第三章 基於比例積分微分類神經網路之氣動馬達速度控制系統
3.4 實驗結果
實驗主要是做氣動馬達的轉速(rpm)控制，所以會先設定一個期望轉速，並且 利用本章所介紹的控制策略來控制馬達，同時呈現馬達的實際轉速、誤差及輸出 的控制電壓。共有兩個情況，情況一為無載情況；情況二加了 5 Nm 的負載，加 負載的情況更可以考驗控制器的強健性，因此在情況二的追隨效果與情況一相比 皆較差。而兩個情況的期望轉速均為一弦波指令，參數設定從 600rpm 到 1000rpm，
振幅為 200。
圖 3.4 為傳統型 PID 在無載情況下的實驗波型分別為期望轉速追隨 (a)、轉 速誤差 (b)、控制電壓 (c)；圖 3.5 為 PID 在另一情況有加載的實驗波型分別為期 望轉速追隨 (a)、轉速誤差 (b)、控制電壓 (c)。可以明顯從圖 3.4 及圖 3.5 中發現，
加載的誤差波型明顯大於無載的誤差波型。由於加了負載，馬達必須維持相同轉 速的情況下所需要的氣體流量也會相對提升，因此可以在控制電壓波形圖發現，
當轉速上升至波峰 1000rpm 的過程，加載情況的控制電壓輸出會大於無載情況。
圖 3.6 和圖 3.7 為具學習能力的 PIDNN 分別在無載及加載清況下的波形圖。
在加載和無載的情況可以由控制電壓波型圖大小分辨，有負載的情形下所需要的 輸出相對大。將 PIDNN 和 PID 的兩組波型圖對照，在誤差波型圖清楚顯示，經 由每次誤差的學習、更新參數的 PIDNN 有較佳的控制性能。
為進一步比較，本論文採用了三種評估標竿，包含為最大轉速誤差 T 、 平M 均轉速誤差 T 、 轉速誤差之標準差 A TS 、性能改善率 TI分別定義如下：
) ( ) ( ) ( where )),
( (
max T N T N N N
T e e d r
M N (3.22)
42
R N T T
R
N e A
1
)) ( (
(3.23)
R
N
A e
S R
T N T T
1
)2
) (
( (3.24)
% 100
,
,
PID A
A PID A
I T
T
T T (3.25)
其中 R 是所有的資料數量。控制性能經由性能標竿 T 、 M T 及改善率 A TI可 以輕易地比較出優劣，其中改善率是各個控制器平均誤差和 PID 平均誤差的差值 將 PID 控制器平均誤差為基準所求得的改善程度。此外，追蹤過程的震盪程度可 以經由性能標竿 TS 觀察。
而從量化的數據可以更清楚發現每個控制器在無載情況的控制效能皆優於 加載情況；在同一個情況下 PID 與 PIDNN 的控制表現，不論在最大值、標準差 及平均值 PIDNN 均低於 PID，因此可以確定具備線上學習能力的 PIDNN 可以有 效發揮學習的效果，達到更好的效能。
43
圖 3.4 採用 PID 控制器之氣動馬達系統實驗波型：(a)情況一之期望轉速追隨、(b) 情況一之轉速誤差、(c)情況一之控制電壓
1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400
100rpm
期望轉速
實際轉速
25rpm
0.5V
時間 (秒) (a)
轉速(rpm)
100 75 50 25 0 -25 -50
−75
− 100
追隨誤差(rpm)
時間 (秒) (b)
時間 (秒) (c)
控制電壓(V)
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
10秒
10秒
10秒
44
圖 3.5 採用 PID 控制器之氣動馬達系統實驗波型：(a)情況二之期望轉速追隨、(b) 情況二之轉速誤差、(c)情況二之控制電壓
1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400
100rpm
25rpm
0.5V 100
75 50 25 0 -25 -50
−75
− 100
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
10秒
10秒
10秒
轉速(rpm) 期望轉速
實際轉速
時間 (秒) (a)
時間 (秒) (b)
追隨誤差(rpm)
時間 (秒) (c)
控制電壓(V)
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圖 3.6 採用 PIDNN 控制器之氣動馬達系統實驗波型：(a)情況一之期望轉速追隨、
(b)情況一之轉速誤差、(c)情況一之控制電壓 1200
1100 1000 900 800 700 600 500 400
100rpm
25rpm
0.5V 100
75 50 25 0 -25 -50
−75
− 100
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
10秒
10秒
10秒 時間 (秒)
(a)
時間 (秒) (b)
時間 (秒) (c)
轉速(rpm)追隨誤差(rpm)
期望轉速
實際轉速
控制電壓(V)
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圖 3.7 採用 PIDNN 控制器之氣動馬達系統實驗波型：(a)情況二之期望轉速追隨、
(b)情況二之轉速誤差、(c)情況二之控制電壓 1200
1100 1000 900 800 700 600 500 400
100rpm
25rpm
0.5V 100
75 50 25 0 -25 -50
−75
− 100
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
10秒
10秒
10秒
轉速(rpm)追隨誤差(rpm)
時間 (秒) (a)
時間 (秒) (b) 期望轉速
實際轉速
時間 (秒) (c)
控制電壓(V)
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