機械手臂為多關節機構，在各軸皆具有致動器，其動力模式為非線性藕合多變數系統，運用範圍涵蓋物件搬運、噴漆、點焊、弧焊等；本文針對機械手臂之定位和循軌控制，提出以內部模型原理為基礎之控制器初始值補償(Initial Value Compensation, IVC)。改善傳統內部模型為基礎之控制器會有超越量(Overshoot)或振盪(Oscillation)的問題，設計內部模型原理為基礎之控制器具有抑制已知干擾模型的優點，透過IVC之設計可降低超越量或振盪的產生，大大地提升控制器的性能。
在控制平台架構上，採用美國德州儀器公司(Texas Instruments, TI)所生產之TMS320C6713 DSP搭配具FPGA之自製擴充子板為實驗平台。在FPGA方面，以硬體描述語言(VHDL)撰寫Encoder、 A/D與D/A之界面程式；在控制器實現上，利用TI所提供的Code Composer Studio (CCS)環境下以C/C++撰寫控制器程式並下載到DSP上執行。整體控制架構經由雙軸機械手臂定位和追循圓軌跡予以驗證，其結果顯示將可有效改善暫態時產生超越量或振盪問題，以及更佳的抑制外部干擾。

Robotic manipulators contain actuators in each joint, each with nonlinear, coupling and variant parameter characteristics. Arc and spot welding, spray painting, milling and drilling are some applications of robotic manipulators. For positioning and trajectory tracking control, a method uisng Internal Model Principle-based (IMP-based) controllers with the Initial Value Compensation (IVC) is proposed in this thesis. Using IVC, the overshoot and oscillation problem in the IMP-based controllers has been improved.
In the experimental setup, we utilize Texas instrument's TMS320C6713 DSP with an FPGA (Field-Programmable Gate Array) as our control kernel. Implementing control laws, we employ the C/C++ language as a tool. Moreover, we establish an interface to two shaft encoders, ADCs and DACs using hardware description language (VHDL). The experimental result shows that the proposed scheme improves the tracking performance and robustness against disturbance.

摘 要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 1
1.3 論文架構 3
第二章 實驗系統描述 4
2.1 實體系統 4
2.1.1 系統架構簡介 4
2.1.2 系統之位置與速度回授[10],[11] 8
2.2 系統模型描述[12] 10
第三章 內部模型原理為基礎之控制器設計 12
3.1 內部模型原理為基礎之計算轉矩控制器 12
3.1.1 靜態計算轉矩控制器原理與設計 12
3.1.2 一階內部模型控制器之原理與設計 13
3.1.3 二階內部模型控制器之原理與設計 14
3.1.4 三階內部模型控制器之原理與設計 16
3.2 滑動模式控制 (SLIDING MODE CONTROL, SMC)[17] 18
3.2.1 滑動模式控制器於機械手臂設計原理 18
3.2.2 一階內部模型滑動模式控制器設計 21
3.2.3 二階內部模型滑動模式控制器設計 22
3.2.4 三階內部模型滑動模式控制器設計 23
第四章 內部模型原理為基礎之控制器初始值補償設計 25
4.1 初始值補償(INITIAL VALUE COMPENSATION, IVC)之設計原理 25
4.2 初始值補償應用於內部模型計算轉矩控制器設計 26
4.2.1 一階內部模型控制器之初始值補償 26
4.2.2 二階內部模型控制器之初始值補償 27
4.2.3 三階內部模型控制器之初始值補償 28
4.3 初始值補償應用於內部模型滑動模式控制器設計 30
4.3.1 二階內部模型滑動模式控制器之初始值補償 30
4.3.2 三階內部模型滑動模式控制器之初始值補償 31
4.4初始值補償於雙軸機械手臂之模擬結果 33
4.4.1 內部模型計算轉矩控制器之步階定位模擬結果 33
4.4.2 內部模型滑動模式控制器之步階定位模擬結果 39
第五章 雙軸機械手臂之控制實驗結果 50
5.1 內部模型原理為基礎之計算轉矩控制器之步階定位實驗結果 50
5.2 內部模型原理為基礎之滑動模式控制器之步階定位實驗結果 59
5.3 內部模型原理為基礎之計算轉矩控制器之追圓軌跡實驗結果 67
5.4 內部模型原理為基礎之滑動模式控制器之追圓軌跡實驗結果 77
第六章 結論 87
參考文獻 88

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