摘要

傳統的液壓缸同步運動系統，往往倚賴液壓迴路或連桿機構的設計以達到同步運動的要求，因此常有精確度不足、造價昂貴與設備體積龐大等缺點。因此，本文提出一非線性控制策略以控制比例方向閥開度，進而在系統具有不平衡與不確定性負載時，達成雙液壓缸同步運動之目的。為了探討兩活塞在具有不同負載的情況下，對系統所造成的影響，此處將系統的兩組活塞裝置設計成可任意增減荷重的機構，且於兩活塞中間不加入任何硬體拘束，使得兩活塞可各別自由運動。另外，每一單缸液壓系統最大荷重可達210kg。
由於雙液壓缸系統內部的工作流體之壓力與流量存在高複雜度的耦合效應，因此，文中以前饋控制器搭配模糊控制器的設計方式克服雙缸同步運動的問題。首先，藉由前饋控制器的設計，讓每一單缸液壓系統均能追循同一速度軌跡進行運動。其次，對每一單缸液壓系統設計個別的模糊控制器以提升軌跡追循的性能。最後，為了改善系統同步運動的性能，針對雙液壓缸系統之耦合效應設計出第三個模糊控制器以補償之。經由實驗結果證實，所提出的控制方式可將系統之同步運動誤差抑制在10mm以內，因此深具可行性。

關鍵字：同步運動、模糊控制器、比例方向閥、前饋控制器

Abstract

Traditional synchronous motion control of a multi-cylinder system was always achieved by using hydraulic loops design and constrained linkage mechanisms. Therefore, these control methodologies always have many disadvantages, such as inaccuracy, cost expensive, and huge volume of the equipment, and so on. In this paper, the nonlinear control strategy was proposed to control the proportional directional valves of two-cylinder electro-hydraulic system in order to achieve synchronous motion under the consideration of unbalanced and uncertainty loading. Besides, in order to explore influence of different loading to the system, two-cylinder mechanism was designed to have individual loading device without any hardware constrain between two pistons. And the maximum loading capacity for one piston is 210kg.

Due to the highly complicated coupling effect of internal pressure and flow rate for two cylinders, in this paper, feedforward controller with three fuzzy controllers was designated to overcome the problem of synchronous motion. In the first, the feedforward controller of each cylinder is developed to track a desire velocity trajectory. Then, the fuzzy control of each cylinder was specified to improve the individual tracking performance. Finally, the third fuzzy controller was performed to compensate the coupling effect of two-cylinder in order to progressively improve the performance of synchronous motion. According to the experimental results, the proposed control strategy for synchronous motion of two-cylinder system was verified and the maximum synchronous error of the total system was controlled to be within 10mm.

Keyword: synchronous motion; proportional directional valve;
fuzzy controller; feedforward controller

目錄

目錄……………………………………………………………………….i
圖索引…………………………………………………………………...iii
表索引…………………………………………………………………...ix
中文摘要…………………………………..……………………………..x
英文摘要…………………………………..…………………………….xi
第一章 緒論……………………………………………………………..1
1.1 前言………………………………………………………....1
1.2 研究動機與目的……………………………………………2
1.3 文獻回顧……………………………………………………3
1.4 論文架構……………………………………………………4

第二章 液油壓伺服系統之動態模式…………………………………..5
2.1 單缸液壓伺服系統動態模式的建立………………………7
2.2 雙缸液壓伺服系統動態模式的建立……….….…………26
2.3 系統建模結果與實際實驗結果之比較…………..………29

第三章 控制器設計……………………………………………………38
3.1 前饋控制器設計…………………………………………..38
3.2 模糊控制器設計…………………………………………..46
3.2.1 模糊控制理論………………………………………..46
3.2.2 模糊控制器設計……………………………………..53
3.3 控制器模擬結果與討論…………………………………..59

第四章 實驗結果與討論……………………………………………..71
4.1 實驗設備與架構…………………………………………..71
4.2 實驗結果與分析…………………………………………..82
4.2.1 實驗設備的性能分析……...………………………...82
4.2.2 前饋控制器的實驗結果與分析……………………..86
4.2.3 前饋控制器結合模糊控制器的實驗結果與分析…..87

