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研究生：	龔峻瑋 Jiun-Wei Gung
論文名稱：	重置型積分器於內部模型原理之應用 Applications of a Reset Law to Internal Model Principle-Based Controller Design
指導教授：	呂有勝 Lu, Yu-Sheng
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	機電工程學系 Department of Mechatronic Engineering
論文出版年：	2013
畢業學年度：	101
語文別：	中文
論文頁數：	113
中文關鍵詞：	線性積分器、內部模型原理、滑動模式、重置控制
英文關鍵詞：	Linear integrator, Internal model principle, Sliding mode, Reset control
論文種類：	學術論文
相關次數：	點閱：217 下載：0
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一般控制器使用的積分器為線性積分器（Linear Integrator，LI），其易使系統響應有超越量(Overshoot)。重置型積分器是由J. C. Clegg所提出，故又稱為Clegg積分器(Clegg Integrator，CI)。將CI應用於積分控制器，當系統輸出誤差為零，便將積分器的輸出值歸零，如此可有效地降低響應的超越量。
以內部模型原理 (Internal Model Principle，IMP)為基礎的控制迴路包括干擾(Disturbance)的模型，可漸近地消除干擾影響；同樣地，若控制迴路包含參考訊號(Reference)的模型，則可漸近地達到完美的軌跡追蹤。但，由於控制迴路加入內部模型，常使得系統輸出響應有極大的超越量或振盪(Oscillation)現象。針對以內部模型原理為基礎的控制器加入CI，以降低系統輸出響應的超越量或振盪。並提出提前重置積分器，使暫態時保有CI降低超越量特性，且穩態時仍有LI抑制干擾的能力。
本論文將三菱伺服馬達與精密線性模組和量測元件等整合成一個線性平台系統，進行直線運動定位控制實驗。採用 TI TMS320C6713 DSP與 Xilinx可程式閘陣列(FPGA)結合而成之控制器硬體核心，並以C語言與硬體描述語言(VHDL)作為控制器設計之發展工具，並將所提出的控制律實現與驗證於伺服馬達平台，以驗證其可行性。

Commonly-used liner integrator (LI) usually causes system overshoot. J. C. Clegg proposed a reset control element, called Clegg integrator (CI). The CI consists of an integrator whose output is set to zero whenever its input is zero, which can effectively reduce the maximum overshoot in output response.
The internal model principle (IMP) states that when a control loop contains a disturbance model, the system can eliminate disturbance asymptotically. Similarly, when a control loop contains the model of a reference signal, the system can achieve prefect reference tracking. However, a control system designed nased on IMP usually gives output responses with great overshoot or oscillation. The CI with advance reset is added to the IMP-based control system in order to improve transient performance without sacrificing its capability of disturbance rejection.
Experimental studies are conducted on a linear motion stage for positioning control. In the experimental system, the control kernel is a DSP/FPGA system, and the C language and VHDL are utilized as development tools for the servo control system. Experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed reset law.

摘要.......................................................I
ABSTRACT..................................................II
致謝.....................................................III
目錄......................................................IV
表目錄....................................................VII
圖目錄...................................................VIII
第一章    緒論..............................................1
1.1    前言................................................1
1.2    文獻回顧.............................................2
1.3    論文架構.............................................4
第二章    實驗系統與系統鑑別...................................5
2.1    系統架構.............................................5
2.2    系統硬體架構..........................................7
2.2.1  訊號處理架構..........................................7
2.2.2  系統位置與速度回授訊號..................................8
2.2.3  線性平台系統鑑別......................................10
第三章    重置積分器設計之應用................................12
3.1    內部模型原理介紹(Internal Model Principle，IMP).......12
3.1.1  誤差回授線性控制器(EFC)設計...........................12
3.1.2  一階內部模型原理控制器設計.............................13
