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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳鴻毅
研究生(外文):Hung-Yi Chen
論文名稱:水壓系統使用於軟硬組織的負載控制
論文名稱(外文):Water Hydraulic System for Controlled Loading of Soft and Hard Tissues
指導教授:黃宜正黃宜正引用關係
指導教授(外文):Yi-Cheng Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
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:2006
畢業學年度:94
語文別:中文
論文頁數:57
中文關鍵詞:PID控制器Smith估測器水壓系統反覆式學習控制器軟硬組織
外文關鍵詞:PID ControllerSmith PredictorWater hydraulic systemIterative Learning ControllerSoft and Hard Tissues
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本文主要目的在於控制一套水壓系統,應用在軟硬組織上,以達成定量及週期性負載之需求。在系統鑑別上使用頻譜分析儀(SIGLAB)作為建模工具,透過MATLAB中的非線性控制器工具,進行系統PID參數之設計,另外應用Smith估測器來解決系統的時間延遲效應,因PID控制器會有重覆性誤差產生在此設計反覆式學習控制器來減少系統的誤差量,最後以模擬和實驗來驗證,此系統可以作為軟硬組織材料負載的測試平台。
This study presents the control design of a water hydraulic system for quantitatively and periodically loading of the hard and soft tissues. The identification of the system was done by the frequency spectrum analyzer (SIGLAB) for modeling tool. We use the MATLAB’s nonlinear control design (NCD) toolbox, for seeking optimal PID controller parameters. Use Smith Predictor to solve the time delay problem of the developed system. PID controller can be produced repetition error. Iterative Learning Controller (ILC) is designed to reduce system error. The verification is consolidated by the simulation process and experiments, This system can be a test bed for loading test of the soft and hard tissues.
目 錄
中文摘要…………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要…………………………………………………………………Ⅱ
謝誌………………………………………………………………………Ⅲ
目錄…………………………………………………………………… Ⅳ
表目錄……………………………………………………………………Ⅵ
圖目錄……………………………………………………………………Ⅶ

第一章 緒論
1-1研究動機與目的………………………………………………………1
1-2文獻回顧………………………………………………………………2
1-3 論文架構…………………………………………………………… 4
第二章 建立水壓系統之模型
2-1水壓系統之架構......……………………..………………………6
2-2硬體架構………………………………………………………………7
2-3建立位移及壓力之關係………………………………………......9
2-4系統鑑別.............................................. 10
第三章 PID控制器與Smith估測器之設計
3-1 PID控制器之理論………………………………………………… 15
3-2 PID控制器之設計........................................................17
3-3 Smith 估測器(Smith Predictor)之理論……………………… 19
3-3-1 Smith原理與Pade近似法……………………………………… 22
3-4 Smith 估測器之設計………………………………………………24
第四章 反覆學習控制器之設計
4-1 學習控制器介紹........................................................28
4-2學習增益…………………………………………………………… 31
第五章 數值模擬及實驗結果
5-1-1 PID控制+Smith估測器之數值模擬…………………………… 37
5-1-2 PID控制+Smith估測器+反覆是學習控制之數值模擬........41
5-2 實驗結果……………………………………………………………46
第六章結論與建議
6-1 結論…………………………………………………………………54
6-2 建議…………………………………………………………………55
參考文獻…………………………………………………………………56

表 目 錄
表3-1 Pade近似表........................................................23
表5-1加入PID控制器模擬下之補償結果………………………………40
表5-2加入PID控制器及ILC控制器模擬下之補償結果……………… 45
表5-3 實際系統加入PID控制器之補償結果………………………… 49

圖 目 錄
圖1-1水壓系統及光纖量測系統架構圖…………………………………2
圖2-1水壓系統之實驗架構………………………………………………7
圖2-2 控制系統方塊圖………………………………………………… 7
圖2-3 系統壓力及活塞位移的關係…………………………………… 9
圖2-4 動態訊號分析儀(Siglab)………………………………………11
圖2-5 由SigLab人機介面取得之系統極零點及波得圖………………11
圖2-6 Siglab建模之架構圖……………………………………………12
圖2-7 實線為系統未降階前的波德圖,虛線為系統轉移函數經降階後的波德圖............................................... 14
圖3-1 PID控制器之架構圖…………………………………………… 16
圖3-2 nonlinear control design工具………………………………18
圖3-3 系統加入PID參數後模擬的響應圖…………………………… 18
圖3-4 時間延遲系統……………………………………………………19
圖3-5 時間效應所引起的系統響應震盪....................... 20
圖3-6 估測到的延遲時間必須與實際系統的誤差量低於6%....... 20
圖3-7 Smith估測器之架構圖………………………………………… 21
圖3-8 輸出訊號具有時間延遲效應……………………………………23
圖3-9 Smith估測器加入系統................................ 24
圖3-10 虛線部份為Smith估測器之輸出,實線部份為系統之輸出…25
圖3-11虛線部份為估測器設計不良(當Hm>Hp時)…………………… 26
圖3-12當Hm>Hp時不同誤差量系統的響應圖………………………… 26
圖3-13虛線部份為估測器設計不良(當Hm<Hp時)…………………… 27
圖3-14 Smith估測器當不同延遲時間(1-3秒),系統之響應圖…… 27
圖4-1 學習控制器方塊圖………………………………………………29
圖4-2 系統加入ILC後之結果………………………………………… 35
圖4-3 學習增益0.8時之學習過成程………………………………… 36
圖4-4學習增益與收斂速度之關係圖………………………………… 36
圖5-1 系統未加入控制器在0.5Hz下之作動情形…………………… 38
圖5-2 系統以1Hz SIN波之作動情形………………………………… 38
圖5-3 系統以0.5Hz SIN波之作動情形……………………………… 39
圖5-4 系統以0.5Hz方波之作動情形………………………………… 39
圖5-5 系統以0.25Hz方波之作動情形…………………………………40
圖5-6 加入PID控制器、Smith估測器及ILC後之系統架構………… 42
圖5-7加入ILC後系統以0.5Hz方波之作動情形……………………… 43
圖5-8 加入ILC後系統以0.25Hz方波之作動情形…………………… 43
圖5-9加入ILC後系統以0.5Hz SIN波之作動情形…………………… 44
圖5-10加入ILC後系統以1Hz SIN波之作動情形………………………44
圖5-11加入ILC後系統以1Hz SIN波之局部放大圖……………………45
圖5-12 拉線式編譯器………………………………………………… 46
圖5-13 壓力計....................................... 47
圖5-14實驗架構圖………………………………………………………47
圖5-15 監控及紀錄系統狀態之人機介面…………………………… 48
圖5-16 SCB-68端子座………………………………………………… 48
圖5-17 加入PID控制器後實際系統作SIN波1Hz下之作動情形………50
圖5-18 加入PID控制器後實際系統作SIN波0.5Hz下之作動情形……51
圖5-19 加入PID控制器後實際系統作方波0.5Hz下之作動情形…… 52
圖5-20 加入PID控制器後實際系統作方波0.25Hz下之作動情形……53
參考文獻
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