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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:劉元傑
研究生(外文):Yuan-Chieh Liu
論文名稱:數位控制器設計與區間控制時間之分析
論文名稱(外文):Digital Controller Design with the Analysis of Interval Control Time
指導教授:翁慶昌翁慶昌引用關係
指導教授(外文):Ching-Chang Wong
口試委員:馮玄明李世安
口試委員(外文):Hsuan-Ming FengShih-An Li
口試日期:2022-06-28
學位類別:碩士
校院名稱:淡江大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:44
中文關鍵詞:區間控制時間步階響應分析PID控制器數位控制器
外文關鍵詞:interval control timedigital controllerstep response analysisPID (proportional-integral-differential controller)
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本論文提出一區間控制時間概念,透過此概念來實現高效能之控制器設計。數位控制器已成為現今無論在學術或是工業領域中十分常見的一個控制方法,加上半導體技術的進步,使得控制器得以運作在相較於過去更高的效能以及處速度,惟如何決定控制器本身的控制時間成為一個鮮少人討論的議題,以往設計者會以經驗法則來設計控制器的參數,而調整控制器參數則是使用嘗試錯誤(try and error)法來進行測試且需要花費大量的時間。因此本論文透過分析受控體的步階響應,來得到受控體性能參數,進而分析出受控體的最佳發送命令時間。在此命令區間下,控制器對受控體進行控制才能得到系統的最佳增益值。在實驗模擬中,本論文透過凡舉下列常見的數位控制方式如P以及PID控制器等,做為控制時間之模擬範例,並加以不同的控制器命令區間實驗,比較所產生的控制效果之優劣,再透過對應不同之受控體響應區間做為區間控制時間輸入參數,透過MatLab模擬並分析相應之控制曲線,用以驗證本論文所提出之透過控制時間實現控制最佳化目標。
This corresponding thesis proposed interval control time, a concept to improve performance index while implementing system designs of digital controller. By former practices, the users or designers of digital controller need to adjust parameters of control time by manual experience or instructions. During the design of digital control system, users usually have no choice but use the primitive method, so called “try and error” to adjust and acquire the optimal values for their systems. It will always require massive times for users to test and retry their system. Since there are no efficient and systematic ways to find the required values for control times, this paper introduced a method analyzing step responses of target plant and acquiring its performance index to find the optimal timing of control time. The system can operate to receive the most suitable amplitudes while plants be controlled under this time interval. According to the simulation of this paper, several different control times are used to analyze which the performance shows in different time intervals sampled on the transient response and help us sorting the superiority between these sampling intervals. Proving and achieving the goal of the optimization of control by these different samples corresponding to our controller and plants in the whole control system.
一、目錄
目 錄 I
圖目錄 III
表目錄 V
第一章 緒論 p.1
1.1研究背景 p.1
1.2研究目的 p.1
1.3論文架構 p.2
第二章 控制架構概述 p.3
2.1控制系統架構 p.3
2.2 控制器概述與應用 p.6
2.3 數位控制器 p.15
第三章 控制器時間分析 p.20
3.1控制問題描述 p.20
3.2 分析區間控制時間的方法 p.33
第四章 模擬實驗與結果 p.36
4.1模擬實驗 p.36
4.2 模擬結果分析 p.40
第五章 結論 p.41
5.1 結論 p.41
5.2 未來展望 p.42
參考文獻 p.43

二、圖目錄
圖 1、理想控制系統之方塊圖 p.3
圖 2、馬達一階響應曲線 p.5
圖 3、馬達在掛載電容、電桿時的電壓轉速響應曲線關係圖 p.6
圖 4、傳統連續P控制器基本工作原理 p.7
圖 5、傳統的PID 控制器的基本工作原理 p.9
圖 6、未受到PID控制器調整的二階響應曲線 p.12
圖 7、PID三個調整量對曲線圖之影響變化圖 p.13
圖 8、PID控制器類比轉數位方塊圖 p.16
圖 9、使用MCU或FPGA來當控制器控制馬達轉速 p.18
圖 10、由Matlab模擬的典型二階步階響應 p.19
圖 11、數位控制器之控制系統架構 p.21
圖 12、受控體之系統二階步階響應圖 p.22
圖 13、多個參考命令區間所組成之響應曲線 p.23
圖 14、負回授控制系統方塊圖 p.23
圖 15、控制時間在 0.5 秒之 P 控制器模擬圖 p.25
圖 16、控制時間在 0.4 秒之 P 控制器模擬圖 p.25
