Design and Control of an Active Air Bearing Table for Flat Panel Display Glass Subtrate

本研究旨在發展具主動控制之平面顯示器玻璃基板氣浮平台系統，將高壓氣體輸入至氣浮塊內，藉由氣浮塊表面之細小孔隙噴出高壓氣體，利用此高壓氣體在氣浮塊與其上之玻璃基板間形成氣墊層，利用氣墊層與外界大氣壓之壓差，藉以提供玻璃基板的升力，使玻璃基板可漂浮於氣浮平台之上，不會直接與平台接觸，減少玻璃基板與平台間磨擦力。此氣浮平台將可運用於TFT-LCD玻璃基板與太陽能面板的工業製程中，改良傳統工業製程中，利用滾輪支撐與帶動的運送方式，以減少玻璃基板因為摩擦力存在而毀損的機會。 本文針對時變氣壓系統的數學模型，進行降階簡化，使氣壓系統為一三階非線性時變系統，且能滿足匹配條件。在控制器設計的部分，引用具 性能追蹤之函數近似法為基礎之適應滑動控制器，採用函數近似法近似非線性系統之數學模型，藉以克服系統之高度不確定性及時變問題，本文採用軌跡-定位的方式進行定位控制，以求同時兼顧系統之暫態及穩態特性。 本文首先以電腦進行靜態之玻璃基板於氣浮平台上之變形量模擬，並在實際實驗前利用電腦進行動態的模擬，藉以驗證其控制系統架構之可行性，最終以實驗的方式來實現，其實驗的項目包含玻璃基板漂浮高度之位移量軌跡追蹤控制，穩態穩定性之分析及系統之強健性分析。The objective of this thesis is to develop an air bearing table with active control for the floating altitude of the glass substrates of TFT-LCD or solar energy. The principle of an air bearing table is to input the high pressure air to the air bearing blocks on which there are small orifices to spurt the high pressure air such as to form an air cushion between the air bearing and the glass. The lifting force to the glass can be formed by using the difference in pressure between the air cushion and the atmospheric pressure such that the glass substrates can float on the air bearing table and don’t contact the air bearing table directly. Hence, it can reduce the friction between the glass substrates and the air bearing table in compared with the conventional roller conveyors. he study first derives the nonlinear time-variant mathematical models of pneumatic system and then simplify the models for a 3rd system. In the controller design, Fourier series-based adaptive sliding-mode controller with tracking performance is used. To ease the adverse effects caused by approximate errors, unmodeled dynamics and disturbances prior to constructing the control input , the tracking design technique and the Fourier series-based functional approximation technique are incorporated into the sliding-mode control method. edsides, this study also analyze the deformation of the glass substrates on the different arranged air bearing table in the steady state for ensuring better air bearing effects and less deformation of glass substrates. Then, the dynamic simulation of overall air-bearing table is implemented for confirming the feasibility of the developed systems. Finally, practical experiments, including position step response, path tracking control of the floating altitude of the glass substrates are perfromed for the verifying the control performance, stability and robustness of the developed system.目錄試委員會審定書 I謝 II要 IIIBSTRACT IV目錄 VIII目錄 XI一章 緒論 1.1 研究背景 1.2 文獻回顧 2.2.1 氣壓系統文獻回顧 2.2.2 控制理論文獻回顧 3.2.3 氣浮平台系統文獻回顧 4.3 研究動機及本文架構 6.3.1 研究動機 6.3.2 本文架構 7二章 機構設計與系統架構分析 9.1 氣浮平台之機構設計及建立 9.2 氣浮系統架構及流程介紹 11.3 實驗設備 13.3.1 氣壓系統 13.3.2 氣浮設備系統 16.3.3 量測系統 18.3.4 控制系統 20三章 數學動態模型之建立 23.1 氣浮平台系統參數定義 23.2 比例伺服閥之數學模型建立 24.2.1 比例伺服閥內部構造 24.2.2 孔口質量流率之數學模型 26.3 氣浮系統數學模型 28.3.1 氣浮塊控制空間 29.3.2 間隙控制空間 30.3.3 質量流率參數設定 31.3.4 連續方程式建立 32.3.5 氣壓系統數學模型 (氣浮平台運動連續方程式) 34四章 控制理論與控制器設計 35.1 滑動模式控制理論 35.1.1 滑動模式 35.1.2 滑動平面的選擇 37.1.3 滑動模式控制理論推導 37.2 函數近似法 40.2.1 函數的正交 40.2.2 傅立葉級數 40.3 控制器之設計 42.3.1 適應性滑動模式控制器設計 42.3.2 控制參數設定 46五章 模擬及實驗結果分析與討論 47.1 氣浮平台之玻璃基板變形量之模擬 48.1.1 ANSYS玻璃基板變形量數值模擬-氣浮塊排列方式 (I) 49.1.2 ANSYS玻璃基板變形量數值模擬-氣浮塊排列方式(II) 51.1.3 ANSYS玻璃基板變形量數值模擬-氣浮塊排列方式(III) 53.2 玻璃基板抬升位移量之模擬 55.2.1 開迴路玻璃基板位移量之模擬 56.2.2 閉迴路步階響應之模擬 59.2.3 閉迴路五階軌跡-定位之模擬 63.2.4 閉迴路sine軌跡之追蹤控制之模擬 71.2.5氣浮平台系統運作功率之分析與比較......................... 75.3 玻璃基板升位移量之實驗 76.3.1 開迴路玻璃基板位移量之實驗 76.3.2 閉迴路步階響應實驗 80.3.3 閉迴路五階軌跡追蹤實驗 87.3.4 閉迴路五階軌跡-定位控制實驗 94.3.5 閉迴路sine軌跡之追蹤控制之實驗 101.4 玻璃基板上升位移量實驗結果綜合比較 108.4.1 系統開迴路與閉迴路控制之實驗結果比較 109.4.2 不同控制器之實驗結果比較 111.4.3 不同行程之實驗結果比較 113.4.4 不同負載之實驗結果比較 115.4.5 sine軌跡追蹤之實驗結果比較 117.5 氣浮平台之系統穩定性測試實驗 119六章 結論與未來展望 123.1 結論 123.2 未來展望 124考文獻 12