第三章 電動百葉窗與分散式監控系統
3.3 控制迴路與控制流程
本研究之電動百葉窗控制目標有兩項：百葉片的「角度」與百葉窗放下的「長度」， 因此控制架構中須要有兩個迴路來各別回授控制這兩種狀態：長度控制與角度控制迴 路。控制長度時，首先由電腦經由RS232 端發送字串命令給監控模組，將馬達與電源 之間的繼電器(Relay)短路，使得馬達開始轉動，然後長度相差小於 1 公分時，就把繼 電器開路，而其中與正負不同電源連接的繼電器，分別可使馬達正轉與反轉，詳細流 程如圖23 與圖 25，長度控制的時域響應如圖 26。角度控制也是同樣的先將繼電器短 路，同時送字串命令設定類比電壓輸出模組，此時電位計的角度訊號與設定角度電壓 訊號一同送給角度控制器，也就是含有繼電器的 PI 控制器，然後角度誤差小於三度 時，繼電器就開路，角度控制完成，詳細流程如圖 24 與圖 25。本節中，電動百葉窗 控制所使用的軟體控制，皆由JAVA 完成。
圖 23：長度控制迴路流程圖 電腦設定長度
電腦發送命令 給ADAM4068 繼電器 ON 長度迴路短路
電腦發送命令 給ADAM4024 查詢目前長度
長度誤差小 於1 公分
是 否
電腦發送命令給 ADAM4068 繼電器OFF 將長度迴路開路
完成百葉窗 長度控制
圖 24：角度控制流程圖 電腦發送命令
給DAM4024 查 詢目前角度
角度誤差小於 10 度
是 否
電腦發送命令給 ADAM4068 繼電器 ON 角度迴路短路
角度誤差小於 3 度
是 否
電腦發送命令給 ADAM4068 繼電器 ON
啟用積分器微調角度
電腦發送命令給 ADAM4068 繼電器OFF 將角度迴路開路
完成百葉窗 角度控制 電腦設定角度
電腦發送角度命令給 ADAM4017
ADAM4017 輸出類 比電壓給控制器
以下圖 25 為整個百葉窗狀態(角度與長度)的控制迴路，其中包含轉換器與 3 塊 ADAM 模組、電源、切換式積分角度控制器(I 控制器可由 Relay 切換開啟)以及受控的 電動百葉窗馬達；圖中變數θ 為電位計量測到的百葉片角度，θr為百葉片角度的設定 值，而 L 為拉線式電阻尺量測到的百葉窗放下長度。
圖 25：電動百葉窗之分散式監控與控制器方塊圖
圖 26：長度控制響應：由 13 公分~150 公分約需 47 秒
3.4 角度控制器
根據B. C. Kuo [7]，一般的直流馬達為”Type 1”系統，當輸入訊號為步級輸入時，
其穩態誤差為零，因此理論上只需要設計 P 控制器(比例控制器)就可以控制好。但是 本研究所使用的電動百葉窗馬達為特製管狀馬達，實際的馬達數學模式無從而知，而 且電位計回授訊號的接點為百葉片，有時候馬達在反轉時細微轉動並沒有辦法帶動百 葉片。所以基於種種考量，我們採用稍微複雜的PI 控制器(比例-積分控制器)，再嘗試 調整其中的增益。角度控制器的硬體實作是採用OP 放大器進行類比控制。
角度控制器的組成元件主要以PI 控制器以及直流偏壓為主，輸入級為減法器，產 生設定角度與實際角度的誤差訊號，輸出級為功率放大器，用來增強電流以推動馬達，
如圖27。另外，為了縮短角度控制的收斂時間，PI 控制器的增益相當大，但若是依此 設定，角度相差較大時則積分器產生的電壓劇烈變化，將會使角度控制的暫態響應變 差，故我們設定誤差小於10 度，再將 I 控制器輸入端的繼電器短路，此即為「切換積 分式」角度控制器的設計內容。
圖 27：百葉片角度控制器硬體架構圖
由於我們不知道電動百葉窗馬達的物理模型，所以在設計 PI 控制器的增益參數 時，我們只能由時域響應作為設計的參考，以下幾張圖是不同增益參數及切換策略在 0~60 度角度變化的響應圖，橫軸為時間(秒)，縱軸為電位計角度的電壓值。圖 28 顯示 只有小增益P 控制器進行角度控制，增益為 50，收斂(誤差角度小於 3 度)時間 2.6 秒；
收斂時間超過13 秒，由圖 29 之下圖有兩條訊號線，其中ㄧ條呈現倒三角形的是積分 器輸出的訊號，由此可以明顯地看出暫態響應被積分控制器破壞；圖30 採用「切換積 分式」大增益PI 控制器，增益分別為 300 與 100，當誤差角度大於 10 度時，只有 P 控制器在運做，而當誤差角度小於10 度時，則切換為 PI 控制器運作，收斂時間為 1.68 秒。
圖 28：小增益 P 控制器
圖 29：小增益 PI 控制器
圖 30：大增益「切換積分式」PI 控制器
由多次實驗可發現，大增益P 控制器與大增益「切換積分式」PI 控制器的時域響 應差不多，但如果將收斂條件改為「誤差小於1.5 度」，並且進行較小的角度改變，則
「切換積分式」PI 控制器的收斂時間有較短的趨勢，如圖 31 與圖 32，上圖為大增益 P 控制器響應，收斂時間為 4 秒；下圖為切換積分式 PI 控制器的時域響應，收斂時間 為1.6 秒。圖中橫軸為時間(秒)，縱軸為角度。
圖 31：大增益 P 控制器在改變收斂條件後的響應
圖 32：大增益切換積分式 PI 控制器在改變收斂條件後的響應
0 10 20 30 40 50 60 70
0.04 0.4 0.76 1.12 1.48 1.84 2.2 2.56 2.92 3.28 3.64 4
0 10 20 30 40 50 60 70
0.04 0.2 0.36
0.52 0.68
0.84 1
1.16 1.32
1.48