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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王興森
研究生(外文):Hsing-Sen Wang
論文名稱:倒階控制在球桿系統的應用
論文名稱(外文):Backstepping Control Application to a Ball and Beam System
指導教授:何明字
指導教授(外文):Ming-Tzu Ho
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:71
中文關鍵詞:球桿系統倒階控制離心力非線性控制器
外文關鍵詞:backstepping controlnonliear controllercentrifugal forceball and beam system
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吾人已於實驗室中製作完成一套球桿系統,本系統主要包括電樞控制直流馬達(armature controlled DC motor)、機台、鋼球、鋁桿、位置感測器(position-sensor)以及角度感測器(potentiometer)等等。
本論文以球桿系統為例探討控制上調節問題(regulation problem),由於球桿系統存在離心力項,所以系統的相對階數(relative degree)沒有被適當的定義(not well defined)。然而此項提供強烈的正回授量,容易使系統產生跳動現象而呈現不穩定,若桿子角度控制不妥時,容易使球突然飛出而脫離桿上的滑軌,此時會得到不正確的球位置回授訊號,因而產生錯誤的回授控制。
文中,本人使用倒階 (backstepping)控制方法,其為遞迴程序重複選擇Lyapunov function的一種回授控制設計,且能在很少限制條件下時常解決穩定性、追蹤和強健控制上的問題。在系統控制器設計中利用高增益的控制參數,使離心力項在閉迴路的影響被衰減,且系統達到全域漸進穩定(GAS)。
A ball and beam system has been built. This system consists of an armature controlled DC motor, a machine platform, a ball, a beam, a position-sensor and a potentiometer.
This thesis considers the regulation problem of the ball and beam system. Due to existence of the centrifugal force, the system relative degree is not well defined. Moreover, the centrifugal force provides a strong positive feedback and easily leads to the peaking phenomenon. If the beam angle is not well controlled then the ball may fly off the beam. It will induce incorrect the feedback signal of the ball position, therefore produce error feedback control.
In this thesis, the backstepping control approach has been used to design a peaking-free ball and beam system. It is a recursive procedure that interlaced the choice of a Lyapunov function with the design of feedback control, and backstepping control often solves stabilization, tracking and robust control problems under less restrictive conditions. In this thesis, using high-gain control parameters, the effect of the centrifugal force on the closed-loop can be arbitrarily attenuated, and the system reachs global asymptotic stability.
中文摘要.....I
英文摘要.....II
目錄.....III
圖表目錄.....V
第一章 緒論.....1-1
1-1 前言.....1-1
1-2 研究動機.....1-1
1-3 相關文獻回顧.....1-1
1-4 本文結構.....1-2
第二章 球桿系統與馬達回授補償電路的製作.....2-1
2-1前言.....2-1
2-2球桿系統的製作.....2-1
2-3馬達回授補償電路的製作.....2-4
第三章 電樞控制直流馬達與球桿系統數學模型.....3-1
3-1前言.....3-1
3-2電樞控制直流馬達數學模型.....3-1
3-3電樞控制直流馬達參數識別.....3-3
3-4 球桿系統數學模型.....3-6
第四章 球桿系統之倒階控制器設計.....4-1
4-1 簡介.....4-1
4-2 設計步驟.....4-1
4-3 球桿系統控制器設計.....4-6
4-3-1線性化模型.....4-6
4-3-2非線性模型.....4-11
第五章 模擬結果.....5-1
5-1 前言.....5-1
5-2 模擬結果.....5-1
第六章 倒階控制器電子電路實現與實驗結果.....6-1
6-1 三角函數近似電路.....6-1
6-2 微分電路.....6-2
6-3 控制器電子電路實現.....6-3
6-4 實驗結果.....6-7
第七章 結論與建議.....7-1
7-1 結論.....7-1
7-2建議.....7-1
附錄A
參考文獻
自述
[1] J. Hauser, S. Sastry and P. Kokotovic, “Nonlinear Control via Approximation Input-Output Linearization: The Ball and Beam Example,” IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 37, No. 3, pp. 392-398, 1992.
[2] P. Kokotovic, “The Joy of Feedback: Nonlinear and Adaptive,” IEEE Control Systems Magazine, Vol. 12, No. 3, pp. 7-17, 1992.
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[11] 楊文吉,「倒單擺之製作及研究:甩上控制與修正式積分可變結構控制器之設計」,國立成功大學工程科學研究所碩士論文,民國八十六年六月。
[12] 張金城,「球桿系統動態平衡的控制」,國立臺灣科技大學工程技術研究所碩士論文,民國八十五年六月。
[13] H. K. Kim, D. H. Lee, T. Y. Kuc and T. C. Yi, “A Backstepping Design of Adaptive Robust Learning Controller for Fast Trajectory Tracking of Ball-Beam Dynamic Systems,” IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 3, pp. 2311-2314, 1996.
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