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# IIE-018 自動控制系統Ok

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### IIE-018 自動控制系統Ok

1. 1. 自動控制系統 Automatic Control System
2. 2. Control System ? (1) Objectives.  (2) Control System Components.  (3) Results or output.  Ex: 方向盤→ 汽車 →方向 油門→ →速率
3. 3. Control System are Important ? 日常生活  工業  經濟  社會  未來發展  巨觀 – 太空探測 微觀 – 微晶片、接肢
4. 4. Study ? How Study ? Steady – State response  Transient – State response  Control System Stability ! 
5. 5. How to describe ? 1. Transfer Function.  2. Block Diagrams.  3. Signal – Flow Graphs.  4. State function.  5. Differential Equ.  6. Bond graph. 
6. 6. How to Solve ? Time domain Analysis.  1. Routh – Hurwitz Criterion. 2. Root Locus Method. Frequency domin Analysis.  1. Nyquist Criterion. 2. Bode Diagram. 3. Nichols chart. 4. Liapunov Stability Criteria.
7. 7. Mathemafical Foundation 1. Complex – Variable.  2. Differential Equ.  3. Laplace Transform.  4. Fourier Transform.  5. Linear Algebra – Vector  Linear Algebra – Matrix 6. Z – Transfor Function. 
8. 8. 自動控制歷史 1. James Watt (18世紀)  2. Minorsky (西元1922)  3. Hazen (西元1934)  4. Nyquist (西元1932)  5. Evans (西元1940~50)  以上皆為古典控制理論核心 6. 數位計算機 (西元1960) 
9. 9. Control System (1) 系統基本要素？  (2) 以方塊圖表示？  (3) 以術語表示？  (4) 依回授訊號有無分類  (5) Types of Feedback control System. 
10. 10. Types of Feedback control System (1) Linear Control System.  Nonlinear Control System. (2) Time – Varying Control System.  Time – invarying Control System. (3) Continuous – Data Control System.  Discrete – Data Control System. (4) Relaxed System.  (5) Causal syo. 
