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研究生: 李恭漢
Lee, Kung-Han
論文名稱: 結合主、被動阻尼增強機制於撓性精密定位平台之實現與控制
Realization and Control of a Damping Enhancement Compliant Stage by Incorporating Active and Passive Vibration Absorbers
指導教授: 陳國聲
Chen, Kuo-Shen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 228
中文關鍵詞: 撓性定位平台減振機制定位控制可控頻寬
外文關鍵詞: Compliant stage, PDMS rubbers, RDPF control, Damping enhanced, Positioning control
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  • 撓性機構在精密定位領域扮演關鍵的角色,通常使用線切割加工金屬合金製作, 雖然撓性機構本身具有高精度的優點,但因金屬合金的低阻尼的特性,侷限撓性機構的定位控制器性能表現,如何提升撓性定位平台的可控頻寬成為極需要改善之目標。鑒於上述之問題,本論文以經過完善設計的撓性鉸鏈平台作為低阻尼平台之對照組,並透過模擬、數學解析與實驗建立原始低阻尼平台的模型。為了改善金屬定位平台低阻尼的特性,我們分別引入了橡膠剪力阻尼與主動減振控制系進行被動與主動式減振機制的設計,並針對減振機制進行最佳化流程之設計,同時整合兩種減振策略成結合式減振機制,達到提升受控系統等效阻尼之結果。在Matlab/Simulink的輔助模擬定位控制下,原始低阻尼平台經過各種阻尼強化後,皆可以達成降低系統之安定時間或減少控制器參數簡化控制器設計的效果。在定位控制實驗中也呈現此效果,原始低阻尼平台、被動式、主動式與結合式的PID控制步階響應安定時間分別為134.6;41.2、46.9、35.4ms,PID可控頻寬對應第一共振頻佔比分別為27%、37%、35%、31%,證明提升等效阻尼可以有效提升控制頻寬對應第一共振頻的佔比,且可以大幅縮短定位控制系統安定時間。loop transmission shaping定位控制實驗中,透過結合式阻尼增強機制的平台對比低阻尼原始平台可以減少補償器數量,以提升系統附載強健能力,並維持高可控頻寬的表現。整體而言,本研究實現撓性精密定位平台,並設計減振機制成功平台的定位控制性能表現。

    This thesis presents the dynamic analysis and control system design of a damping enhanced compliant stage, consist of a notch-based structure and active damping enhanced scheme. Generally, compliant stages are usually fabricated of metallic structures. Such an approach could yield excellent performance in many applications with simple feedback controls incorporated. However, metals have inherently very low material damping and it may be difficult to add external passive dampers due to space constraints. Such a low damping capability would limit the effectiveness of controller design and even cause instability. In this work, we propose the use of the composite damping enhanced method consisting of passive vibration absorber which is made of polydimethylsiloxane (PDMS) and active damping controller of which recursive delayed position feedback (RDPF) is composed to enhance the effective material damping of compliant structures. In order to implement the approach, a compliant stage is designed and realized. Essential performance and dynamic tests are conducted to examine the functional performances and dynamic characteristics of both the original and damping enhanced stages. The results of frequency sweeping experiments indicate that the composite damping enhanced method can significantly increase the damping ratio of the stage from 0.0134 to about 0.5. Finally, for assessing the possible advantage in precision control by using this damping enhanced approach, controller systems are designed based on loop transmission shaping and sliding mode control methods. The experimental results demonstrate that settling time is indeed improved and the control bandwidth is increased after the damping is enhanced.

