實驗結果與討論

為了測試音圈馬達系統的強健性，本章節除了會以弦波的控制命令來評估性 能的好壞外，還會以梯形波的控制命令來評估性能的好壞，驅動器倍率為 1A/V。

本章節會分別比較三個控制器 PID、CFNN 與 CFNN-DPSO，並且以 4.2kg 的負載 當作外部干擾。本論文也會分為無負載實驗(情況一)與加載實驗(情況二)，為了評 估各個控制器的誤差追隨性能，故需要定義性能的指標大小，分別為最大位置誤 差T_M 、平均位置誤差T_A、位置誤差之標準差T_S。

本論文參數的設計方法如下表示能保證系統穩定，PID 控制器參數設計如下

20

kp 、k_i 0.1、k_d 30，CFNN 線上學習演算法之學習率設計如下 =0.02、_w

c=1、_d=1、 =1 與_m  =1，DPSO 初值設計如表 4. 1。 _

表 4. 1 DPSO 演算法參數初始值

參數 相關變數 參數 相關變數

P ⁵ S¹ 0.1

D ² M¹ 2

init ,

1 0.1 S_² 0.1

f in ,

1 0.5 M_² 2

init ,

2 0.5 S¹_v -2

fin ,

2 0.1 M_v¹ 2

max 0.5 S_v² -2

min 0.1 M_v² 2

Imax 100

適應函數的定義如(4-67)所示，可以看到圖 4. 7 與圖 4. 8 的變化，適應值隨著 疊代的次數慢慢增加，代表本次實驗所找的參數有越來好的趨勢，適應函數定義 如下：

70



^{( ) ( 1) ... ( 1)}



¹

) (









      



 H

H I e I

e I I e

f_i  ^{d d d} (4-67)

其中



的範圍為0 1，目的是為了防止分母為零，e_d為採用 DPSO 追隨誤差大 小，H 為誤差平均大小範圍為 I≧H。

圖 4. 7 情況一之 DPSO 適應函數變化圖

圖 4. 8 情況二之 DPSO 適應函數變化圖

由於受控體是不相同的，所以本章節還是會以 PID 控制器為第一組實驗，分 別做弦波的控制命與梯形波命令圖 4. 9 與圖 4. 15，並加入負載以評估系統強健性 圖 4. 10 與圖 4. 16，可以以觀察圖 4. 21 與圖 4. 23 了解到在情況一時 CFNN 控制 的最大值都會比 PID 控制效果還差圖 4. 11 與圖 4. 17，但是加入 DPSO 的 CFNN-DPSO 控制器效果有明顯提升，雖然在弦波控制命令下不明顯但是圖 4. 13 與圖 4.

14，在情況二與與梯形波能看到明顯變化圖 4. 19 與圖 4. 20。標準差對於弦波命 令來說，雖然優於其它控制器，但是在情況二負載變化效果卻為最差，在固定的 模式與負載的情形下 PID 雖然有時候能優於其它控制器，但是在有外界干擾時 PID 因不能因應變化所以效果會遠遠差於其它控制器。誤差平均值的變化都是以 PID 控制器最為差，再來是有自行學習能力的 CFNN 控制系統，效果最好的則是 加入 DPSO 搜索最佳化參數的 CFNN-DPSO 控制系統。

Fitness Value

Generation

100 Generations

1

Fitness Value

1

Generation

100 Generations

71

圖 4. 9 採用 PID 控制器情況一之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b)控制 電流、(c)位置誤差

圖 4. 10 採用 PID 控制器情況二之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b)控制 電流、(c)位置誤差

0mm

0A

Reference Trajectory

Mover Position Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm)

0.1mm 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

-3mm

6mm

1sec

1sec

1sec

0mm

0A

Reference Trajectory

Mover Position Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

-3mm

6mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

72

圖 4. 11 採用 CFNN 控制器情況一之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b) 控制電流、(c)位置誤差

圖 4. 12 採用 CFNN 控制器情況二之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b) 控制電流、(c)位置誤差

