The Design and Control of an Anti-vibration Platform using Disturbance Response Decoupling Techniques

本論文將討論減震平台的設計與控制。隨著半導體製程的進步，對於工作環境的震動要求也相對地提高。一般而言，減震平台需要克服的震動來源主要有兩方面，一為外界環境產生的干擾，二為機體本身產生的震動。而隨著控制方式的不同，減震控制又可粗略分為被動式控制以及主動式控制兩種。 對減震系統來說，想要隔絕來自於環境以及機體的震動，就必須要分別採用 “軟” 以及 “硬” 的隔震設定。針對這兩項互相抵觸的性能指標，本論文將應用英國劍橋大學於2001年所提出的控制理論－擾動響應分解(Disturbance Response Decoupling, DRD)，結合被動式及主動式的減震結構，以及訊號回授及濾波器的設計，將來自地面的震動位移及來自機體的擾動受力分開控制。其中被動式的部分用以隔離地面的擾動位移，且可使用半主動式的控制方法來增進其抑震能力；而主動式控制的部分，本論文使用音圈馬達為致動器，透過濾波器的設計，使得控制訊號僅會被桌面擾動力所激發，進而設計控制器來增進對桌面擾動力的抑震能力，而不會改變對地面擾動的減震性能。從模擬及實驗結果顯示，我們提出的減震控制架構，確實能達到預期的目標。This thesis emphasizes on the design and vibration control of an optical table. Due to the resolution requirement of semiconductor processing, vibration control of the system is increasingly important. Generally speaking, two kinds of disturbances, namely load disturbances from the machine and floor disturbances from the environment, need to be considered in this system. To achieve it, both active and passive control algorithms can be utilized to reduce the system vibrations by anti-vibration tables to insulate disturbances. However, the controller design of abti-vibration table is complicated due to the conflicting requirements for the two disturbances. Therefore, this thesis applies a newly developed technique, named Disturbance Response Decoupling (DRD), to deal with the performance requirements simultaneously. Applying this theorem, passive isolators are applied to reduce the floor disturbances while active isolators can be used to suppress the load disturbances. From the simulation and experimental results, the design is deemed effective.謝誌 I文摘要 II文摘要 III錄 IV目錄 VI目錄 X一章 序論 1.1 前言 1.2 文獻回顧 3.3 研究目的 7二章 擾動響應分解概念及應用 9.1 控制器參數化(CONTROLLER PARAMETERIZATION) 9.2 車輛懸吊系統 15.3 廣義雙層減震架構 20.4 廣義單層減震架構 25三章 實驗架構與系統設計 29.1 震動測試平台 29.1.1 線性移動平台 30.1.2 伺服馬達及驅動器 32.1.3 桌面擾動致動器 33.1.4 功率放大電路 34.1.5 量測設備 36.1.6 頻譜分析儀 37.2 減震系統設計 38.2.1 音圈馬達 39.2.2 加速規 40.2.3 LVDT 42.2.3.1 內部結構 42.2.3.2 量測原理 43.2.3.3 HR050與控制模組 44.2.3.4 LVDT校正實驗 45.2.4 CompactRIO控制系統 46.2.4.1 即時控制器 46.2.4.2 類比輸入模組 47.2.4.3 類比輸出模組 47.2.4.3 最小電壓變化量(Minimum Detectable Voltage Range) 48.2.5 I-2000 49.2.6 彈簧阻尼結構 51四章 地面擾動控制 55.1 I-2000系統識別 55.2 雙層減震架構模擬與實驗 59.2.1 參數設計與模擬 59.2.2 實驗結果 62.3 半主動式控制架構 65.4 半主動式控制架構模擬與實驗 67.4.1 音圈馬達系統識別 67.4.2 加入K2的系統模擬 69.4.3 加入K2的實驗結果 74.5 結論 79五章 桌面擾動控制 81.1 濾波器設計與模擬 81.1.1 未啟動控制器 83.1.2 啟動控制器 88.2 擾動響應分解實驗結果 90.3 控制器設計與實驗結果 96.4 結論 99六章 結論與未來展望 101.1 結論 101.2 未來展望 103考文獻 105錄：口試委員的問題與建議 10