3.1.3  二階內部模型原理控制器設計.............................14
3.1.4  三階內部模型原理控制器設計.............................15
3.1.5  EFLC之定位實驗......................................17
3.2    Clegg積分器(Clegg Integrator，CI)...................20
3.2.1  使用CI之EFC設計.....................................20
3.2.2  使用CI之EFC定位實驗..................................22
3.3    提前重置Clegg積分器(CI with Advance Reset，CI-AR).....30
3.3.1  使用CI-AR之EFC設計..................................30
3.3.2  使用CI-AR之EFC定位實驗    ...........................31
3.4    不同邊界值於CI-AR之EFC定位實驗.........................35
3.5    滑動回授線性控制器(SFC)...............................44
3.5.1  一階內部模型原理控制器設計.............................44
3.5.2  二階內部模型原理控制器設計.............................45
3.5.3  三階內部模型原理控制器設計.............................46
3.5.4  SFC之定位實驗.......................................48
3.6    改良型重置Clegg積分器(Improved Clegg Integrator，ICI).50
3.6.1  使用ICI之SFC設計....................................52
3.6.2  使用ICI之SFC定位實驗.................................52
3.7    改良型提前重置Clegg積分器(ICI with Advance Reset，ICI-AR)......................................................62
3.7.1  使用ICI-AR之SFC設計.................................62
3.7.2  使用ICI-AR之SFC定位實驗..............................64
第四章    滑動模式積分器設計之應用.............................72
4.1    滑動模式原理介紹(Sliding Mode Controller，SMC)........72
4.2    使用內部模型原理之SMC設計..............................75
4.2.1  一階內部模型原理控制器設計.............................75
4.2.2  二階內部模型原理    控制器設計.........................75
4.2.3  三階內部模型原理控制器設計.............................75
4.2.4  SMC之定位實驗.......................................78
4.3    改良型重置Clegg積分器(Improved Clegg Integrator，ICI).80
4.3.1  使用ICI之SMC設計....................................80
4.3.2  使用ICI之SMC定位實驗.................................81
4.4    改良型提前重置Clegg積分器(ICI with Advance Reset，ICI-AR)......................................................94
4.4.1  使用ICI-AR之SMC設計.................................94
4.4.2  使用ICI-AR之SMC定位實驗..............................95
4.5    不同邊界值於ICI-AR之SMC定位實驗.......................105
第五章    結論............................................109
參考文獻..................................................110


表目錄
表2-1    相位判別技術........................................8
表3-1    FOIM w. r=20於不同積分器實驗之性能指標................55
表3-2    FOIM w. r=40於不同積分器實驗之性能指標................55
表3-3    SOIM w. r=20於不同積分器實驗之性能指標................58
表3-4    SOIM w. r=40於不同積分器實驗之性能指標................58
表3-5    TOIM w. r=20於不同積分器實驗之性能指標................61
表3-6    TOIM w. r=40於不同積分器實驗之性能指標................61



圖目錄
圖2-1    實際系統硬體架構圖...................................6
圖2-2    線性平台系統圖......................................6
圖2-3    線性平台硬體架構圖...................................7
圖2-4    編碼器相位輸出.......................................8
圖2-5    FPGA內部方塊圖......................................9
圖3-1    SFC與FOIM-EFLC比較...................................................................18
圖3-2    FOIM-EFLC與SOIM-EFLC比較.....................................................18
圖3-3    SOIM-EFLC與TOIM-EFLC比較.....................................................19
圖3-4    FOIM-EFLC w. LI與FOIM-EFLC w. CI比較..................................23
圖3-5    FOIM-EFC w. CI於 之 積分值變化.....................................23
圖3-6    FOIM-EFC w. LI與FOIM-EFC w. CI於 之比較....................24
圖3-7    FOIM-EFC w. CI於 之 積分值變化......................................24
圖3-8    FOIM-EFC w. LI與SOIM-EFC w. CI於 比較........................25
圖3-9    SOIM-EFC w. CI於 之 與 積分值變化.............................25