第五章 結論…………………………………………………………113
參考文獻………………………………………………………………116
附錄……………………………………………………………………119
附錄一 運用Visual Basic所撰寫之人機介面………………………119


圖索引

圖2-1 系統整體架構示意圖…………………………………………6
圖2-2 液壓缸體與荷重之構造示意圖………………………………7
圖2-3 活塞上升時比例方向閥內部液壓油之流向示意圖…………8
圖2-4 活塞上升時比例方向閥內部液壓油之流向示意圖…………9
圖2-5 右活塞上升時比例方向閥入口處控制輸入電壓曲線圖.….11
圖2-6 右活塞上升時比例方向閥出口處控制輸入電壓曲線圖…..12
圖2-7 右活塞下降時比例方向閥入口處控制輸入電壓曲線圖…..12
圖2-8 右活塞下降時比例方向閥出口處控制輸入電壓曲線圖…..13
圖2-9 液壓缸體內部狀態示意圖…………………………………..15
圖2-10 右活塞上升時活塞與液壓缸壁間的摩擦力與速度曲線圖..17
圖2-11 右活塞下降時活塞與液壓缸壁間的摩擦力與速度曲線圖..17
圖2-12 液壓缸體與活塞位置之洩漏情形…………………………..18
圖2-13 左活塞上升時比例方向閥入口處控制輸入電壓曲線圖…..21
圖2-14 左活塞上升時比例方向閥出口處控制輸入電壓曲線圖…..22
圖2-15 左活塞下降時比例方向閥入口處控制輸入電壓曲線圖…..22
圖2-16 左活塞下降時比例方向閥出口處控制輸入電壓曲線圖…..23
圖2-17 左活塞上升時活塞與液壓缸壁間的摩擦力與速度曲線圖..24
圖2-18 左活塞下降時活塞與液壓缸壁間的摩擦力與速度曲線圖..25
圖2-19 分流示意圖…………………………………………………..26
圖2-20 右缸系統響應圖(0kg-3V)(a)位置(b)液壓缸入口壓力….….32
圖2-21 右缸系統響應圖(0kg-5V)(a)位置(b)液壓缸入口壓力……..33
圖2-22 右缸系統響應圖(0kg-7V)(a)位置(b)液壓缸入口壓力……..34
圖2-23 左缸系統響應圖(0kg-3V)(a)位置(b)液壓缸入口壓力……..35
圖2-24 左缸系統響應圖(0kg-4V)(a)位置(b)液壓缸入口壓力……..36
圖2-25 左缸系統響應圖(0kg-5V)(a)位置(b)液壓缸入口壓力……..37
圖3-1 軌跡之位置曲線圖…………………………………………..39
圖3-2 軌跡之速度曲線圖…………………………………………..40
圖3-3 軌跡之加速度曲線圖………………………………………..40
圖3-4 前饋控制器設計流程圖……………………………………..45
圖3-5 模糊控制器架構圖…………………………………………..46
圖3-6 模糊集合之宇集合分割與歸屬函數示意圖………………..48
圖3-7 模糊推論法之說明圖………………………………………..49
圖3-8 PID過程分析圖……………………………………………...50
圖3-9 PID相位平面分析圖………………………….……………..51
圖3-10 模糊規則庫之控制區域圖…………………………………..52
圖3-11 模糊控制器與系統之整體架構圖…………………………..54
圖3-12 右邊修正軌跡追循誤差模糊控制器之歸屬函數圖………..57
圖3-13 右邊修正軌跡追循誤差模糊控制器之歸屬函數圖………..57
圖3-14 修正同步誤差模糊控制器之歸屬函數圖…………………..58
圖3-15 兩活塞均荷重0kg之前饋控制器模擬圖(a)位置響應
(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差……………………………….62
圖3-16 左活塞荷重210kg且右活塞荷重0kg之前饋控制器
模擬結果圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差…….64
圖3-17 兩活塞均荷重0kg之修正軌跡追循誤差模糊控制器
模擬結果圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差…….65
圖3-18 左活塞荷重210kg且右活塞荷重0kg之修正軌跡追循
誤差模糊控制器模擬結果圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差
(c)同步誤差…………………………………………………..67
圖3-19 兩活塞均荷重0kg之整合系統所有控制器之模擬結果圖
(a) 位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差…………………68
圖3-20 左活塞荷重210kg且右活塞荷重0kg之整合系統所有控制器
之模擬結果圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差….70
圖4-1 實驗設備圖…………………………………………………..71
圖4-2 閥組圖………………………………………………………..72
圖4-3 壓力計位置圖………………………………………………..73
圖4-4 實驗系統架構圖……………………………………………..74
圖4-5 比例洩放閥流量、壓力與訊號特性圖……………………..77
圖4-6 比例方向閥訊號、流量、壓力與頻率特性圖……………..77
圖4-7 比例方向閥之各出入口尺寸圖……………………………..78
圖4-8 輸入訊號之頻譜圖…………………………………………..84
圖4-9 所接收之訊號的頻譜圖(a)第零個頻道(b)第一個頻道…….85
圖4-10 兩活塞均荷重0kg之前饋控制器實驗圖(a)位置響應
(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差……………………………….90
圖4-11 兩活塞均荷重180kg之前饋控制器實驗圖(a)位置響應
(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差……………………………….91
圖4-12 左活塞荷重0kg且右活塞荷重210kg之前饋控制器
實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………….93
圖4-13 左活塞荷重210kg且右活塞荷重0kg之前饋控制器
實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………….94
圖4-14 兩活塞荷重均為0kg之前饋控制器結合兩修正軌跡追循
誤差之模糊控制器實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差
(c)同步誤差…………………………………………………..96


