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METHOD OF SUPPRESSING/CONTROLLING VIBRATION OF PNEUMATIC VIBRATION ELIMINATION BASE SYSTEM commons

Patent code P110002094
File No. N10097
Posted date Apr 1, 2011
Application number P2011-059975
Publication number P2012-193820A
Patent number P5762069
Date of filing Mar 18, 2011
Date of publication of application Oct 11, 2012
Date of registration Jun 19, 2015
Inventor
  • (In Japanese)千田 有一
  • (In Japanese)小池 雅和
  • (In Japanese)中澤 裕司
  • (In Japanese)茶圓 秀一郎
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人信州大学
  • (In Japanese)ヘルツ株式会社
Title METHOD OF SUPPRESSING/CONTROLLING VIBRATION OF PNEUMATIC VIBRATION ELIMINATION BASE SYSTEM commons
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of suppressing/controlling vibration of a pneumatic vibration elimination base system suitable for rapidly suppressing vibration of large displacement, for instance, vibration at a level of several millimeters by active control.
SOLUTION: This pneumatic vibration elimination base system controls vibration of a vibration elimination base by controlling a flow rate to an air spring by a multiple-valued quantization flow rate specified by on-off operation of a plurality of on-off valves. Since a pipe arrangement is used in pneumatic control, dead time is eliminated by state prediction control (F). By considering the on-off control of the on-off valve, an FBM (feedback member) is added to a control system, a dead zone function Ψ and a saturation function Γ are added to the prior stage of the FBM, and a dead zone compensator H is added to the dead zone function Ψ. Large vibration at a level of several millimeters can be rapidly suppressed as compared with a conventional mechanism, and control by the on-off drive of the on-off valve excels in high-speed responsiveness as compared with linear control using a servo valve and can be inexpensively achieved.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


精密部品の製造、測定分野では、床からの振動を抑制するために除振台が広く使用されている。特に空圧式除振台は大重量を低エネルギーで支持でき、高い除振性能を有することから広く使用されている。また、除振台に直接加わる直動外乱によって発生する振動を抑制するために、空圧式除振台へのアクティブ制御についてこれまで種々の提案および研究がなされている。



特許文献1には空圧式除振台のアクティブ制御方法および装置が提案されている。また、微分圧力情報を利用しノズルフラッパー型サーボ弁を用いて空気ばねの内圧をアクティブに制御する手法(非特許文献1)、絶対変位センサを利用しボイスコイルモータを用いて除振台に外力を加えることで制振性能を高める手法(非特許文献2)、位置、速度、加速度情報をフィードバックし、さらにフィードフォワードを組み合わせることで空気ばねの内圧を制御し位置決めの高速化をはかる手法(非特許文献3、4)が提案されている。さらに、ボイスコイルモータを多点配置することで制御帯域を広げる手法(非特許文献5)、加速度センサノイズを軽減させることで性能を向上させる手法(非特許文献6、7)、補助タンクを用いたり、空気ばねの形状を工夫して性能を向上させる手法(非特許文献8、9)、スプール型サーボバルブを用いて低消費流量でアクティブに制御する手法(非特許文献10)なども提案されている。一方、本発明に関連する先行技術として非特許文献11~18において提案されているものがある。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は空圧式除振台システムの振動抑制制御方法に関し、特に、大変位の振動、例えば数mmレベルの振動をアクティブ制御により迅速に抑制するのに適した空圧式除振台システムの振動抑制制御方法に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
空圧式除振台システムの振動抑制制御方法であって、
前記空圧式除振台システムは、
除振台と、
前記除振台を支持している空気ばねと、
on-offの2値を取る少なくとも1つの吸気用開閉弁およびon-offの2値を取る少なくとも1つの排気用開閉弁を介して前記空気ばねに対する圧縮空気の供給および排出を行う空圧回路と、
前記除振台の除振方向の変位(z)または速度に関する情報および前記空気ばね内の空気の圧力変化(ΔP)をフィードバックして前記除振台の振動を抑制するために要求される前記空気ばねに対する圧縮空気の指令流量を算出し、当該指令流量を、前記吸気用開閉弁および前記排気用開閉弁のon-off操作によって得られる離散的な多値の操作流量に変換し、当該操作流量を前記空気ばねに与える制御系とを有しており、
前記制御系に圧力フィードバックをマイナーフィードバックとして施して、
前記制御系に入力される操作量として指令圧力変化(ΔPc)を採用し、当該指令圧力変化(ΔPc)とマイナーフィードバックされた圧力変化(ΔP)との誤差圧力変化信号(uc)を、変換定数ゲイン(p1)を介して、前記指令流量(up)に変換することにより、
前記圧力フィードバックを施した後の前記制御系および前記制御対象を含むシステムを、x=z、xドット=zの一次微分、および、u=ΔPcを制御入力として、式(A)で表される状態方程式で規定し、
式(A)


