系統整合 系統整合 系統整合 系統整合

圖 3-18 所示為實驗儀器量測流程圖，由於必須同時操控三種不同電壓訊號的壓電 致動器，所以使用 National Instrument (NI)所製造的 PCIe-6259 資料擷取卡來作為電壓訊 號的擷取轉換，並且利用 MATLAB/Simulink 來產生所需的訊號以及回授訊號的處理。

由於資料擷取卡僅能產生±10V 的電壓，與我們所希望的±30V 驅動電壓有相當的差 異，因此使用自製高壓放大器來達到加大電壓訊號的功能，接著使用 Keyence 公司所生 產的雷射位移感測器來做為控制器的回授訊號。

圖 3- 18 實驗儀器量測架設圖

3.3.1 控制軟體 控制軟體(MATLAB/Simulink) 控制軟體 控制軟體

MATLAB[28]是由美國 MathWorks, Inc.公司推出的套裝軟體，其名稱是「矩陣實驗 室」(MATrix LABoratory)所合成，因此可知其最早的發展理念是提供一套非常完善的矩 陣運算指令，但隨著數值運算需求的演變，MATLAB 已成為各種動態系統模擬、數位 訊號處理、科學計算的標準語言。MATLAB 是一種計算核心，圍繞著這個計算核心，

有許多針對不同應用所開發的應用程式，稱為工具箱(Toolboxes)，這些工具箱包羅萬 象，從線性代數、數值分析、通訊、自動控制、數位訊號處理等。為了使用上的方便建 模，MATLAB 後續推出了 Simulink 視覺建模[29-30]的程式設計法，藉由已定義好的方 塊，可快速建構出自己所需要的系統模型。

1. 程式撰寫簡易：在程式上的撰寫非常自由，不需向某些程式語言必須遵循嚴謹的規 則，對於許多人而言，可以節省許多程式 debug 的時間，能讓我們能更加專注於工 作亦或者其他問題。

2. 豐富的函式庫：MATLAB 具有相當豐富的函式庫，這使得程式使用上變得非常簡 潔，往往幾行的程式，便能達到其所需目的，對於初學者來說是較容易上手。

3. 動態系統的模型化：MATLAB 環境下提供了 Simulink 圖形化操作介面，Simulink 是一種對動態系統進行模型化、模擬及分析的軟體。在此操作介面下，所有的控制 演算法、硬體的驅動程式皆被視為一方塊，使用者可以快速應用這些方塊建立一控 制系統的模型，並對此控制系統作模擬與分析。

4. Real-Time Workshop：將使用者設計好的控制系統模型經由 Real-Time Workshop (RTW) 功能，使用者可在不需撰寫程式碼的情形下，直接轉為目標控制器所使用 的控制碼。

3.3.2 資料擷取卡 資料擷取卡 資料擷取卡 資料擷取卡

類比訊號轉數位訊號之轉換方式大致為將類比訊號作取樣及保持，再執行量化與編 碼轉成數位訊號，此動作稱為 A/D 轉換，再由電腦讀入作分析。為了要使輸入之類比訊 號能忠實地還原，因此其 A/D 轉換速度要夠快，即一般所稱之取樣率(sampling rate)。

對系統下達電壓控制是利用 NI PCIe-6259 DAQ Card，如圖 3-19 內之類比輸出功 能，配合 MATLAB/Simulink 軟體之撰寫，如圖 3-20，將類比命令由軟體下達給 DAQ-Card。

本實驗中所使用之 A/D 轉換器為 National Instrument 公司生產的 M 系列多功能資料 擷取卡，其產品名稱為 PCIe-6259 DAQ Card，如圖 3-19，此卡集類比、數位 I/Ｏ、計數 器/計時器等功能，有相當優異的資料擷取能力。

其相關規格特性入下：

λ 1 倍 PCI Express 介面可提升頻寬

λ 可提升量測精確度的 NI-MCal 校準技術

λ 4 個 16 位元解析度的類比輸出(2.86MS/s 取樣率) λ 32 個 16 位元解析度的類比輸入(1.25MS/s 取樣率) λ 類比輸入/輸出電壓範圍為(-10V~10V)

λ 48 個數位 I/O；32 位元計數器

λ 相關 DIO (32 個時脈通道、10MHz)；類比與數位觸發 λ 可向下相容針對 PCI 撰寫的軟體

λ NI-DAQmx 驅動軟體與 NI LabVIEW SignalExpress 互動式資料記錄軟體

圖 3- 19 NI PCIe-6259 資料擷取卡與外接式端子台

圖 3- 20 訊號控制及紀錄

3.3.3 Real-Time Workshop

MATLAB/Simulink 之所以可作為控制器快速原型的開發工具，在於它提供了 Real- Time Workshop 工具軟體，在 RTW 框架下使用者可以對不同的目標硬體進行平台的開 發。RTW 功能對於嵌入式控制器的使用者來說可以節省許多程式開發時間，對相關工 程師而言，此技術更可提升控制器模型研發的良率，避免控制工程師與軟體工程師的溝 通缺陷，使控制器模型成為產品的效率提高許多。RTW 功能能自動產生程式碼，避免 了手工拼寫錯誤和對建構者的設計誤解。

RTW 程式碼自動產生流程大約可分為三個階段，分別是 Simulink 控制模型的建立 與對應模型 Work M-File 的撰寫以及程式碼自動產生及可執行 C 程式碼產生。

為了使得控制程式達到即時控制的需求，本論文採用 Real-Time Windows Target 方 式作為控制器的開發。

3.3.4 控制器設計 控制器設計 控制器設計 控制器設計

控制的理論發展至今已經相當多年，在工業控制上以比例積分微分(PID)控制方法 [30]應用最為廣泛，主要原因是 PID 控制運算式相當簡單，容易實現，在調整所需的參 數後，便能得到所期待之良好的控制效果，因此本論文利用個人電腦為基礎介面(PC Based)設計一個 PID 控制器當作控制介面。

PID 控制器是以比例-積分-微分(Proportion-Integral-Derivative，PID)控制所組成。

比例控制為一可調之增益元件，由增益的改變可調整系統的穩態誤差及相對穩定 度，當增益變大時可降低穩態誤差，但會破壞相對穩定度；當增益變小時，可增加相對 穩定度，但也會增加穩態誤差。

積分控制可消除穩態誤差，並有利於雜訊的抑制，但也可能會使得系統不穩定或者 暫態響應性能變得比較差，與比例控制相結合即為 PI 控制器，具有改善穩態響應與雜 訊抑制的特性。

微分控制可改善系統的阻尼特性及暫態響應，並能增加相對穩定度，但不利於高頻 雜訊干擾，且無法改善穩態的誤差，與比例控制相結合即為 PD 控制器，具有改善相對 穩定度與暫態響應的特性。

在本研究中，要使用到高頻訊號量測，由於微分控制會造成高頻雜訊干擾，因此在 這裡我們只選擇了使用 PI 控制器作為定位器之控制器。

參數 上升時間 上升超越量 安定時間 穩態誤差 穩定性

KP 減少 增加 微小改變 減少 降低

KI 減少 增加 增加 消除 降低

KD 微小改變 減少 減少 微小改變 改善

四