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| DC 欄位 | 值 | 語言 |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | 顏家鈺(Jia-Yush Yen) | |
| dc.contributor.author | Fan-Chun Kuo | en |
| dc.contributor.author | 郭凡鈞 | zh_TW |
| dc.date.accessioned | 2021-06-17T03:11:56Z | - |
| dc.date.available | 2023-07-23 | |
| dc.date.copyright | 2018-07-23 | |
| dc.date.issued | 2018 | |
| dc.date.submitted | 2018-07-16 | |
| dc.identifier.citation | [1] T. HU, 'Design and control of a 6-degree-of-freedom levitated positioner with high precision,' PhD, Mechanical Engineering, Texas A&M University, 2005.
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| dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/69277 | - |
| dc.description.abstract | 本論文提出加速度曲線的規劃架構以改善系統產生無窮大的Jerk，此架構是基於給予系統突然的速度命令時，需要極大的加速度來實行，而突然的加速度則會產生無窮大的Jerk，並且根據牛頓第二定律F=ma也會對系統造成極大的負荷，因此進行加減速度曲線的規劃使加速度為連續曲線，不僅能夠讓運動過程維持平順的速度運動，還能使Jerk為連續的有限值，降低對系統的負荷。
此系統是以永磁無刷式線性馬達以及空氣軸承所組成的單層雙軸氣浮運動平台。將雙軸的系統解耦成三個(X、Y、Theta軸)單一輸入、單一輸出(SISO)系統。由於系統為不穩定的系統，系統識別方面採用閉迴路系統識別方法去進行數學模型的識別，並且使用Simulink內建「參數估測」搭配時域方法來得到三個(X、Y、Theta軸)單一輸入、單一輸出(SISO)系統的轉移函數。 控制架構上，主要先規劃出連續加減速度曲線，並且利用積分得出位置與時間的函數，得到位置命令的追跡(tracking)曲線，再搭配工業上常用的PID控制器以及串聯控制方法，達到控制目標。比較以往實驗室團隊所提出的「迫近及定位控制」(Access and Positioning control)架構，控制架構以同時輸入參考位置與參考速度的方式，並且利用繁複的運算使整體系統的H-infinite norm限制在一定的範圍內，最後再搭配改良後的Luenberger式狀態估測器去補償內外部的低頻干擾。加速度曲線規劃的控制架構使用較為簡單的PID控制器，在犧牲到達定位點的短暫時間，換取相較於「迫近及定位控制」架構較高的定位精度以及較低的最大超越量，在角度控制上，整體表現也比「迫近及定位控制」架構來的好。如果犧牲最大超越量，則可以換取較高的定位精度以及較快的定位時間，角度控制上，穩定性也明顯高於「迫近定位控制」架構。 | zh_TW |
| dc.description.abstract | This thesis addresses the fundamental problem of design of acceleration curve so that it can deal with the infinite Jerk when system starts moving. This structure is based on giving the system a sudden speed command that requires a great deal of acceleration, and a sudden acceleration produces an infinite jerk. According to Newton's second law, F=ma, this large acceleration can also cause a great load on the system. Therefore, the design of the acceleration curve is to make a continuous curve, not only let motion pro-cess maintain a smooth speed movement, but also make the Jerk a continuous finite val-ue, and reduce the load on the system.
