1. 自動控制系統
Automatic Control
System

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. 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. Study ? How Study ?
Steady – State response

Transient – State response

Control System Stability !


5. How to describe ?
1. Transfer Function.

2. Block Diagrams.

3. Signal – Flow Graphs.

4. State function.

5. Differential Equ.

6. Bond graph.


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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 氣油壓組件相關知識

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 真空產生器與吸盤

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. 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. 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. 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. 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. 不銹鋼氣缸相關知識

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. 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. 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. 超薄缸相關知識

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. 前後蓋與缸管結合方式
(1) 扣環型

(2) 拉桿型


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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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。