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研究生: 陳建融
Chen, Chien-Jung
論文名稱: 伺服油泵系統開發與自調式模糊PID控制器
Development of a Servo Hydraulic System with a Self-tuning Fuzzy PID Controller
指導教授: 黃聖杰
Hwang, Sheng-Jye
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 146
中文關鍵詞: 射出成形伺服油泵全油壓射出成形機全電式射出成形機自調式模糊
外文關鍵詞: injection molding, servo hydraulic, hydraulic injection molding machine, electric injection molding machine, self-tuning fuzzy
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  • 本文旨在設計一實驗系統來模擬當射出成形機在射出速度及保壓壓力此兩階段的控制。在本文中所選用的伺服油泵系統是結合了全油壓式射出成型機的優點,如:機台體積較小、可提供的工作出力較大等,以及全電式射出成型機的優點,如:安靜、節能、在工作效能上的表現較穩定等。因此,綜合以上兩不同系統的射出成型機的優點,本文之實驗系統利用伺服馬達節和泵浦,來發展伺服油泵系統。
    因油壓系統為一非線性系統,故需要上位控制器有足夠的取樣頻率與搭配一在非線性系統有較好表現的控制律,來控制系統表現能達到本文內所設定的表現目標。因此,本文藉由調整上位控制器不同的取樣頻率來對實驗系統做控制,來觀察在何種取樣頻率下能使得實驗系統有較好的表現。另外,PID控制律時常在非線性系統下的控制表現,不能達到原本設定的表現目標,因此,本文設計了自調式模糊控制律能動態的調整輸出的控制量,來使實驗系統能達到良好的響應外,也能有穩定的持壓控制表現。

    The main purpose of this thesis is to design an experiment system to simulate two controlling stages which are injection speed and packing pressure in injection molding process. Servo hydraulic system which combines the advantages of hydraulic injection molding machine (e.g. small volume, big working force) and electric injection molding machine (e.g. quiet, energy saving, stable working performance) is applied into experiment system. Hence, the experiment system is installed with a servo motor and a pump to develop a servo hydraulic system.
    Because of the non-linear feature of hydraulic system, it is necessary to apply a MCU(Micro Controller Unit) with proper sampling rate and a controller which has better performance in non-linear system to reach expected specifications. In order to check which sampling rate can make system performance better, different sampling rate is applied to conduct experiment. Additionally, it is hard for PID controller to reach expected specifications under non-linear system. Thus, self-tuning fuzzy PID controller is designed to make experiment system perform with better response and more stable packing pressure control.
    In the end, the self-tuning fuzzy PID controller with higher sampling rate will be applied into the experiment to improve the performance of PID controller with lower sampling rate.

    摘要 I Extended Abstract II 致謝 XXV 目錄 XXVI 表目錄 XXIX 圖目錄 XXXIV 符號表 XL 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 研究動機及研究方向 3 1.3 文獻回顧 4 1.4 文章架構 5 第二章、實驗系統介紹 7 2.1 實驗架構 7 2.2 硬體控制器 8 2.3 驅動器及伺服油壓系統 9 2.4 電磁換向閥 10 2.5 壓力感測器 11 第三章、控制理論 13 3.1 控制策略 13 3.2 PID控制理論 13 3.3 模糊控制理論簡介 14 3.3.1 定義輸入與輸出的變數 15 3.3.2 模糊化介面 15 3.3.3 模糊集合 16 3.3.4 語言變數 16 3.3.5 歸屬函數 16 3.3.6 決策邏輯 16 3.3.7 解模糊介面 17 3.4 自調式模糊控制理論 17 3.4.1 第一層模糊控制律之設計 18 3.4.2 第二層模糊控制律之設計 19 第四章、壓力控制實驗 21 4.1 壓力控制實驗 21 4.1.1 壓力控制實驗運作過程 21 4.1.2壓力實驗性能指標定義 21 4.1.3 硬體控制器取樣頻率單一目標壓力控制實驗結果 22 4.2 PID控制器參數最佳化 22 4.2.1取樣頻率50 Hz的實驗結果 23 4.2.2取樣頻率500 Hz的實驗結果 36 4.2.3取樣頻率1000 Hz的實驗結果 49 4.3自調式模糊PID控制律之控制參數 61 4.3.1取樣頻率50 Hz的實驗結果 63 4.3.2取樣頻率500 Hz的實驗結果 68 4.3.3取樣頻率1000 Hz的實驗結果 72 4.4單一目標壓力控制實驗結果比較 76 4.5 PID控制律四階段目標壓力控制實驗結果 79 4.6 自調式模糊PID控制律四階段目標壓力控制實驗結果 83 4.7四階段目標壓力控制實驗結果比較 87 第五章、負載實驗系統介紹 91 5.1 實驗架構 91 5.2 油壓缸 92 5.3 位置感測器 93 5.4 流量傳感器 93 5.5 氮氣彈簧 94 第六章、負載實驗系統之實驗結果 94 6.1 速度與壓力控制實驗 94 6.1.1 速度控制與壓力控制實驗運作過程 95 6.1.2速度與壓力實驗性能指標定義 95 6.2 PID控制律實驗控制結果 95 6.2.1 速度目標為10 mm/sec下的實驗結果 96 6.2.2速度目標為20 mm/sec下的實驗結果 102 6.2.3速度目標為30 mm/sec下的實驗結果 108 6.2.4速度目標為40 mm/sec下的實驗結果 112 6.3 自調式模糊PID控制律實驗控制結果 116 6.3.1速度目標為10 mm/sec下的實驗結果 116 6.3.2速度目標為20 mm/sec下的實驗結果 122 6.3.3 速度目標為30 mm/sec下的實驗結果 128 6.3.4 速度目標為40 mm/sec下的實驗結果 132 6.4 單一目標壓力控制實驗結果比較 136 第七章、結論與未來展望 140 7.1 結論 140 7.2 未來展望 142 參考文獻 143 索引 145

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