第三卷 第四期 - 2008年二月十五日
氣壓伺服閥控隔振支座之設計建模與強健控制
陳秉昌1 施明璋2*

博士班研究生1 教授2 機械工程學系
Email: mcshih@mail.ncku.edu.tw

Paper published in Journal of vibration and control, Vol.13 No. 11, pp. 1553-1571(2007)

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於微米製程、精密量測與高精度加工的快速發展,振動干擾的問題成為不可忽略的問題,因其幅度常接近這些技術的操作尺度。大部份的先進儀器或高精度機械設備如原子力顯微鏡、雷射干涉儀及半導體曝光設備,皆對振動極為敏感,且必須操作在平穩的環境下。這些振動干擾的成因可能來自人員的走動、運轉中的機械設備、戶外車輛的移動以及地震等,並且表現在某些特定的頻率範圍。被動式氣壓隔振支座因其構造簡單、成本低廉,故廣泛使用於各種場合。然而,對於此類的隔振支座,於共振時反而會放大振動干擾,其頻率通常小於3Hz。因此,多種應用壓電致動器或磁變致動器的主動式隔振方法,已應用在改善隔振性能方面。但由於這兩種致動器的有效行程過小,一般只有數十微米,也限制了低頻時的隔振性能。近來主動式氣壓隔振支座即應用伺服氣壓控制技術。氣壓驅動的方法,有別於壓電與磁變致動器,可提供較大的行程與較低的電磁干擾。
圖一 氣壓伺服控制隔振支座結構示意圖

本研究設計組裝一氣壓伺服閥控隔振支座,並安裝固定於振動測試台上,用以測試支座的隔振性能。圖一為所設計之氣壓伺服控制隔振支座之結構示意圖。此隔振支座內部具有上下兩個氣室。藉由壓縮空氣由下氣室注入加壓,兩氣室達到正確的設定壓力時,活塞即可支撐起承載重量。氣壓伺服閥裝置於上氣室的進氣口,利用電壓訊號的改變,伺服閥可控制流進或流出上氣室的空氣流量。為了實驗之便利,兩氣室間的外側則裝置有一可調式的節流閥,取代上下氣室間之孔口。
圖三 實驗平台之照片
圖二 實驗平台之示意圖


圖二為本研究所架設之實驗平台示意圖。模擬的樓板振動是由一組伺服閥控液壓缸所產生的。上氣室進口、氣壓伺服閥及開關閥則是依序串接在一起。振動的大小則是以加速規量測訊號,經由積分變為速度訊號,再由介面卡傳到電腦記錄。圖三為實驗設備之照片。

此系統經由一些基本假設簡化問題後,即可得到線性化之數學方程式;再利用實驗鑑定的方法求得橡膠隔膜的彈簧常數、阻尼係數以及氣壓伺服閥的流量增益。圖四為氣壓伺服閥控隔振支座之開路系統方塊圖。
圖四 氣壓伺服閥控隔振支座之開路系統方塊圖

研究中使用控制的方法,主要目的在減小振動干擾,特別是在低頻的範圍。H強健控制器恰可符合系統使用之條件。H控制理論是利用權函數規劃於常態系統中,外部干擾與系統不確定性的範圍。圖五為簡化後的常態系統、控制器以及權函數。方塊圖中的權函數具有特定的功用,權函數 Wp(s) 表示所需的性能要求,Wr(s) 則限制控制器輸出命令的大小,以避免飽和的現象。
圖六 擴增系統方塊圖
圖五 具權函數之強健控制隔振系統方塊圖


欲求得控制器K(s),圖五中的系統利用線性分式轉換(Linear Fractional Transformations)以求得擴增系統P(s)。圖六為加入控制後之擴增系統方塊圖。利用強健控制理論,根據所選擇的權函數可求得滿足所需規格之控制器。於實驗中,被動式與主動控之隔振支座的傳輸比量測的頻率範圍為0.5-80Hz,並將結果繪製在圖七中。實驗結果顯示,所設計之主動式控制器可將低頻範圍(<10Hz)之傳輸比值降低至0dB以下,同時也有效降低共振峰值的大小。其結果與近年來的氣壓隔振性能研究相比較,此為最佳之成果。
圖七 主動式與被動式氣壓隔振支座之傳輸比實驗比較
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