圖4-15 兩活塞荷重為180kg之前饋控制器結合兩修正軌跡追循
誤差模糊控制器實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差
(c)同步誤差…………………………………………………..97
圖4-16 左活塞荷重0kg且右活塞荷重210kg之前饋控制器結合
兩修正軌跡追循誤差模糊控制器實驗圖(a)位置響應
(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差…………………………….…99
圖4-17 左活塞荷重210kg且右活塞荷重0kg之前饋控制器結合
兩修正軌跡追循誤差模糊控制器實驗圖(a)位置響應
(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………………………………100
圖4-18 兩活塞荷重均為0kg之整合系統所有控制器實驗圖
(a) 位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………………..102
圖4-19 兩活塞荷重均為180kg之整合系統所有控制器實驗圖
(a) 位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………………..103
圖4-20 左活塞荷重0kg且右活塞荷重210kg之整合系統所有
控制器實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差...105
圖4-21 左活塞荷重210kg且右活塞荷重0kg之整合系統所有
控制器實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差...106
圖4-22 左、右活塞均荷重0kg之多階段定位實驗圖(a)位置響應
(b) 軌跡追循誤差(c)同步誤差……………………………...108
圖4-23 左、右活塞均荷重180kg之多階段定位實驗圖
(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………………...109
圖4-24 左活塞荷重0kg且右活塞荷重210kg之多階段定位
實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………...111
圖4-25 左活塞荷重210kg且右活塞荷重0kg之多階段定位
實驗圖(a)位置響應(b)軌跡追循誤差(c)同步誤差………...112
圖A-1 人機介面之主畫面………………………………………….119
圖A-2 軌跡設計介面……………………………………………….120
圖A-3 模糊控制器設計介面……………………………………….120
圖A-4 系統鑑別使用介面………………………………………….121


