第一章 緒 論
1.1 研究背景與動機
小腦模型控制器(CMAC)是模仿人類小腦皮質分層儲存資訊的架構，相 較於一般的類神經網路而言，它使用查表模式與簡易數學運算取代了繁複的 函數運算，因此具有較低的計算負荷，能以較快的速度收斂學習，而且很容 易將演算法轉為硬體實現；其中的每一個學習樣本都與其相鄰的樣本擁有一 部份相同的共用記憶體，因此它才能擁有良好的類化能力，而成為一個非常 有用的類神經學習系統。目前它已被成功的應用在貨車控制、機械手臂控 制…等非線性系統控制領域上[1,2,3]，且綜觀以往的小腦模型控制器研究發 展過程多集中在下列幾項議題上：1.發展新的學習演算法 2.改良傳統結構 3.學習參數的選用 4.提昇學習收斂速度及穩定度 5.輸出入之間的衍生訊 息 6.小腦模型控制器的實際應用 7.真實記憶體的縮減…等[4,5,6,7]，至於 討論到以可微分小腦模型控制器(DCMAC)應用於浮球位置的控制上則少有 被提及，且可微分小腦模型控制器的類推能力較小腦模型控制器精確，因此 控制上常被使用。
模糊控制及單一滑動模式控制經常被用來解決具有不確定性的非線性 系統之控制，因單一滑動模式控制在到達模式之前不具有不變性，且會影響 系統的動態響應，如利用雙滑動模式基本上可以解決到達模式的不變性。且 因滑動模式使用時，必須先推導出系統的數學模式，對控制器之設計者而 言，往往是一大難題，而模糊滑動模式控制器(FSMC)則不需要事先知道受 控體的數學模式，剛好可以解決此一難題。
浮球位置控制與馬達轉速控制、溫度控制對於控制量的反應有所不同，
因前者於控制量消失的瞬間，浮球會馬上往下掉；而馬達控制於控制量消失 的瞬間，還能保有之前的轉動慣性；而溫度控制於控制量消失的瞬間，還能
保有之前的熱含量，因此比例控制可用於馬達及溫度的控制，但卻不能運用 於浮球的位置控制上。
基於上述考量，本研究所設計的控制器除了利用誤差、誤差值的變化外 還必須考慮那些控制器擁有類似積分器的功能，可以被用來做浮球位置控 制，而可微分小腦模型控制器及模糊滑動模式控制器因能滿足上述之條件，
而為本研究所選用。
1.2 研究目的
基於上述的研究動機，茲將本研究欲達成的研究目的敘述如下：
1. 探 討 可 微 分 小 腦 模 型 控 制 器 (Differentiable Cerebellar Model Articulation Controller, DCMAC)的理論及應用。
2. 探討模糊滑動模式控制器(Fuzzy Sliding Mode Controller, FSMC)的理論 及應用。
3. 融合可微分小腦模型控制器及模糊滑動模式控制器(FDCMAC)，以期應 用於浮球位置控制系統上。
1.3 研究範圍與限制
依據上述之研究目的且基於時間、人力及經費等因素的考量下，茲將本 研究的研究範圍與限制界定如下：
1. 本研究主要以浮球位置控制系統為實際操控對象。
2. 本研究對於控制器的探討，僅限於可微分小腦模型控制器及模糊滑動模 式控制器為範圍。
3. 本研究對於受控體的探討，僅限於橘色的乒乓球。
4. 本研究對於程式的設計先以 Matlab V5.3 軟體進行模擬探討，再以 Turbo C 進行實際控制實驗。
1.4 研究方法
為達成預定的研究目的，同時考慮研究範圍與限制，玆將本研究所採用 的研究方法敘述如下：
1. 探討可微分小腦模型控制器的理論及應用，先針對轉移函數做模擬，學 習參數的調整後，再進行浮球位置控制系統的測試。
2. 探討模糊滑動模式控制器的理論及應用，先針對轉移函數做模擬，學習 參數的調整後，再進行浮球位置控制系統的測試。
3. 融合可微分小腦模型控制器及模糊滑動模式控制器，設計一個控制器，
先針對轉移函數做模擬，學習參數的調整後，再進行浮球位置控制系統 測試。
1.5 研究步驟
本研究的研究步驟，詳如圖 1-1，玆將其分別說明如下：
1. 確定研究目標
進行浮球位置控制系統的軟硬體測試以了解其特性，再針對其特點 以確定本研究的目標。
2. 擬定研究計畫
蒐集相關文獻，以確定研究方向，並擬定研究目的、方法及步驟。
3. 理論分析與文獻探討
蒐集可微分小腦模型控制器及模糊滑動模式控制器的相關文獻，以 作為本研究的理論基礎及設計參考。
4. 系統需求分析
利用結構化分析，以提出系統需求，並規劃系統功能，建立控制系 統的模組架構。
5. 硬體電路探討
浮球位置控制系統設備由個人電腦、A/D 卡、D/A 卡、I/O 板、光學 式測長檢測器、風扇等硬體元件所構成，先逐一對每一個元件的特性進 行探討，以確定改善及控制的方法。
6. 建立系統架構
對浮球位置控制系統所需的軟硬體設備，進行組合規劃及測試，以 建立所需的系統架構。
7. 軟體程式設計
設計程式，以獲得模擬及實務控制下的相關訊息，進行比較分析，
並利用 Matlab 程式來顯示測試結果的響應曲線。
8. 實際測試與修正
將設計好的程式對浮球位置控制系統做整體的測試與修正。
9. 歸納結論與建議
依據軟體模擬及硬體實作測試所得到的結果，歸納成結論並提出建 議。
10. 撰寫研究報告
將本研究所設計之控制器相關資料及實測結果加以彙整，並撰寫本 研究的報告。
擬定研究計畫 擬定研究計畫
確定研究目標 確定研究目標
理論分析與文獻探討 理論分析與文獻探討
開 始
a 結 束
a
系統需求分析 系統需求分析
硬體電路探討 硬體電路探討
軟體程式設計 軟體程式設計
建立系統架構 建立系統架構
實際測試與修正 實際測試與修正
歸納結論與建議 歸納結論與建議
撰寫研究報告 撰寫研究報告
圖 1-1 研究步驟流程圖