但し、
m:除振台の質量
k:空気ばねのバネ定数
c:空気ばねの粘性定数
S:除振台と空気ばねの接触面積
L:むだ時間(開閉弁に対するon-off指令の発生時点から空気ばね内の圧力変動の開始時点までの応答遅れ)
前記開閉弁のon-off操作に伴う前記空気ばねの圧力制御性能の劣化を防止するために、前記制御系における前記変換定数ゲイン(p1)の後段にフィードバック変調器(FBM)を追加し、
前記フィードバック変調器(FBM)において、前記開閉弁のon-off操作によって得られる前記操作流量(Gd)の量子化規則を表す飽和関数および量子化器と同一特性の飽和関数および量子化器を設けると共に、当該量子化器の入力信号および出力信号の誤差を当該入力信号にフィードバックし、
前記フィードバック変調器(FBM)から出力される流量指令変調信号を前記指令流量(up)として用いることを特徴とする空圧式除振台システムの振動抑制制御方法。

【請求項2】
 
請求項1において、
前記むだ時間(L)に起因する前記空気ばねの圧力制御性の劣化を防止するために、前記制御系に入力される前記指令圧力変化(ΔPc)に対して、Fを状態フィードバック制御ゲインとして式(B)で表される状態フィードバックを施し、
式(B)


前記むだ時間(L)を含む前記制御系の安定性を保証するための状態フィードバックゲイン(F)の値を、LMI(Linear Matrix Inequality)により求めることを特徴とする空圧式除振台システムの振動抑制制御方法。

【請求項3】
 
請求項1または2において、
前記制御系による制御が前記誤差圧力変化信号(uc)に含まれているノイズ成分に過剰に反応することを防止するために、前記制御系における前記変換定数ゲイン(p1)の前段に、式(C)で表される不感帯関数(Ψ)を追加し(u1、u2:不感帯関数の前後の信号、u1=uc)、
式(C)


前記フィードバック変調器FBMの入力信号(uf)と出力信号(up)の誤差を抑制するために、前記変換定数ゲイン(p1)と前記フィードバック変調器(FBM)の間に、式(D)で表される飽和関数Γを追加して、前記変換定数ゲイン(p1)を介して前記
フィードバック変調器(FBM)に供給される入力信号(u3)を、飽和制限を加えた入力信号(uf)として当該フィードバック変調器(FBM)に供給することを特徴とする空圧式除振台システムの振動抑制制御方法。
式(D)



【請求項4】
 
請求項3において、
前記制御系による制御結果に生ずる圧力偏差を抑制するために、前記不感帯関数(Ψ)に、式(E)で表される不感帯補償器(H)を追加し、
式(E)


但し、
α:設計パラメータ
ξ:不感帯関数の前後の信号u1、u2の差分
不感帯関数(Ψ)で除かれた信号成分をフィードバックして前記誤差圧力変化信号(uc)に加えた入力信号(u1)を、前記不感帯関数(Ψ)に入力することを特徴とする空圧式除振台システムの振動抑制制御方法。

【請求項5】
 
請求項1ないし4のうちのいずれか一つの項において、
前記空圧回路は、1つの前記吸気用開閉弁と1つの前記排気用開閉弁を備えており、
前記指令流量(up)の値に応じて、式(F)で規定される飽和関数と量子化器の特性を備えた規則に従って、前記空気ばねに対する操作流量(Gd)が3値(G、G、0)に量子化されることを特徴とする空圧式除振台システムの振動抑制制御方法。
式(F)



【請求項6】
 
請求項1ないし4のうちのいずれか一つの項において、
前記空圧回路は、並列接続された2つの吸気用開閉弁(Val.#1、Val.#2)と、並列接続された4つの排気用開閉弁(Val.#3~Val.#6)とを備えており、
前記指令流量(up)の値に応じて、以下の表に示す各開閉弁のon-off操作の駆動パターンにより、式(G)で規定される飽和関数と量子化器の特性を備えた規則に従って、前記空気ばねに対する操作流量(Gd:Control input)が5値(G2+、G1+、G1-、G2-、0)に量子化されることを特徴とする空圧式除振台システムの振動抑制制御方法。


式(G)


IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2011059975thum.jpg
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