表索引

表3-1 模糊控制規則庫……………………………………………..52
表3-2 左、右兩活塞荷重均為0kg時，在不同電壓下的單缸
步階響應數值表……………………………………………..55
表3-3 左、右兩活塞荷重均為120kg時，在不同電壓下的
單缸步階響應數值表………………………………………..56
表3-4 左、右兩活塞荷重均為210kg時，在不同電壓下的
單缸步階響應數值表………………………………………..56
表3-5 不同荷重下活塞速度為120mm/s之相對應的
控制輸入電壓實驗值………………………………………..59
表4-1 馬達規格表…………………………………………………..75
表4-2 泵浦規格表…………………………………………………..76
表4-3 電阻尺規格表………………………………………………..79
表4-4 壓力計規格表………………………………………………..80
表4-5 液壓油規格表………………………………………………..82

參考文獻

[1] McCLOY D., Matrin H. R., Control of Fluid Power Analysis and Design, Ellis Horwood Limiter, New York – Chichester – Brisbane – Toronto, 1980.

[2] Stewart H. L., Pneumatics and Hydraulics, The Bobbs – Merrill Company, Indianapolis/New York, 1984.

[3] Furesz F., Harkay G., Kroell Dulay I. and Lukacs J., Fundamentals of Hydraulic Power Transmission, Elsevier, Amsterdam – Oxford – New York – Tokyo, 1988

[4] 鄭裕, 李春伯, “四缸電液伺服系統之適應性同步控制”, 中國機械工程學會第十四屆全國學術研討會論文集, pp. 64-70, 民國八十六年。

[5] Hong Sun, George T.-C Chiu, “Equalization of Multi-Cylinder Electro-Hydraulic Systems”, Proceedings of the American Control Conference, Chicago, pp. 4134-4138, 2000.

[6] Hong Sun, George T.-C Chiu, “Motion Synchronization for Multi-Cylinder Electro-Hydraulic System”, Proceedings of IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, Como, Italy, pp. 636-641, 2001.

[7] Merritt H. E., Hydraulic Control Systems, John Wiley & Sons, New York – London – Sydney , 1976.

[8] Fitch E. C., Hong I. T., Hydraulic Component Design and Selection, BarDyne , Oklahoma, 1997.

[9] Brian Armstrong-Helouvry, Control of Machines with Friction, Kluwer Academic, Boston – Dordrecht – London, 1991.
[10] Munson B. R., Young D. F.,Okiishi T. H., Fundamentals of Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, New York – Chichester – Brisbane – Toronto – Singapore, 1994.

[11] C. Y. Chen, C. C. Cheng and G. T.-C. Chiu, “Adaptive robust control of media advance systems for thermal inkjet printers”, Mechatronics, pp. 111-126, 2000.

[12] 左藤俊雄, 油壓伺服控制技術, 全華科技圖書股份有限公司, PP. 153-155, 民國76年。

[13] 余冬帝, “適應性模糊控制應用於電液負載感測系統之研究”, 碩士論文, 國立台灣科技大學工程技術研究所, 民國八十九年。

[14] 安信誠二, FUZZY 工學, 全華科技圖書股份有限公司, 中華民國八十二年。

[15] 菅野道夫, FUZZY 控制, 全華科技圖書股份有限公司, 中華民國八十二年。

[16] Ross T. J., Fuzzy Logic With Engineering Applications, McGraw-Hill, New York – St. Louis – San Francisco – Auckland – Bogota – Caracas – Lisbon – London – Mardrid – Mexico City – Milan – Montreal – New Delhi – San Juan – Singapore – Sydney – Tokyo – Toronto, 1995.

[17] 王文俊, 認識FUZZY, 全華科技圖書股份有限公司, 民國八十八年。
[18] Li – Xin Wang, A Course in Fuzzy Systems and Control, Hall PTR Prentice – Hall, 1997.

[19] Abraham K., Gideon Langholz, Fuzzy Control Systems, CRC ,Boca Raton – Ann Arbor – London – Tokyo, 1993.

[20] 孫宗瀛, 楊英魁, FUZZY 控制理論、實作與應用, 全華科技圖書股份有限公司, 民國八十八年。

[21] 陳耀祖, “參數適自調模糊控制器於海體無人小艇方為控制之研究”, 碩士論文, 國立中山大學機械研究所, 民國八十四年。