圖3-10    SOIM-EFC w. LI與SOIM-EFC w. CI於 比較........................26
圖3-11    SOIM-EFC w. CI於 之 與 積分分值變化.........................26
圖3-12    TOIM-EFC w. LI與TOIM-EFC w. CI於 比較.......................27
圖3-13    TOIM-EFC w. CI於 之 與 積分值變化.............................27
圖3-14    TOIM-EFC w. CI於 之 與 積分值變化.............................28
圖3-15    TOIM-EFC w. LI與TOIM-EFC w. CI於 比較........................28
圖3-16    TOIM-EFC w. CI於 之 與 積分值變化..............................29
圖3-17    TOIM-EFC w. CI於 之 與 積分值變化..............................29
圖3-18    FOIM-EFC w. CI與FOIM-EFC w. CI-AR於 比較................33
圖3-19    FOIM-EFC w. CI-AR於 之 積分值變化..............................33
圖3-20    FOIM-EFC w. CI與FOIM-EFC w. CI-AR於 比較.................34
圖3-21    FOIM-EFC w. CI-AR於 之 積分值變化..............................34
圖3-22    SOIM-EFC w. CI與SOIM-EFC w. CI-AR於 比較.................35
圖3-23    SOIM-EFC w. CI-AR於 之 與 積分值變化......................35
圖3-24    SOIM-EFC w. CI與SOIM-EFC w. CI-AR於 比較.................36
圖3-25    SOIM-EFC w. CI-AR於 之 與 積分值變化......................36
圖3-26    TOIM-EFC w. CI與TOIM-EFC w. CI-AR於 比較.................37
圖3-27    TOIM-EFC w. CI-AR於 之 與 積分值變化......................37
圖3-28    TOIM-EFC w. CI-AR於 之 與 積分值變化......................38
圖3-29    TOIM-EFC w. CI與TOIM-EFC w. CI-AR於 比較................38
圖3-30    TOIM-EFC w. CI-AR於 之 與 積分值變化......................39
圖3-31    TOIM-EFC w. CI-AR於 之 與 積分值變化......................39
圖3-32    FOIM-EFC w. CI-AR於 不同邊界值之比較.................41
圖3-33    FOIM-EFC w. CI-AR於 不同邊界值之比較.................41
圖3-34    SOIM-EFC w. CI-AR於 不同邊界值之比較.................42
圖3-35    SOIM-EFC w. CI-AR於 不同邊界值之比較.................42
圖3-36    TOIM-EFC w. CI-AR於 不同邊界值之比較.................43
圖3-37    TOIM-EFC w. CI-AR於 不同邊界值之比較.................43
圖3-38    FOIM-EFC與FOIM-SFC比較.............................48
圖3-39    SOIM-EFC與SOIM-SFC比較...........................49
圖3-40    TOIM-EFC與TOIM-SFC比較...........................49
圖3-41    FOIM w. r=20於不同控制器之誤差比較..................53
圖3-41    FOIM w. r=20於不同控制器之誤差比較..................53
圖3-43    FOIM w. r=40於不同控制器之誤差比較..................54
圖3-44    FOIM w. r=40於不同積分器之相軌跡圖..................54
圖3-45    SOIM w. r=20於不同控制器之誤差比較..................56
圖3-46    SOIM w. r=20於不同積分器之相軌跡圖..................56
圖3-47    SOIM w. r=40於不同控制器之誤差比較..................57
圖3-48    SOIM w. r=40於不同積分器之相軌跡圖..................57
圖3-49    TOIM w. r=20於不同控制器之誤差比較..................59
圖3-50    TOIM w. r=20於不同積分器之相軌跡圖..................59
圖3-51    TOIM w. r=40於不同控制器之誤差比較..................60
圖3-52    TOIM w. r=40於不同積分器之相軌跡圖..................60
圖3-53    FOIM-SFC w. ICI與FOIM-SFC w. ICI-AR於 比較.......65
圖3-54    FOIM-SFC w. ICI-AR於r=20之積分值變化..............65
圖3-55    FOIM-SFC w. ICI與FOIM-SFC w. ICI-AR於 比較.......66
圖3-56    FOIM-SFC w. ICI-AR於 之積分值變化.................66
圖3-57    SOIM-SFC w. ICI與SOIM-SFC w. ICI-AR於 比較.......67
圖3-58    SOIM-SFC w. ICI-AR於 之積分值變化.................67
圖3-59    SOIM-SFC w. ICI與SOIM-SFC w. ICI-AR於 比較.......68
圖3-60    SOIM-SFC w. ICI-AR於 之積分值變化.................68
圖3-61    TOIM-SFC w. ICI與TOIM-SFC w. ICI-AR於 比較.......69
圖3-62    TOIM-SFC w. ICI-AR於 之積分值變化..................69
圖3-63    TOIM-SFC w. ICI-AR於 之積分值變化..................70
圖3-64    TOIM-SFC w. ICI與TOIM-SFC w. ICI-AR於 比較.......70
圖3-65    TOIM-SFC w. ICI-AR於 之積分值變化..................71
圖3-66    TOIM-SFC w. ICI-AR於 之積分值變化..................71
圖4-1    滑動模式控制下的狀態軌跡圖............................72
圖4-2    FOIM-EFSMC與FOIM-SFSMC比較........................78