11. 11. List the major advantages and disadvantages of open-loop Control System 1. Simple construction and eave of  maintenance. 2. Less expensive than a concesponding  closed – loop System. 3. There is no stability problem.  4. Convenient when output is hard to  measure or economically not feasible.
12. 12. Closed – loop control System 之優缺點 1. 降低系統之靈敏度(sensitivity)。  2. 清除輸入端外來之干擾(disturbance)  對控制系統之影響。 3. 可控制不穩定的控制系統。 
13. 13. 控制系統之設計原則(步驟) 1. Modeling (模型化).  2. Mathematical description.  3. Analysis：  (1) 質：可控性，可觀察性， 靈敏度，穩定度。 (2) 量：zero – state response. zero – input response. 4. Design.  5. Optimization. 
14. 14. 感測器相關知識 ☆ 極限開關相關知識 接近開關相關知識 磁簧開關相關知識 光遮斷器相關知識 光纖開關相關知識
15. 15. 極限開關種類介紹 極限開關或稱限動開關(Limit Switch)又  稱為微動開關(Micro switch) 。 定義 :  監牢的殼體內藏有可動簧片，且具有防 外力水、油、塵埃等構造，以機械式動 作來開閉電器回路之接點型開關謂之， 由於擁有優良的耐環境性、反覆精度以 及經濟性，所以廣為使用。
16. 16. 極限開關之種類分類 每家廠牌分類方式各不同，筆者仍以其  固定孔距來區分，距孔愈大者，外型亦 愈大，使用場合亦不相同，目前最常用 之規格如下所示： (1)P 6.5mm (2)P 7.5mm (3)P 9.5mm  (4)P 23.8*8.7mm (5)P 22.2*10.3mm (6)P 25.4mm (7)P 22mm (8)P 56*21mm (9)P 58.7*30.2mm
17. 17. 極限開關使用注意事項 注意作動體如圖1-3所示，凸輪之觸碰，  必須留圓角 : 如圖1-4所示，凸爪亦必 須留斜角，此設計之用意在於不讓極限 開關的傳動軸急劇回彈或受到衝擊。 極限開關傳動不論在旋轉運動或直線運  動，都應正常載重且觸碰位置亦必須正 確，如圖1-5所示，當凸爪碰撞手柄時， 也會造成動作位置不穩定，唯有碰撞極 限開關碰頭之滾輪，才能提高作動之穩 定及壽命。
18. 18. 極限開關使用注意事項（續） 凸爪及滾輪需完全接觸，不可局不接觸，  如圖1-6所示，(b)圖之滾輪皆處於凸爪 中心，如此兩者受力平均，作動較穩定。 圖1-7所示，凸爪亦需按置於極限開關 碰頭之中心。
19. 19. 極限開關使用注意事項（續） 作動體(例如 : 凸爪)與傳動軸之移位量以  全程之70%最佳，並最好有Stopper之安 全裝置，如圖1-8所示，例如傳動軸之位 移量為10mm，則作動體碰撞傳動軸之位 移行程最好為7mm，以策安全，行程若 調整不佳，則傳動軸有可能撞壞極限開 關本體。Stoper之功能在於防止作動體 失靈而撞壞本體。
20. 20. 感測器相關知識 極限開關相關知識 ☆ 接近開關相關知識 磁簧開關相關知識 光遮斷器相關知識 光纖開關相關知識
21. 21. 近接開關依用途分類 圓柱埋入型近接開關  圓柱非埋入型近接開關  圓柱二線省配線形近接開關  圓柱非衰減型近接開關  方型(或稱角柱型)  溝型近接開關  貫通型近接開關  扁平型近接開關 
22. 22. 近接開關依用途分類（續） 超音波型近接開關  鋁銅用近接開關  耐熱近接開關  異周波型近接開關  不良環境型近接開關  耐彎曲型近接開關  耐高壓近接開關  抗電銲機干擾用近接開關 
