第一章 控制系統概論
1－1 導言
近年來，在發展及增進現代文明與科技上，自動控制系 統不斷的增加其重要性。實際上，日常生活中各方面都受到 某些種類的控制系統的影響。例如在家庭裡，自動控制在暖 氣及空氣調節系統中，調節家庭及建築物裡的溫度及濕度，
以獲得舒適的生活。在大的辦公室及工廠裏，許多現代暖氣 及空氣調節系統為了達到最大效率，都利用計算機來控制。
在工業上的各個部門可看到很多控制系統的應用例子，例 如：太空飛行系統、飛彈導向系統、飛機導航系統、工業過 程中之壓力、溫度、濕度、黏性與流動率之控制、機械加工、
操作與組合之控制。甚至如存貨控制、社會及經濟系統控制 等問題，亦可以自動控制的理論加以研究。
一些代表性的自動控制系統發展歷史分列於下：
1769 瓦特 － 蒸汽引擎轉速控制之離心調速器 1913 福特 － 引進機械化裝配機器於汽車的生產 1922 Minorsky － 輪船駕駛之自動控制器
1932 Nyquist － 頻率響應法
1934 Hazen － 首先引入伺服機構名詞 1940 年代 － 回饋控制系統
1950 年代 － 根軌跡法 1950 年代末期 － 最佳控制系統
1960 年代 － 近代控制理論(多輸入－多輸出系統) 1970 年代 － 狀態變數分析
1980 年代 － 強健控制系統設計
1994 － 回授控制技術廣泛使用在汽車上 1997 － 第一部漫步車在火星表面探測
1－2 定義
設備(Plants)：任何一受控制之物件 程序(Processes)：任何一受控制之操作
系統(Systems)：共同作用且具有某一目的之元件的組合 干擾(Disturbances)：對系統輸出有不良影響之訊號
反饋控制系統(Feedback control system)：
將系統輸出與參考輸入兩者加以比較，並以其差別作為控 制方法以維持系統輸出與參考輸入間一定關係之系統。
伺服機構(Servomechanisms)：
輸出為機械位置、速度或加速度之反饋控制系統。
自動調節系統(Automatic regulating systems)：
於干擾存在時，保持真實之輸出於所希望之值。
如中央空調溫度控制系統….等。
程序控制系統(Process control system)：
自動調節系統其輸出為溫度、壓力、流動率、水面高或 PH 值等變數時之系統。
1－3 開迴路控制與閉迴路控制
開迴路控制(Open loop control)：一控制系統中，其輸出對控 制動作無影響，即輸出不予量測，亦不反饋至輸入端作比 較。
閉迴路控制(Closed loop control)：一控制系統中，其輸出信 號對控制動作有直接影響，也就是反饋控制系統。
以汽車引擎的怠速控制為例來說明開/閉迴路控制系 統的優缺點比較，這個控制系統的目的是，不論引擎的負 載(傳動、動力操控與空調、、等)多大，都要維持引擎轉 速在相當低的空轉速率上，若沒有空轉速率控制裝置，突 然加上任何負載都會使引擎轉速降低，甚至導致引擎停止 運轉。因此，空轉速率控制系統的主要任務為：當引擎加 入負載時，消除轉速下降的現象或使轉速下降的值減到最 小或維持引擎轉速在所需要的轉速值上。下圖表示從開迴 路控制系統的觀點，顯示出空轉速率控制系統的功能方塊 圖。
設備 或 程序
輸入 輸出
控制器
輸入
控制器 設備 或 程序
輸出
量測元件
由上圖我們不難看出這系統不能完全滿足所要求的 功能，例如節流閥角度最初設定在某一值時，此時引擎以 某一相對轉速運轉，當加上負載轉矩時，就無法避免引擎 轉速的下降。只有一個辦法可使系統工作而又維持轉速在 所需的水準，那就是當負載改變時節流閥角度跟著改變。
下圖表示從閉迴路控制系統的觀點，顯示出空轉速率控制 系統的功能方塊圖。
由上圖知，由於負載轉矩的干擾而導致實際轉速和所 需轉速的不一致，這個轉速差值經由轉速量測器及誤差偵 測器而感測出來。控制器再依據轉速差值而動作，並提供 一訊號來調整節流閥角度以修正誤差。下圖將開迴路與閉 迴路空轉速率控制系統的典型響應作比較，在圖中上圖表 示開迴路空轉速率在加入負載轉矩後會降低，且停留在較 低的值。而圖中下圖表示閉迴路空轉速率在加入負載轉矩 後會迅速恢復至原來的值。因此，閉迴路控制系統會較開
引擎
希望轉速 真實轉速
節流閥角度
負載轉矩 真實轉速
希望轉速
輸入 誤差偵測器
+控制器
引擎
真實轉速
轉速量測器
負載轉矩 真實轉速
迴路控制系統在穩態響應方面具有較高的精確性，而在暫 態響應方面具有較快的敏捷性的優點。
1-3-1 閉迴路控制之缺點
閉迴路控制系統由於反饋之加入，使得系統之響應對於 外在之干擾或內在參數之變動顯的較不敏感，故可利用較不 精確、較便宜之元件組成系統而獲得相當精確之控制。但由 於反饋信號若是對誤差矯枉過正，有可能引起等幅或變幅之 振盪，故穩定度成為閉迴路控制系統的重要課題。如下例：
以水槽的出水溫度控制為例來說明閉迴路控制系統 的缺點，這個例題的目的是說明不論使用人工或自動控制 器均可達到水槽的出水溫度閉迴路控制，其中人腦扮演控 制器角色，人手扮演控制閥角色，眼睛看溫度計扮演溫度 量測元件。但是因人腦與人手及眼睛看溫度計的協調性，
造成每次調整的時間遠慢於自動控制器的取樣時間，而造 成如下圖的預期控制結果，下圖顯示出使用人工控制時水 溫明顯有振盪的現象。
預期控制結果：
TC
t(時間)
T(
溫
度) 人工
控制器
1-4 控制系統功能方塊圖之建立
上例說明不論使用人工或自動控制器均可達到水槽 的出水溫度閉迴路控制，其中控制系統的各個組件(如人 腦、人手或眼睛)均各司其職，而有相同控制結果，下圖顯 示出不論使用人工或自動控制器均可顯示出水槽的出水 溫度閉迴路控制功能，其稱為水槽的出水溫度閉迴路控制 控制系統功能方塊圖。
1-4-1 其他控制系統功能方塊圖
控制器 (人腦)
控制閥 (人手)
蒸氣
真實水溫 希望水溫
溫度量測元件 (眼睛看溫度計)
水槽
壓力控制系統功能方塊圖
1-5 伺服機構定義
伺服機構為一閉迴路控制系統，用以決定機械負載的位 置、速度或加速度。其主要功能方塊圖如下
伺服機構之功能方塊圖
控制器 驅動器 風門
真實壓力 希望壓力
壓力量測元件
煙囪 爐 油、空氣
1-5-1 各式伺服機構介紹：
1. 液壓伺服式射出成型機
模穴壓力伺服控制系統功能方塊圖
－
伺服閥
補償器 射出缸
希望模壓
模穴壓力量測元件
料管 模穴
輸出
2. 互推式液壓伺服機構
互推式液壓伺服機構功能方塊圖
－
伺服放大器 伺服閥 命令信號
電位計
互推式
油壓缸 控制翼
輸出
3.無刷式伺服馬達伺服機構
無刷式伺服馬達伺服機構功能方塊圖
功率
放大器 換向電路 閥 位置
轉速感測器
無刷式 馬達
減速 機構
輸出 比較器
轉速
LVDT
