User guide

運動控制功能原理介紹 75
PCI-8254 / PCI-8258
4.2 閉迴路控制 (Closed-loop Control)
4.2.1 閉迴路控制介紹
閉迴路控制系統的原理在於給定一個命令後，將運動過程中系統的
輸出訊號藉由感測器取樣並迴授，接著將命令與迴授訊號比較後可
得一個誤差 (error) 訊號，並將此誤差訊號送入控制器內。由於控制
器架構是根據預先建立好的實際系統動態 (System Dynamic) 所設
計，因此當控制器接收到誤差訊號後會合成制動訊號到制動器內以
減少誤差，並降低外界干擾或雜訊以達到系統輸出逐漸達到命令之
目的。
一般而言，工業界常用之控制器為 PID 控制器 (PID controller) 形
式，因其架構簡單且其控制性能已能滿足絕大部分工業控制需求，
故被廣泛的使用中。本控制器使用 PID 加上速度和加速度前饋控制
(PID+velocity and acceleration feedforward) 的設計，其伺服更新
速度 (Servo update rate) 可高達 20KHz，因此整體控制性能也跟
著大幅提升。
以下我們先討論 PID 控制器，一個連續時間 (Continuous-time) 標準
PID 控制器數學形式為
其中 代表了比例控制 (Proportional control)，積分控制 (Integral
control)，與微分控制 (Derivative control) 的合成控制量， 為增益
(gain)， 為積分時間常數， 為微分時間常數。以下將討論各控制
項對系統性能的影響。
a
比例控制 (Propotional Control)
從時域 (Time-domain) 上觀察，增加比例增益 (Proportional gain) 可
加快響應速度，因為在頻域 (Frequency-domain) 上來看系統的頻寬
同時也增加了，但反過來說相對穩定度 (Stability) 卻降低了，原因在
於增益邊界 (Gain margin) 減少了，因此系統容易震盪。比例控制另
一個重要功能則是減少穩態誤差 (Steady-state error)。
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
++=
∫
dt
tde
Tde
T
teKtu
d
t
i
c
)(
)(
1
)()(
0
ττ
)(tu
c
K
i
T
d
T
preliminary