圖4-3    SOIM-EFSMC與SOIM-SFSMC比較........................79
圖4-4    TOIM-EFSMC與TOIM-SFSMC比較........................80
圖4-5    FOIM-SFSMC w. LI與FOIM-SFSMC w. ICI於 比較........83
圖4-6    FOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態相軌跡圖..................83
圖4-7    FOIM-SFSMC w. ICI於 之穩態響應圖....................84
圖4-8    FOIM-SFSMC w. ICI於 之積分值變化....................84
圖4-9    FOIM-SFSMC w. LI與FOIM-SFSMC w. ICI於 之比較.......85
圖4-10    FOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態相軌跡圖.................85
圖4-11    FOIM-SFSMC w. ICI於 之穩態響應圖...................86
圖4-12    FOIM-SFSMC w. ICI於 之積分值變化...................86
圖4-13    SOIM-SFSMC w. LI與SOIM-SFSMC w. ICI於 比較.......87
圖4-14    SOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態相軌跡圖.................87
圖4-15    SOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態與穩態響應圖..............88
圖4-16    SOIM-SFSMC w. ICI於 之積分值變化...................88
圖4-17    SOIM-SFSMC w. LI與SOIM-SFSMC w. ICI於 比較.......89
圖4-18    SOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態相軌跡圖.................89
圖4-19    SOIM-SFSMC w. ICI於 之穩態響應圖...................90
圖4-20    SOIM-SFSMC w. ICI於 之積分值變化...................90
圖4-21    TOIM-SFSMC w. LI與TOIM-SFSMC w. ICI於 比較.......91
圖4-22    TOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態相軌跡圖.................91
圖4-23    TOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態與穩態響應圖..............92
圖4-24    TOIM-SFSMC w. ICI於 之積分值變化...................92
圖4-25    TOIM-SFSMC w. LI與TOIM-SFSMC w. ICI於 比較.......93
圖4-26    TOIM-SFSMC w. ICI於 之暫態相軌跡圖.................93
圖4-27    TOIM-SFSMC w. ICI餘 之暫態與穩態響應圖..............94
圖4-28    TOIM-SFSMC w. ICI於 之積分值變化...................94
圖4-29    FOIM-SFSMC w. ICI與FOIM-SFSMC w. ICI-AR於 比較
..........................................................97
圖4-30    FOIM-SFSMC w. ICI-AR於 穩態響應圖.................97
圖4-31    FOIM-SFSMC w. ICI-AR於 積分值之變化................98
圖4-32    FOIM-SFSMC w. ICI與FOIM-SFSMC w. ICI-AR於 比較
.........................................................98
圖4-33    FOIM-SFSMC w. ICI-AR於 穩態響應圖.................99
圖4-34    FOIM-SFSMC w. ICI-AR於 積分值之變化...............99
圖4-35    SOIM-SFSMC w. ICI與SOIM-SFSMC w. ICI-AR於 比較
........................................................100
圖4-36    SOIM-SFSMC w. ICI-AR於 穩態響應圖................100
圖4-37    SOIM-SFSMC w. ICI-AR於 積分值之變化...............101
圖4-38    SOIM-SFSMC w. ICI與SOIM-SFSMC w. ICI-AR於 比較
.........................................................101
圖4-39    SOIM-SFSMC w. ICI-AR於 穩態響應圖................102
圖4-40    SOIM-SFSMC w. ICI-AR於 積分值之變化...............102
圖4-41    TOIM-SFSMC w. ICI與TOIM-SFSMC w. ICI-AR於 比較
.........................................................103
圖4-42    TOIM-SFSMC w. ICI-AR於 穩態響應圖................103
圖4-43    TOIM-SFSMC w. ICI-AR於 積分值之變化...............104
圖4-44    TOIM-SFSMC w. ICI與TOIM-SFSMC w. ICI-AR於 比較
.........................................................104
圖4-45    TOIM-SFSMC w. ICI-AR於 穩態響應圖................105
圖4-46    TOIM-SFSMC w. ICI-AR於 積分值之變化..............105
圖4-46    FOIM-SFSMC於不同邊界值之比較......................107
圖4-47    FOIM-SFSMC於不同邊界值之相軌跡圖...................107
圖4-28    SOIM-SFSMC於不同邊界值之比較......................108
圖4-29    SOIM-SFSMC於不同邊界值之相軌跡圖...................108
圖4-30    TOIM-SFSMC於不同邊界值之比較......................109
圖4-31    TOIM-SFSMC於不同邊界值之相軌跡圖...................109

                                

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