23. 23. 近接開關依用途分類（續） 抗磁場干擾用近接開關  高速應答近接開關  防爆型近接開關  長距離近接開關  類比電壓式近接開關  類比電流式近接開關 
24. 24. 近接開關特性說明 (1) 金屬感應型：只感應金屬類材質，如  鐵、銅、鋁，但不同材質，感應距離亦 不同。 (2) 靜電容感應型：固態材質、一體皆可  檢出，如木材、玻璃、壓克力、PVC、塑 膠、陶瓷、金屬、紙板、油、水等，此 產品一般皆附感度調整，不同材質其感 應距離亦不同。
25. 25. 近接開關特性說明（續） Sn規格之感應距離：係指以1mm厚度，  St37之正方形鋼片，而其邊長與待測之 近接開關檢測面直徑相等，及周圍溫度 20℃和電壓12~24VDC，動作點之公差 10%等之條件所測出之距離。 檢出物體之檢測面積大小，也會影響感  應距離，如表1-4所示。
26. 26. 近接開關安裝注意事項 (1) 齊頭型(可埋入，亦稱隔離型，因具  有隔離裝置，故與凸出型相比較，其感 應距離較短)如圖1-11(1)所示。因檢測面 齊平故可埋設於鋼鐵中，而不受周圍之 金屬影響。 (2) 凸出型(不可埋入，亦稱非隔離型)如  圖1-11(2)所示。檢測面必須與周圍之金 屬，保持空間或突出金屬表面，以免受 到周圍干擾，而產生錯誤動作。
27. 27. 近接開關安裝注意事項（續） (3) 裝設間隔如圖1-11(3)所示。近接開  關並排按裝之最小間隔。齊頭型 : a≧d， 凸出型 : a≧3d。 (4) 電纜線 : 不論使用AC或DC電源，電  纜線之長度不可超過100M，以免增加干 擾，且安裝時須與馬達之磁鐵或動力線 等隔或遠離，以避免磁場干擾。
28. 28. 近接開關接線圖 一般日製PLC所搭配之感測器為NPN系列，  而歐製PLC所搭配之感測器為PNP系列。 當然亦有PLC設計成兩者共用，例如日製 三菱FX2N系列。 系統有時產生感測不穩定，很有可能是  感測距離剛好在磁滯點，如圖1-13所示 : 故若SENSOR之感測距離Max為5mm則按 置在2~3mm最安全。
29. 29. 感測器相關知識 極限開關相關知識 接近開關相關知識 ☆ 磁簧開關相關知識 光遮斷器相關知識 光纖開關相關知識
30. 30. 磁簧開關原理 磁簧開關(Reed Switch)係由二片簧片及  一組玻璃容器構成，容器內裝有惰性氣 體(Inert Gas)，簧片與黃片間有一間隙 (Gap)，平時狀態此間隙係由兩簧片之N、 S兩相反磁極造成，當受到外界磁力作用 時，兩簧片會互相吸引接觸後導通，直 到外界磁場消失時才恢復原狀，此為磁 簧開關ON-OFF之作動原理。
31. 31. 磁簧開關種類 (1) 依控制電壓分：  有DC5V、DC12V、DC24V、 AC110V、AC220V。 (2) 依結線方式分：  有二線型及三線型。 (3) 依接點方式分：  有接點型及無接點型。 (4) 依迴路保護有無分：  有保護迴路及無保護迴路。
32. 32. 磁簧開關種類 （續） (5)依與氣缸固定方式分：  A.東帶固定型－掛鉤型及彈性扣緊型。  B.氣缸拉桿鋁塊固定型。  註：磁簧開關之廠牌很多，外型及控制  方式皆大同小異，唯固定方式及特定略 有不同，唯固定方式及特性略有不同詳 情請參閱廠商目錄。
33. 33. 磁簧開關按裝要領 圖1-15中之L為作動感應範圍，隨氣缸內徑之  增大而成長，C為感應誤差範圍，此範圍即不 穩定狀態，由此可知系統控制不穩定，常由 此發生；因此，該SENSOR之按裝需取在L之 中間位置最穩定，按裝方式為 : 移動 SENSOR 直至SENSOR上之LED亮 (即表示以 感應)在氣缸上油性筆做記號，再繼續移動至 LED熄，再做記號，此距離即為L+2C之感應 距離，取中間位置固定之。 注意 : 若機械屬於高震動型，磁簧開關之固  定容易鬆動，必須慎選固定環。
34. 34. 感測器相關知識 極限開關相關知識 接近開關相關知識 磁簧開關相關知識 ☆ 光遮斷器相關知識 光纖開關相關知識