    摘要 I Abstract II Extend Abstract III 致謝 XXVI 目錄 XXVIII 表目錄 XXXVI 圖目錄 XL 符號說明 L 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 6 1.3 本實驗室振動控制相關研究 8 1.4 研究方法 10 1.5 全文架構 12 第二章 研究背景介紹 14 2.1 本章介紹 14 2.2 撓性定位平台相關研究 15 2.3 阻尼理論分析 20 2.4 減振機制之相關研究 23 2.4.1被動式減振系統 23 2.4.2主動式減振系統 27 2.5 相關文獻總結與討論 29 2.6 平台定位控制系統環境 30 2.6.1 感測器 30 2.6.2 制動器 31 2.6.3控制器 32 2.7 控制法則與相關應用 34 2.7.1 減振控制系統 34 2.7.2 定位控制系統 35 2.8 本章結論 36 第三章 定位平台之分析與建模 37 3.1 本章介紹 37 3.2 撓性平台之設計 38 3.3 撓性平台之尺寸選定與理論分析 40 3.4 撓性平台有限元素法分析 41 3.5 實驗系統設計與實現 44 3.5.1 實驗系統設計與架設 44 3.6 系統之動態測試與模型建立 47 3.6.1 致動器系統建模[36] 47 3.6.2 平台系統模型建立 49 3.7 本章結論 55 第四章 阻尼增強機制之設計與實現 56 4.1 本章介紹 56 4.2 被動式阻尼增強系統之測試 57 4.3 被動式阻尼增強系統之建立 59 4.4 被動式阻尼增強系統之實驗 60 4.5 主動式阻尼增強系統之建立與模擬 63 4.5.1 位移、速度與加速度回控制系統[30] 64 4.5.2 位移延遲回授控制[6] 66 4.6 主動式阻尼增強系統之實驗 72 4.6.1 位移、速度與加速度回控制系統 72 4.6.2 位移延遲控制法 73 4.7 結合式阻尼增強系統 79 4.8 阻尼增強機制討論 81 4.9 本章結論 83 第五章 定位控制器設計 84 5.1 本章介紹 84 5.2 控制器設計方法 85 5.2.1 PID控制器 85 5.2.1 Loop transmission shaping設計法 87 5.2.3 滑動模態控制器設計 94 5.3 原始低阻尼平台控制器設計 100 5.3.1 PID控制器 100 5.3.2 Loop transmission設計法 101 5.3.3 滑動模態設計設計法 105 5.4 被動阻尼增強平台控制器設計 107 5.4.1 Zeigler-Nichols設計法 107 5.4.2 Loop transmission設計法 108 5.4.3 滑動模態設計設計法 112 5.5 主動式阻尼增強平台控制器設計 114 5.5.1 PID控制器 114 5.5.2 Loop transmission設計法 115 5.5.3 滑動模態設計設計法 118 5.6 結合式阻尼增強平台控制器設計 120 5.6.1 Zeigler-Nichols設計法 120 5.6.2 Loop transmission設計法 121 5.6.3 滑動模態設計設計法 125 5.7 本章結論 126 第六章 定位控制器模擬與參數最佳化 127 6.1 本章介紹 127 6.2 原始低阻尼平台控制器參數模擬 128 6.2.1 PID 參數最佳化 128 6.2.2 L.T. Shaping 參數最佳化 128 6.2.3 SMC參數最佳化 130 6.3 被動式阻尼增強平台控制器參數模擬 133 6.3.1 PID 參數最佳化 133 6.3.2 L.T. Shaping 參數最佳化 134 6.3.3 SMC參數最佳化 135 6.4 主動式阻尼增強平台控制器參數模擬 138 6.4.1 PID 參數最佳化 138 6.4.2 L.T. Shaping 參數最佳化 139 6.4.3 SMC參數最佳化 141 6.5 結合式阻尼增強平台控制器參數模擬 143 6.5.1 PID 參數最佳化 143 6.5.2 L.T. Shaping 參數最佳化 144 6.5.3 SMC參數最佳化 146 6.6 控制器性能討論 148 6.6.1 L.T shaping控制器對比 148 6.6.1 SMC控制器對比 149 6.7 本章結論 151 第七章 原始低阻尼平台定位控制實驗 152 7.1本章介紹 152 7.2 原始低阻尼平台步階響應實驗 154 7.2.1 原始低阻尼平台PID控制實驗 154 7.2.2 原始低阻尼平台Loop Transmission shaping控制實驗 155 7.2.3 原始低阻尼平台SMC控制 157 7.3 原始低阻尼平台弦波軌跡追蹤實驗 160 7.4 定位控制強健性測試 162 7.5 控制器性能討論 163 7.6 本章結論 164 第八章 阻尼增強平台定位控制實驗 165 8.1 本章介紹 165 8.2 被動式阻尼增強平台之步階響應控制 167 8.2.1 被動式阻尼增強平台PID控制 167 8.2.2 被動式阻尼增強平台Loop Transmission shaping 控制 168 8.2.3 被動式阻尼增強平台SMC控制 170 8.3 被動式阻尼增強平台弦波軌跡追蹤實驗 173 8.4 主動式阻尼增強平台之步階響應控制 175 8.4.1 主動式阻尼增強平台PID控制 175 8.4.2 主動式阻尼增強平台Loop Transmission shaping 控制 176 8.4.3 主動式阻尼增強平台SMC控制 178 8.5 主動式阻尼增強平台弦波軌跡追蹤實驗 181 8.6 結合式阻尼增強平台之步階響應控制 183 8.6.1 結合式阻尼增強平台PID控制 183 8.6.2 結合式阻尼增強平台Loop Transmission shaping 控制 184 8.6.3 結合式阻尼增強平台SMC控制 186 8.7 結合式阻尼增強平台弦波軌跡追蹤實驗 189 8.8 定位控制強健性測試 191 8.8.1 被動式阻尼增強模型 191 8.8.2 主動式阻尼增強模型 192 8.8.3 結合式阻尼增強模型 193 8.9 控制器性能討論 194 8.10 本章結論 197 第九章 研究結果與討論 198 9.1 全文歸納 198 9.2 平台定位控制成果討論 201 9.3 研究成果討論 203 9.3.1 被動式阻尼增強平台與原始低阻尼平台的差異 203 9.3.2 被動式阻尼增強機制的定位控制器設計 203 9.3.3 與文獻之外加阻尼器定位平台比較 204 9.3.4 與文獻之主動減振系統定位平台比較 205 9.4 未來展望與未來工作 206 9.5 本章結論 208 第十章 結論與未來展望 209 10.1 本文結論 209 10.2 本文貢獻 211 10.3 未來工作 212 參考文獻 214 附錄 218 附錄A. 