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。

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