35. 35. 光遮斷檢出原理 光遮斷亦屬光電開關之一種，但無論擴  散反射型或透過型(對照型)亦稱溝型，其 發光元件與受光元件皆在同一體(除特殊 用途，特殊設計外)。 其原理亦與光電開關相同，發光元件發  出之光感測到物體，反射回來由受光元 件接收，並輸出信號，(與光電開關最大 不同的是無外加Amplifier)，內部結構亦 可分直流光及變調光型。
36. 36. 光遮斷器反射型之分類與規格 型式 檢出距離 感測面 構成 感度調整與否 端面、水平面 變調光式 否 1.擴散反射型 5.0mm 端面、水平面 變調光式 否 2.限定反射型 2~6mm 端面、水平面 變調光式 可 3.感度可調反 1~5mm 射型 端面 變調光式 否 4.回歸反射型 200mm 檢出管外徑 透明圓管 變調光式 否 5.液面檢出型 ∮8~13mm
37. 37. 光遮斷器對照型(溝型) 之分類與規格 型式 檢出距離 構成 一體/分離 一體 變調光式 1.變調光式透 3.6mm 過型 一體 直流光式 2.直流光式透 5mm 過型 變調光式 分離 3.透過型(分離) 1M 變調光式 分離 4.透過型 30cm (分離＋放大器)
38. 38. 感測器相關知識 極限開關相關知識 接近開關相關知識 磁簧開關相關知識 光遮斷器相關知識 ☆ 光纖開關相關知識
39. 39. 光纖開關檢出原理 纖感測器是由兩部分構成，即光纖部分(Fiber)  與放大器部份 (Amplifer)，光纖部份可分為穿 透型 (又稱對照型)、反射型兩種。 光纖是由一種塑料帶(Plastic tape)和可在高溫  下使用的石英合成。 其原理為發光元件發射之光，感測到物體，其  物體所反射之光進入受光元件，然後由放大器 輸出信號。本感測器與光電開關最大不同的地 方是光纖部份，光纖頭非常小，可按裝在狹小 空間感測及檢測極細之物體。
40. 40. 光纖開關分類及功能說明 反射型－  亦稱擴散反射型、回歸反射型。  功能： (1) 發光及受光之光纖一體型，按裝方便。 (2) 感測器距離：1~100mm。 (3) 最小檢出物體：0.012mm。 (4) 適用於：中低速檢出。 (5) 發光體之光束：呈傘狀，檢出面積大。
41. 41. 光纖開關分類及功能說明 （續） 對照型－亦稱穿透型。   功能： (1) 發光及受光之光纖分離型， 按裝及對準不易。 (2) 感測距離：較長一般可達100mm以上。 (3) 最小檢出物體：比反射型大一點， 最小0.2mm。 (4) 適用於：中低、中、高速檢出。
42. 42. 光纖開關分類及功能說明 （續） 反射型＋凸透鏡：  為將反射型在光纖頭加裝一只凸透鏡， 可將傘狀光束集中成一線對於點較小工 件做檢出。 但加裝凸透鏡後，檢出距離會縮短約2/3 倍，例如原本檢出距離為75mm，加凸透 鏡後則降為25mm。
43. 43. 光纖開關分類及功能說明 （續） 限定距離光纖開關：  為將反射型之Amplifier之功能，加以改 良，可以辦別1mm以內之物體有無，甚 至具有衰減自動補償功能及防強光干擾 等功能。 註：  (1) 光纖開關沒有鏡片反射型之種類。 (2) 光電開關有鏡片反射型之種類。
44. 44. 氣油壓組件相關知識
45. 45. 三點組合相關知識 三點組合亦稱為空氣調理組，調理組為三種裝  置之組合，含有過濾器(Filter)調壓閥含壓力錶 (Regulator)、及潤滑器(Lubricator)等。 過濾器：具有空氣中之水份，雜質過濾效果，  有單獨型，亦與調壓閥結合成一體型。 調壓閥：具調整系統壓力大小之功能。有單獨  型亦與過濾器結合成一體。 潤滑器：可在空氣中添加潤滑油，功給閥體及  氣缸作動潤滑用。
46. 46. 手推閥 手推閥為三口二位之結構，一般裝置於  三點組合之入口或出口，若裝置於三點 組合入口，則系統不作動時，可將手推 閥往後拉，氣壓源止於入口，三點組合 與系統全都洩壓，三點組合內之水氣亦 由於內部無壓力而自動排水，此種裝置 在產業界比較常用。