撓性平台工程圖 218 附錄B. PDMS 製作流程 219 附錄C. MCK測試結構剛性推導公式 220 附錄D. PAVPF控制器參數推導 222 附錄E. PAVPF程式 224 附錄F. RDPF程式 225 附錄G. PID控制程式 226 附錄H. L.T. shaping控制程式 227 附錄I. SMC控制程式 228

    [1] Wire Bonding Equipment. https://www.asmpacific.com/en/products?equipment=4
    [2] SSB245/10 Projection Lithography.
    http://www.scientech.com.tw/EN/product/lcd/smee/ssb245.asp
    [3] K. S. Chen, D. L. Trumper, and S. T. Smith, “Design and control for an electromagnetically driven X-Y-θ stage,” Precision Engineering, vol. 26, pp. 355–369, 2002.
    [4] 王維志, 具放大機構之單軸壓電驅動撓性精密定位平台之分析、設計、控制, 國立成功大學機械工程學系碩士論文, 2010.
    [5] 李哲維, 堆疊式壓電雙軸精密定位平台之設計、分析與控制, 國立成功大學機械工程學系碩士論文, 2012.
    [6] C. X. Li, Y. Ding, G. Y. Gu, and L. M. Zhu, “Damping control of piezo-actuated nanopositioning stages with recursive delayed position feedback,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 22, pp. 1357-1368, 2016.
    [7] C. A. M. Verbaan, P. C. J. N. Rosielle, and M. Steinbuch, “Broadband damping of non-rigid-body resonances of planar positioning stages by tuned mass dampers,” Mechatronics, vol. 24, pp. 712–723, 2014.
    [8] Z. Chen, G. Chen, and X. Zhang, “Leaf flexure hinge with damping layers : theoretical model and experiments,” International Conference on Manipulation, Manufacturing and Measurement on the Nanoscale, pp. 230-235, 2014.
    [9] 游逸萱, 結合3D列印與剪力阻尼於撓性定位平台之設計與控制, 國立成功大學機械工程學系學位論文, 2016.
    [10] E. Csencsics and G. Schitter, "System design and control of a resonant fast steering mirror for lissajous-based scanning," IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 22, pp. 1963-1972, 2017.
    [11] Y. Li and Q. Xu, “Design and Analysis of a Totally Decoupled,” IEEE Transactions on Robotics, vol. 25, pp. 645–657, 2009.
    [12] 林佩君, 雙軸式材料測試系統之設計與實現及其在橡膠軸承之應用, 國立成功大學機械工程學系碩士論文, 2013.
    [13] 鄭晏峰, 新式雙軸材料測試系統之實現與橡膠壓縮、剪力、疲勞測試, 國立成功大學機械工程學系學位論文, 2016.
    [14] L. L. Howell, Compliant Mechanisms. Wiley Publication, 2001.
    [15] J. W. Ryu, D. G. Gweon, and K. S. Moon, “Optimal design of a flexure hinge based XYφ wafer stage,” Precision Engineering, vol. 21, pp. 18–28, 1997.
    [16] J. M. Paros and L. Weisbord, “How to design flexure hinge,” Mach. Des., vol. 37, pp. 151-156, 1965.
    [17] Y. M. Tseytlin, “Notch flexure hinges: an effective theory,” Review of Scientific Instruments, vol. 73, pp. 3363-3368, 2002.