0mm

0A

Reference Trajectory

Mover Position Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

-3mm

6mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

0mm

0A

Reference Trajectory

Mover Position Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

-3mm

6mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

73

圖 4. 13 採用 CFNN-DPSO 控制器情況一之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響 應、(b)控制電流、(c)位置誤差、(d) K1與 K2之變化

圖 4. 14 採用 CFNN-DPSO 控制器情況二之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響 應、(b)控制電流、(c)位置誤差、(d) K1與 K2之變化

0mm

0A

Reference Trajectory

Mover Position Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

Jacobian Value

Time (sec) (d) 0mm

-3mm

6mm

1sec 1sec

1sec

0.2 1

0.1mm 1sec

K1 K₂

0mm

0A

Reference Trajectory

Mover Position Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

Jacobian Value

Time (sec) (d) 0mm

-3mm

6mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

1sec 0.2

1

K1 K2

74

圖 4. 15 採用 PID 控制器情況一之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b)控制 電流、(c)位置誤差

圖 4. 16 採用 PID 控制器情況二之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b)控制 電流、(c)位置誤差

0mm

0A

Reference Trajectory

Mover Position Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

6mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

0mm

0A Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

Reference Trajectory

Mover Position

6mm

75

圖 4. 17 採用 CFNN 控制器情況一之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b) 控制電流、(c)位置誤差

圖 4. 18 採用 CFNN 控制器情況二之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響應、(b) 控制電流、(c)位置誤差

0mm

0A Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

Reference Trajectory

Mover Position

6mm

0mm

0A Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

0mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

Reference Trajectory

Mover Position

6mm

76

圖 4. 19 採用 CFNN-DPSO 控制器情況一之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響 應、(b)控制電流、(c)位置誤差、(d) K1與 K2之變化

圖 4. 20 採用 CFNN-DPSO 控制器情況一之音圈馬達系統實驗結果：(a)追隨響 應、(b)控制電流、(c)位置誤差、(d) K1與 K2之變化

0mm

0A Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

Jacobian Parameters

Time (sec) (d) 0mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

1sec 0.2

Reference Trajectory

Mover Position

6mm

K1 K2

0mm

0A Mover Position (mm)

3mm

Control Effort (A)Tracking Error (mm) 0.5A

Time (sec) (a)

Time (sec) (c) Time (sec)

(b)

Jacobian Parameters

Time (sec) (d) 0mm

1sec

1sec

0.1mm 1sec

0.2 1sec 1

Reference Trajectory

Mover Position

6mm

K1 K₂

77

圖 4. 21 弦波之音圈馬達控制性能指標量測圖情況一

圖 4. 22 弦波之音圈馬達控制性能指標量測圖情況二

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

TM TA TS

PID CFNN CFNN-DPSO

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

TM TA TS

PID CFNN CFNN-DPSO

78

圖 4. 23 梯形波之音圈馬達控制性能指標量測圖情況一

圖 4. 24 梯形波之音圈馬達控制性能指標量測圖情況二

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

TM TA TS

PID CFNN CFNN-DPSO

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

TM TA TS

PID CFNN CFNN-DPSO

79

表 4. 2使用 CFNN-DPSO 之控制性能指標量測情況一

追隨誤差 (mm)

控制器

PID CFNN CFNN-DPSO

弦波 梯形波 弦波 梯形波 弦波 梯形波

TM 0.112 0.164 0.116 0.168 0.112 0.152

TA 0.0236 0.017 0.0223 0.0138 0.0198 0.0132

TS 0.0177 0.025 0.0208 0.0206 0.0185 0.0198

表 4. 3使用 CFNN-DPSO 之控制性能指標量測情況二

追隨誤差 (mm)

控制器

PID CFNN CFNN-DPSO

弦波 梯形波 弦波 梯形波 弦波 梯形波

TM 0.152 0.356 0.116 0.336 0.108 0.356

TA 0.0213 0.036 0.0125 0.0273 0.0117 0.0223

TS 0.0156 0.612 0.0106 0.0505 0.0098 0.0407

80

在文檔中 以數位訊號處理器實現之智慧型音圈馬達定位控制系統 (頁 84-95)