圖 17、控制時間在 0.2 秒之 P 控制器模擬圖 p.26
圖 18、控制時間在 0.1 秒之 P 控制器模擬圖 p.27
圖 19、控制時間在 0.5 秒之 PID 控制器模擬圖 p.29
圖 20、控制時間在 0.4 秒之 PID 控制器模擬圖 p.30
圖 21、控制時間在 0.2 秒之 PID 控制器模擬圖 p.31
圖 22、控制時間在 0.1 秒之 PID 控制器模擬圖 p.31
圖 23、系統二階轉移函數系統之區間定義 p.33
圖 24、控制命令區間時間關係圖 p.34
圖 25、PID二階系統之步階響應 p.37
圖 26、控制時間在 RT 之 PID 控制器模擬圖 p.38
圖 27、控制時間在 PT 之 PID 控制器模擬圖 p.38
圖 28、控制時間在 ST 之 PID 控制器模擬圖 p.39

三、表目錄
表 1、二階響應中各取樣值定義 p.34
表 2、步階響應參數表 p.36
[1]J. G. Ziegler and N. B. Nichols, “Optimum settings for automatic controllers,” Transactions of the American Society of Mechanical Engineers (ASME), vol. 64, pp. 759–768, 1942.
[2]J. Zhang and L. Guo, ‘‘Theory and design of PID controller for nonlinear uncertain systems,’’ IEEE Control Systems Letters, vol. 3, no. 3, pp. 643–648, 2019.
[3]T. Samad, ‘‘A survey on industry impact and challenges thereof [technical activities],’’ IEEE Control Systems Magazine, vol. 37, no. 1, pp. 17–18, 2017.
[4]M. A. Taut, G. Chindris, and D. Pitica, ‘‘PID algorithm used for DC motor control,’’ Proc. IEEE 24th International Symposium for Design and Technology of Electronics Packages (SIITME), pp. 365–372, 2018.
[5]A. Rai, D. K. Das, and M. M. Lotha, “LabVIEW platform based realtime speed control of a DC servo motor with fuzzy-PI controller,” Proc. International Conference on Electrical, Electronic and Computer Engineering (ICEEC), pp. 1–4, Nov. 2019.
[6]C. C. Peng and C. L. Lee, ‘‘Performance demands based servo motor speed control: A genetic algorithm proportional-integral control parameters design,’’ Proc. International Symposium on Computer, Consumer and Control (IS3C), pp. 469–472, Nov. 2020.
[7]L. Wang, T. J. D. Barnes, and W. R. Cluett, “New frequency-domain design method for PID controllers,” Proc. IEE Proceedings D— Control Theory and Applications, vol. 142, no. 4, pp. 265–271. 1995.
[8]R.V. Jain, M.V. Aware, and A.S. Junghare, “Implementation of a PID control PWM Module on Altera DE0 Kit Using FPGA,” 2016 IEEE First International Conference on Control, Measurement and Instrumentation (CMI), pp. 341-345, 2016.
[9]Arduino UNO R3 Product Reference Manual, Arduino S.r., 2022.
[10]A. M. Iswanto, N. M. Raharja, P. Aditya Rosyady, A. R. Cahya Baswara and A. A. Nuryono, "Control of DC Motor Using Proportional Integral Derivative (PID): Arduino Hardware Implementation," 2020 2nd International Conference on Industrial Electrical and Electronics (ICIEE), pp. 74-78, 2020.
[11]K. H. Ang, G. C. and Y. Li, "PID control system analysis, design, and technology," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 13, no. 4, pp. 559-576. 2005.
[12]M. A. Sahib, ‘‘A novel optimal PID plus second order derivative controller
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[13]M. Shahbazi, P. Poure, S. Saadate and M.R. Zolghadri, “FPGA-based reconfigurable control for fault-tolerant back-to-back converter without redundancy,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 8, pp.3360-3371, 2013.
[14]周立翔,基於硬體迴路模擬馬達控制氣實現,淡江大學蛋雞工程學系碩士論文(指導教授:周永山),2016。
[15]許佳傑,切換式電壓轉換電路數位脈波寬度調便控制器之實現,中華大學電機工程學系碩士論文(指導教授:宋朝宋),2004。
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