47. 47. 手 推 閥（續） 另一種裝置在三點組合出口處，此閥之OF/OFF  僅對系統之氣壓源供給做控制；倘若三點組合 係屬於無壓力而能自動排水之功能者，當工廠 剛上班，空壓機開始啟動而壓力未達3Kg/cm² 以上時，此時三點組合會因「自動排水閥」之 裝置，而一直漏氣。 因此，本裝置法必須在三點組合之入口處再加  裝一只二口二位手動凡爾或快速接頭，在空壓 機未啟動前先將三點組合入口氣源關閉，也因 為如此麻煩，本裝置法較少被採用。
48. 48. 電磁閥特性 (1) 單線圈五口二位電磁閥作動原理：  電磁閥通電具有切換器體通路，以控制 氣缸前進後退之功能，其切換原理如圖 示，單線圈激磁時，切換閥位，復歸藉 由彈簧力復歸。 (2) 雙線圈五口二位電磁閥作動原理：  雙線圈電磁閥一端激磁通電時，切換閥 位，復歸時由另一端線圈激磁，故具有 閥位保持功能。
49. 49. 電磁閥特性 （續） (3) 雙線圈五口三位電磁閥作動原理：  五口三位閥，顧名思義，即閥體有五口， 2-5 有三個切換位置之意。如圖2-5所示， 平時閥體由於雙邊彈簧之作用，停留在 中立位置，平時1不通2、4呈中閉型時， 當14有信號作動時，1通4，2通3，當 12有信號14之信號必需消除，1通2，4 通5。
50. 50. 五口三位電磁閥應用迴路 中閉型：如圖2-6(1)，氣缸前進至中間某位置  就停止，因兩端活塞面積及壓力不同，故電磁 閥切換後會向前移位ㄧ段距離，直至兩端力量 平衡為止。 中排型：如圖2-6(2)，氣缸前進至中間某位置  就停止，氣缸兩端之空氣全排放至大氣，氣缸 因摩擦力關係才停止，移位距離甚大，故很少 被採用。 中開型：如圖2-6(3)、2-6(4)，氣缸在中間某  位置停止時，A、B口皆通空氣只要兩端之施力 F=P*A平衡，移位距離很小，但只限制於氣缸 臥式水平裝置。
51. 51. 電磁閥與PLC (1) 單線圈電磁閥與PLC接線說明  (2) 雙線圈電磁閥與PLC接線說明 
52. 52. 控制閥種類 閥依不同功能而設計，  可粗分為如下五種： (1) 方向閥  (2) 止回閥  (3) 切斷閥  (4) 壓力控制閥  (5) 流量控制閥 
53. 53. 真空產生器與吸盤
54. 54. 真空產生器的原理 由空氣壓縮機所提供壓縮空氣經由噴嘴  擴散室排放出去，在設計上噴嘴與擴散 室之間有一間隙(低壓部位)空氣會經由此 間隙經擴散室一起被排放出去，而產生 吸引作用。 而真空產生器即是利用壓縮空氣之動能  與速度之變化，間接的導致壓力的變化， 而產生真空吸引力。
55. 55. 壓力的表示法及單位 絕對壓力：以完全真空狀態為零基準時，我  們定之為絕對壓力。 量錶壓力：以一大氣壓力狀態基準時我們定  之為量錶壓力。又大氣壓力定為基準時，高 於大氣壓力者我們稱之為正壓，低於大氣壓 力者我們稱之為負壓。 壓力單位：於工業界一般皆以Kgf/cm²來表示  其單位，而一般汽油壓所產製之真空發生器 其真空度則以水銀柱(負壓)來表示其單位是- mmHg。
56. 56. 真空產生器與真空幫浦 之性能比較 (1) 小型、輕量。  (2) 間牢、耐用。  (3) 吸引時無脈動現象。  (4) 控制容易。  (5) 無振動現象。  (6) 可達到很高真空度。  (7) 工件著脫容易。  (8) 價格便宜。 
57. 57. 真空吸盤之選擇與計算 (1) 吸著力可依據到達真空度及吸盤面積  而計算出其理論吸著力，除了這個以 外 還請充分的考慮其吊上方法為移動時加 速度引起的加重，或吸著面的條件及搬 運上的安全率等。 (2) 吸著力的計算式：  (如f值不考慮時則視為靜態時之吸著力) W=吸著能力(kgf)、P=吸著時之真空度(- mmHg)、A=吸盤面積(cm²)、f=安全係 數。 W = P*A / 760 * f * 1.0332 kgf / cm²。
58. 58. 真空吸盤之選擇與計算（續） (3) 依照吊上方法的目標安全率是，水平  吊上時f=4以上，垂直吊上時 F=6~8以 上。 (4) 依照加速度的荷重計算範例：  工件重量1000kg，如果真空度是- 600mmHg其計算如下： A = W / A * 760 = 1000 / 600 * 760 = 1267 cm² 。
