元智機械系電⼦報
第5期 2022-12-01
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教學園地:陳傳生老師講授「自動控制」

       機械工程是發展數百年的傳統產業,現代機械與傳統機械最大差異在於加入電腦的控制,大幅提高現代機械運作的效率,利用自動控制的技術將產品變得更具價值,像是現代汽車在性能、安全與舒適性方面相當講究。 基於自動控制對現代機械系統的重要性,系上將「自動控制」列入大二必修課,由陳傳生教授開設,本課程希望學生們能應用所學的基礎工程理論,並結合電機、電子學及電腦軟體模擬及控制程式設計的知識,達到跨領域學習的目的,同時也能夠了解現代自動控制技術的發展方向。
 
「自動控制」基本原理

我們以無人機的飛行控制為例,說明自動控制的基本原理: 

 

1. 了解你的控制對象

       飛機靠飛行速度產生浮力,而螺旋槳轉速會控制速度,要維持飛機的高度,就要控制轉速,他們之間的關係,可以從機械工程的理論,得到他們的數學公式或是電腦模型。

 

2. 根據現況來調整輸入參數以滿足設定的目標 

       飛機在空中飛行,我們需要測量飛機高度,調整螺旋槳的轉速(推力)來維持它的高度,這些工作需要感測器、油門控制馬達和電腦軟體。

 

當這些項目結合在一起就會產生「控制效果」,也就是這門課要探討的學習內容。

 

「自動控制」課程教學理念
       陳傳生教授表示「自動控制可以將機械提升至另一個層次」,機械知識若沒有靈活運用,就會變得死板,因此需要巧妙結合各種知識,讓機械變成能夠幫助人類發展的工具。人類的力量雖然有限,但是智慧是非常強大。人類的發展一直都是經由前人所遺留的智慧結晶,啟發我們對未來先進世界的憧憬。現在「自動控制」還有許多發展空間,只要人們願意創新思考,對於任何事物都可以做出相對應的「自動控制」系統。陳教授說:「我們要控制機器之前,要先熟知此機器的運作原理,便可以導正機器的行為模式,達到控制目的。」
 
       以「機械手掌」的自動控制為例,它結合電腦輔助設計(Computer-aided design, CAD)繪圖、機動學(四連桿關節)、電路學(馬達或驅動器)、10個網路連結的微控制器(程式設計)與馬達控制軟體(自動控制)等基礎知識,透過Matlab Simulink(電腦模擬)產生程式碼,最後以電腦輔助製造(Computer-aided manufacturing, CAM)的 3D印表機完成。運用軟體才能正確地完成這些工作,這也是為什麼在系上推行的工程教育IEET認證時,要將培養學生運用電腦軟體CAD/CAM的能力列入重要的教學評核項目的原因。

「機械手掌」的製作流程圖

 

Matlab程式-分析四連桿關節機構運動行為

 

「自動控制」的應用與發展 
      現在熱門的議題: 風力發電、無人車/機、物聯網、機器人、電動車、機器學習等,每一項科技的背後都有「自動控制」。由於機械、軟體與電機的自動系統整合過程非常複雜,因此,我們必須學會CAD軟體來輔助自動控制的設計。系上採用Matlab校園版來訓練學生具備自動控制的設計能力,Matlab內建上述幾項熱門議題的模擬與控制,甚至Arduino控制板也在Matlab中直接產生程式碼,這個轉換過程類似於工件的工具機加工流程,可由 CAD軟體產生數值控制工具機的程式碼。陳老師希望同學們都要具備使用CAD軟體的基本能力,才能跟上自動控制的發展潮流。

 

優秀學生心得分享:3A 侯宇謙、3B 洪伯勳
       侯宇謙同學在學習「自動控制」的過程中,他覺得理解電子電路學的邏輯最為困難,而電子電路學是「自動控制」非常重要的一環,要能精準控制馬達就必須將電路搭配完美,所以他認為學好電子電路學可以讓「自動控制」產品更加進步。侯同學表示機械系的學生對於「自動控制」往往較不熟悉,因此找到自己對這門課的學習動機,才不會覺得這門課很無趣,更不要因為這門課需要結合跨領域知識,就排斥這門學科。侯同學說:「學會主動探索新知,將所學理論實際應用在日常生活中,才是做學問的良好態度。」


       洪伯勳同學在學習「自動控制」的過程中,他認為最困難的部分是以程式建立數學模型,由於自動控制是整合許多課程所用到的 知識,例如:工程數學、動力學、電子電路學等,因此奠定扎實的 基礎是很重要的,上課必須隨時注意老師寫在黑板上的重點筆記,平時也可以多練習課本上的習題,才能找出自己錯誤的地方,並加以檢討修正。洪同學表示,自動控制的應用相當廣泛,此產業是現今時代的潮流,從日常生活中的手機、電腦及電視等家電產品,到現代機器人、半導體及人工智慧科技應用,都需要控制系統來達成,因此廣泛接觸並了解自動控制的理論與實務應用,將會對未來有很大的幫助。

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