    [18] S. T. Smith, D. G. Chetwynd, and D. K. Bowen, “Design and assessment of monolithic high precision translation mechanisms,” Journal of Physics E: Scientific Instruments, vol. 20, pp. 977-983, 1987.
    [19] Y. K. Yong, T. F. Lu, and D. C. Handley, “Review of circular flexure hinge design equations and derivation of empirical formulations,” Precision engineering, vol. 32, pp. 63-70, 2008.
    [20] A. Balasubramanian, M. B. Jun, and R. E. DeVor, “A submicron multiaxis positioning stage for micro and nanoscale manufacturing processes,” Journal of manufacturing science and engineering, vol. 130, pp. 1-8, 2008.
    [21] W. C. Wang, J. W. Lee, K.S. Chen, and W.H. Liu, “Design and vibration control of a notch-based compliant stage for display panel inspection applications,” Journal of Sound and Vibration, vol. 333, pp. 2701-2718, 2014.
    [22] J. W. Lee, K.S. Chen, and Y.C. Li, “Design and Control of a Cascaded Piezoelectric Actuated Two‐Degrees‐ of Freedom Positioning Stage for LCD Array Repair Applications,” Precision Engineering, vol. 45, pp. 374‐386, 2016.
    [23] 吳俞慶, 液流阻尼器之結構控制分析, 國立成功大學土木工程學系碩士論文, 2011.
    [24] 張國鎮, 黃鎮興, 蘇晴茂, 李森枂, 結構消能減震控制及隔震設計. 全華科技圖書, 2004.
    [25] 陳怡婷, 高科技廠房耐震能力初步評估與補強方法, 國立交通大學
    土木工程學系碩士論文, 2006.
    [26] E. R. Marsh and A. H. Slocum, “An integrated approach to structural damping,” Precision engineering, vol. 18, pp. 103-109, 1996.
    [27] A. H. Slocum, E. R. Marsh, and D. Smith, “Replicated-in-place internal viscous shear damper for machine structures and components, ” 1998.
    [28] E. R. Marsh, “Damping of flexural waves with imbedded viscoelastic materials,” American Society of Mechanical Engineers Journal of Vibration and Acoustics, vol. 120, pp. 188–193, 1998.
    [29] M. N. Ozisik, Heat Transfer: A Basic Approach. New York: Mcgraw-Hill College, 1985.
    [30] L. Li, C. X. Li, G. Gu, and L. M. Zhu, “Positive acceleration, velocity and position feedback based damping control approach for piezo-actuated nanopositioning stages,” Mechatronics, vol. 47, pp. 97-104, 2017.
    [31] M. J. Yang, J. B. Niu, C. X. Li, G. Y. Gu, and L. M. Zhu, “High-bandwidth control of nanopositioning stages via an inner-loop delayed position feedback,” IEEE Transactions on Automation Science and Engineering, vol. 12, pp. 1357-1368, 2015.
    [32] S. Yi, P. W. Nelson, and A. G. Ulsoy, “Eigenvalue assignment via the lambert w function for control of time-delay systems,” Journal of Vibration and Control,, vol. 16, pp. 961–982, 2010.
    [33] 電容感測器原理.
    http://elecndos.com/article/003/3466
    [34] Semiconductor Wafer Non-Contact Thickness Measurement.
    http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=10566
    [35] Voice Coil Actuators.
    http://ariwatch.com/VS/VoiceCoils/
    [36] J. A. Butterworth, L. Y. Pao, and D. Y. Abramovitch, “Analysis and comparison of three discrete-time feedforward model-inverse control techniques for nonminimum-phase systems,” Mechatronics, vol. 22, pp. 577–587, 2012.
    [37] Y. Li and Q. Xu, “A novel piezoactuated XY stage with parallel , decoupled , and stacked flexure structure for micro-/nanopositioning,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, pp. 3601–3615, 2011.
    [38] 鄧諺舉, 新型橡膠軸承一維定位平台之分析、設計、控制, 成功大學機械工程學系學位論文, 2015.
    [39] J. G. Ziegler and N. B. Nichols, “Optimum settings for automatic controllers,” Transactions of the ASME, vol.64, pp.759–768, 1942.
    [40] J. J. E. Slotine and W. Li, Applied Nonlinear Control. New Jersey: Prentice hall, 1991.
    [41] Y. C. Deng and K. S. Chen, “Analysis, design, and control of a novel elastomeric bearing positioning stage,” MDPI Inventions, vol. 1, pp. 17-28, 2016.

    下載圖示 校內:2023-09-01公開
    校外:2023-09-01公開
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