圖3.15 PWM液壓缸定位系統正弦輸入之反應特性
……………圖…………………………………………………… 56
圖3.16 電磁開關閥之反應特性圖………………………… 57
圖3.17 PWM液壓缸定位系統之反應特性圖…………… 58
圖3.18 PWM液壓缸定位系統之反應特性圖…………… 59
圖3.19 PWM液壓缸定位系統之反應特性圖………………… 60
圖3.20 PWM液壓缸定位系統之反應特性圖………………… 61
圖3.21 活塞行程與力量輸出關係圖………………………… 62
圖3.22 變動負載液壓缸定位系統之數學模型圖…………… 63
圖3.23 變動負載液壓缸定位系統電磁開關閥之輸出
……………訊號………………………………………………… 64
圖3.24…變動負載液壓缸定位系統之反應特性圖…………… 65

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