通訊、導航、控制概論

1. 通訊、導航、控制概論 NTOU C.N.C.E (通訊與導航工程系) 控制原理簡介 By：C.Y.Tzeng ‧Control ‧Cybernatics ‧(自動)控制 ‧制御

2. Control Principle • 訂立目標 檢視現況 依差距(不足)進行修正 e.g.)以手拿杯…(包含複雜之迴授機制) 目標物 命令 驅動 位置(手與杯之距離) + 腦 手/腳 取物/杯 - 視力/眼 需求元件： • Controller (CPU)/腦 • Actuator (驅動器)手腳 • Sensor (視力) • 設法將此一迴授修正流程自動化(配合電腦) 「廣泛應用」

3. Automatic Control ~ Manual (自動控制) • Closed-loop Control ~ Open-loop control (閉迴路控制) • Feedback Control ~ Feedforward Control (迴授/反饋控制) • Why automatic control ~ 減少人員操作負擔 優點 ~ 可靠度佳(不受情緒影響) ~ 精確度佳(電腦控制/定位)

4. Open-loop control Pre-Programmed control 依事先規劃好之命令執行，不論結果(輸出y)如何。 e.g.)學開車…倒車入庫…開至定點，再將方向盤轉1.5圈。 真正上路…不會路邊停車。 u y system • Closed-loop control (Feedback control) • 依”結果”進行控制指令修正 具體實例： • 子彈射出去，無法再做指令修正 (Hit or miss) • 飛彈發射後，(會與預定路徑/影像/座標/地形/比較) • 持續修正。 (∵其內有迴授機制)

5. 基本控制系統架構 r e y + 控制器 致動器 授控系統 例：冷氣/空調(恆溫控制) r=reference input…預定/設定溫度 y=實際環境溫度(由溫度感測器量測) e=r-y ~ 依此誤差，決定控制指令 啟動壓縮機/(變頻) (如前例，吾人抓取物品…是一複雜之迴授控制) - 大腦 手/腳 身體 感測器 眼、耳、鼻

6. Note： • 若是一切皆在理想狀態，皆在掌握之中， 則可以使用 open-loop control。 • 閉起眼睛，左五步 右十步 左二步 即走出教室門口。 • 但若有突發之干擾(障礙物)突然出現…則不可行 • Feedback control則是，時時偵測(透過sensors) 現況，與預設目標有無差異，再進行修正。 早期軍事單位：砲兵 前進觀測官…回報炮擊過近/遠 調整仰角/彈道/藥包 e.g.) e.g.)

7. P.I.D.控制器(最常用之架構) e.g.) 船舶、飛機沿預定航向行進 Ψref uc ua Ψ e + C Actuator ship - gyro 「‧原本航向朝東 ‧新航向：正南」 e(t) 改變舵之位置 改變航向(猶如汽車方向盤) C=KPe + KI∫edt + KD de/dt t 現在誤差量 過去誤差累積 未來誤差趨勢 (吾人執行決策亦是依，現在、過去經驗、未來走向三者綜合判斷)

8. Type of Control 1.Regulation ~ • 保持恆溫，定點(捷運車廂停至固定位置) • 體溫的調節 (36.5℃) • 心跳頻率的控制 車廂 2.Tracking ~ 追蹤隨時變化(Time-varying)之訊號 e.g.)飛彈追蹤飛機 r e y + C G - else：ABS防/鎖死煞車系統 (最佳施力分配) r(t) const regulation r(t) const tracking

9. Stability Concept stable (穩定平衡) (不倒翁) marginally stable(隨遇平衡) 球於平面 unstable (不穩定平衡) • 球於凸面 • 倒單擺 (筆) Definition一系統處於平衡狀態，給予微小擾動後， 若能回至其原來之平衡狀態，則稱之。

10. 如何提升系統穩定性 • 旋轉 (子彈膛線；Football旋轉；籃球；陀螺) • 增加尾翼面積，重心前移 (箭 )， 汽車引擎前置，(羽毛球尾翼斷，則飛行不穩定)，風箏。 • 增加支撐…撐拐杖 • Feedback Control Note： • 穩定性佳(保守)，則不易改變現況 • e.g.)民航機…./舒適 • 穩定性差(坐不住，喜新厭舊)，則易脫離現況 • e.g.)戰鬥機…操縱性敏捷…/纏鬥 • (F-16 open-loop(先天)不穩定/加以控制後，變得穩定)

11. 倒單擺測試 <倒單擺測試>-不同棍棒長度，欲維持平衡… (須於d範圍內移動)，則 d 與 l 有何關係? l1 l2 d1 d2

12. 反饋控制(Feedback Control)之精神 • 知錯能改 • 錯誤中學習(依“e”(error)進行修正) • 事後補救(感冒後…看醫生/治療) 內港 • 前饋控制Feedforward之精神 堤岸 堤岸 • 事先防範 • 提早因應/打預防針 領港(引水人員)熟知 當地水文情形 水流 唯：須知病毒種類，(水流)干擾大小，前饋功能才會彰顯