59. 59. 不銹鋼氣缸相關知識
60. 60. 氣缸基本結構 1. 7. 含油軸承 前蓋  2. 8. 活塞軸封 後蓋  3. 9. 活塞桿軸封 缸管  4. 10. 緩衝軸封 活塞桿  5. 11. 緩衝塞 活塞  6. 12. 緩衝調整螺絲 磁石 
61. 61. 附磁石氣壓缸 所謂附磁石氣壓缸，即在氣缸內部活塞  中間加裝一只永久磁鐵，而缸管外部裝 置磁簧開關(Reed switch)，當活塞移動 到磁簧開關正下方，磁簧片會被磁鐵吸 住而產生導通，如活塞離開則磁簧開關 立即恢復原來不導通的位置。
62. 62. 附緩衝裝置氣缸 當緩衝塞進入緩衝packing時，空氣流道  改經緩衝調整螺絲流出，流出之空氣量 大小，由調整螺絲調整之。氣缸兩端點 加裝緩衝裝置，其目的在減低氣缸高速 運動所造成之震動，當然速度超過 500mm / sec 以上時，本緩衝裝置之效 果就降低了許多，可以加裝彈簧式或油 壓式緩衝器，效果良好。
63. 63. 超薄缸相關知識
64. 64. 超薄缸 超薄缸又稱夾具氣缸或短行程氣缸，  此名稱之由來有三： (1) 前後蓋與缸管成一體，本體長度很  短，故稱超薄型。 (2) 本體短，應用於夾具設計上最多，故  稱夾具氣缸。 (3) 行程限制在100mm以內，尤其25mm  以下規格使用量最大，故稱短行程氣 缸。
65. 65. 前後蓋與缸管結合方式 (1) 扣環型  (2) 拉桿型 
66. 66. 旋轉缸相關知識 旋轉缸(Rotary Actuator)係利用空氣  壓、油壓之能量轉換成回轉運動，並 在一特定之角度間做往復運動的一種 氣壓缸 。
67. 67. 旋轉缸的種類 旋轉缸依其構造可分類成三種：  (1) 輪葉型：單葉型、複葉型。  (2) 活塞型：轉齒型（單齒型、雙齒  型）、螺旋型、曲肘型、擺動型。 (3) 其他：密封皮帶型。 
68. 68. 滑台氣缸相關知識 滑台氣缸適用於作搬運、推料及機械  手組裝作業之功能；軸桿導引方式有 鐵氟龍軸承導引，適用於重負荷，慢 速移位之場合與線性滾珠軸承導引， 適用於輕負荷，快速移位之場合；活 塞作動方式有單活塞型及雙活塞型。
69. 69. 雙軸缸相關知識 雙軸缸結構：  (1) 雙軸活塞桿：有雙缸功能，可獲得  雙倍出力。氣壓作動時，不會造成側 向偏轉。 (2) 本體正面固定孔：上下兩面皆可用來  固定滑台。 (3) 感應開關固定溝：隱藏式溝槽，可隨  意固定磁簧開關。
70. 70. 雙軸缸相關知識（續） (4) 活塞桿固定板：有三個固定面，可  視需求而固定。 (5) 擋塊：可調整螺絲長度，使氣缸行  程減少0~5mm。 (6) 加長型前蓋：可承受較高負載及減  少偏差角度，越長活塞桿越不易下 垂。 (7) 本體側面固定孔：左右兩側面階可  選用。
71. 71. 雙軸氣缸應用例 雙軸缸之特色為：  前端板不旋轉，出力小(50kg以 內)、行程限制在200mm以內等 應用場合。
72. 72. 何謂有桿缸與無桿缸？ 具有活塞桿之氣壓缸，稱為有桿缸，反之  氣壓缸內部活塞之作動，若沒有活塞桿導 引，而是利用活塞中間裝置磁鐵之磁鐵型 無桿缸。 或活塞桿連結剛帶之鋼帶型無桿缸，或連  結鋼索之鋼索型無桿缸，此等無活塞桿之 氣缸皆稱為無桿缸(Rodless cylinder) 。
73. 73. 夾爪相關知識 夾爪種類及功能：  挾持機構普遍應用於夾持具或機械手爪  等夾持工作，其挾持方式有支點型夾持 (一般稱之為Y型夾爪)、平行型夾持、以 及同心型夾持三種。
74. 74. 浮動接頭相關知識 浮動設計之原理：  「浮動設計」法，此原理為氣缸前蓋外  徑與氣缸固定座之配合公差，允許 0.1mm~0.3mm之間隙，氣缸之活塞桿 與前端板結合時，不直接鎖固，間接地 結合「浮動接頭」或具有「浮動功能」 之設計，其目的在於氣缸蓋與固定座之 固定造成的偏心量，可由浮動接頭之自 動調心而克服。