13. 常見之控制策略 • 先使用Feedforword Control，做大幅度修正 (依事先之資訊) • 再利用Feedback Control，做局部修正 e.g.)棒球的外野手之守備移動情形 後,碎步調整(追蹤球之動向) (Feedback) 先,判斷球方向…大步移動(左/右) (Feedforword)

14. 典型控制之方法-概念 • 化繁為簡(以簡單數學模式” “描述實體 “G”(受控體)) e.g.)車輛系統,馬達,… e.g.) is the linear approximation of G (於操作點附近， ) • 以簡御繁(依據 …設計控制器 C (對策)) 知己知彼，百戰不怠(對症下藥) x0

15. 適應控制(Adaptive Control)~(因材施教) (Recall… ,唯 …會改變 ) • 同一受控實體，於不同環境下，其行為特質不同， ∴為求較佳控制行為…C亦應隨之調整。 • 船於不同水域，飛機於不同速度/高度…須有不同之 控制器切換。 • 強靭控制(Robust Control)~(一以貫之) • (有人認為…不同控制器切換太麻煩) • 單一控制器 可用於不同環境下 h1 h2 h3 e.g.)適應控制…不同場合(工作、宴會、慢跑…各有不同服飾) 較合適，但麻煩 (XXL,XL,L,M,S) 強靭控制…一套服裝用到底(雖不盡得體，但易於處理) One-size(160~180cm)

16. Final Comment • Negative feedback(負迴授 e=r-y) 若設計得當，系統趨於穩定 • Positive feedback(惡性循環)…迴授訊號加強，終至發散 e.g.) • Microphone(指向)speaker 迴授圈…訊號不斷強化 • (麥克風) (擴音機) • Call in 節目(聽眾電話聲音)→收音機(需Turn off) • Turn-down…(降低音量) 需Turn off 正迴授(訊號強化)示意圖 無線傳遞 收音機 電台/電話/對話 聽眾講話 透過電話線迴授

17. Final Comment • 地球海水維持恆溫 Negative Feedback • 進入冰河期(猶如人感冒發燒) Positive Feedback Note： 批評 Negative Feedback改善 (更好)；忠言逆耳 恭維 Positive Feedback 自滿 ，國王新衣 (兵臨城下…為時已晚) 「通貨緊縮」/惡性循環 → 物價下跌 → 民眾觀望(不買)/等便宜 (e.g.汽車) → 工廠停產/倒閉 → 員工解雇 → 失業率上升 (消費卷…控制手段，刺激消費，降低存款利率) 反曲點 Negative Feedback Positive Feedback

18. <技術面細節> • High performance control-requires high accuracy sensor… 眼明手快 sensor performance • Controller/下令者須了解， Actuator/出力者，之能力限制… 否則「力不從心」。 e.g.)跑步…跌倒 e.g.)(命令超出能力/眼高手低)，長期熬夜處於飽和/極限狀態 早晚出問題，將帥無能，累死三軍 • Continuous signal : Analogue) • Discrete signal : (sensor/sampling) Computer control (digital) • (Continuous system Discrete system) • 微分方程差分方程

19. 控制在其它領域應用 • 基因/突變…控制(基因改造/食品) • 經濟體控制 e.g.)如何刺激/振興經濟 • 降息(鼓勵消費/錢存銀行…無利可圖) • 政府投資公共建設(擴大內需) • 發消費券 • 免稅、獎勵投資 手 段 控制命令

20. 控制亦有其限制！！/Controllability…可控制性 • 不可控制性(身高無法控制/身寬可以控制) • 隨意肌、不隨意肌 • 探討一個系統，先分析其可控性，若是可控， 再去找尋/設計控制器 (猶如Math，先分析是否有解(存在性)；若有解…再去解之) • 人生之長度無法控制(掌握)；但寬度可以自己決定

21. 控制歷史/演進 • 肇始於瓦特蒸汽機…飛輪(Fly wheel)/1787 旋轉 離心力 開啟閥門(控制蒸汽流量) • 最早控制理論分析 – Maxwell(英)/電磁理論始祖/1870 • Sperry…陀螺儀 → 船舶自航器(自動依設定航向航行)/1910 • 古典控制理論(1940 - 1950)，多源自Bell Lab (貝爾實驗室/通訊領域之應用)

22. More,其他控制應用 • Traffic Control – e.g.)台北市尖峰時間，管制重要路口紅綠燈， 確保交通(主要路口)不打結。 • A.T.C. (Air Traffic Control) – 配合雷達，GPS/GIS e.g.)飛航管制(塔台管制飛機起降) Note：原本穩定之系統，若控制不得當，亦有可能變得不穩定。

23. 帶走C02 肺靜脈 肺 靜脈 左心房 心房之收縮是在心室舒張末期(才能確保心室充盈) 右心房 微 血 管 交換C02 右心室 動脈 肺動脈 左心室 將血液排入心室 灌滿血液

24. Note：血液為何有高壓、低壓？(∵加壓送出後，可以減低阻耗；猶如高壓電傳輸！)Note：血液為何有高壓、低壓？(∵加壓送出後，可以減低阻耗；猶如高壓電傳輸！)