The system is a dual-axis air-bearing motion stage system consists of four perma-nent magnet brushless linear motors. For simplicity, in this thesis the complex system is decoupled to three(X, Y, Theta-axis) single input single output(SISO) systems. Because of the system is unstable, a closed-loop system identification method is used to identify the mathematical model. Finally, the transfer function of three(axis) single input, single output(SISO) system is obtained by using the embedded function, “Parameter estima-tion” under Simulink environment with time domain method. In control structure, mainly designing the continuous acceleration and deceleration curve first, and using the integral to get the position of time function. After obtaining the tracking curve of the position command which is position of time function, using PID controller and series control method to achieve the control target. Compared with the “Access and Positioning control” structure proposed by the lab team, the “Access and Positioning control” structure simultaneously inputs the reference position and ref-erence velocity, and the complicated operation makes the system’s H-infinite norm lim-ited to a range. Finally, using the augmented-Luenberger observer to compensate for the internal and external low-frequency disturbance. Design of acceleration curve structure uses simpler PID controller. If at the sacrifice of a short time to reach the location point, design of acceleration curve structure has a higher positioning accuracy and a lower maximum overshoot than “Access and Positioning control” structure. In angle control, the design of acceleration curve structure overall performance is better than “Access and Positioning control” structure. If at the sacrifice of maximum overshoot, design of ac-celeration curve structure has a higher positioning accuracy and a shorter time to reach the location point than “Access and Positioning control” structure. In angle control, the overall performance of design of acceleration curve structure is better than “Access and Positioning control” structure, too. | en |
| dc.description.provenance | Made available in DSpace on 2021-06-17T03:11:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ntu-107-R05522816-1.pdf: 14600257 bytes, checksum: 48f69d3f21765c81178cccfcff3e4639 (MD5) Previous issue date: 2018 | en |
| dc.description.tableofcontents | 目錄
致謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 XIV 符號表 XV 第1章 導論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 1 1.3 論文架構 6 第2章 系統軟、硬體介紹 7 2.1 系統整體架構與訊號流程 7 2.2 雙軸氣浮運動平台 7 2.3 永磁線性同步馬達 9 2.4 驅動器 14 2.5 雷射干涉儀 15 2.6 數位控制系統 19 第3章 系統識別 20 3.1 永磁式交流馬達數學模型 20 3.2 平台運動及動態分析 25 3.3 時域單輸入單輸出系統識別 26 3.3-1 Regulation分析方法 27 3.3-2 Tracking分析方法 28 第4章 系統控制架構 30 4.1 偽微分控制架構(Pseudo Derivative Feedback) 30 4.2 改良式Luenberger估測器(Augmented-LO) 31 4.2-1 改良式估測器設計理論 31 4.3 迫近及定位控制(Access and Positioning control) 34 4.3-1 最佳化強健控制器設計 35 4.3-1.1 鏈散射式描述(Chain Scattering Descriptions, CSD) 35 4.3-1.2 系統狀態空間之頻譜分解 41 4.3-1.3 J頻譜分解 44 4.3-1.4 H∞控制器設計 46 4.3-2 PDF與ALO架構結合 50 4.4 加速度曲線規劃 55 4.4-1 數學模型推導 55 4.4-2 參數設計 59 4.4-2.1 位移與曲線關係 60 4.4-2.2 三變數與曲線關係 64 4.4-3 系統模擬 64 第5章 實驗結果 74 5.1 三變數對曲線響應 74 5.1-1 不同加速度間響應結果 74 5.1-2 不同速度間響應結果 78 5.1-3 不同TS間響應結果 83 5.2 負載乘載 87 5.3 PDF架構與PID架構之比較 91 5.4 加速度曲線規劃與迫近及定位控制之比較 96 5.4-1 α=1800000 μm⁄s^2 、V=80000 μm⁄s 、TS=0.055s 96 5.4-2 α=2000000 μm⁄s^2 、V=90000 μm⁄s 、TS=0.04s 101 第6章 結論和未來展望 108 6.1 結論 108 6.2 未來展望 110 參考資料 111 圖目錄 圖1 1 龍門式平台 2 圖1 2 交錯軸型式平台 2 圖1 3 力漣波測量結果[12] 4 圖1 4 反受控場干擾估測架構[18] 4 圖2 1 系統架構圖[26, 27] 7 圖2 2 運動平台基座與動子分解圖 8 圖2 3 動子背面示意圖 8 圖2 4 空氣軸承分解圖 9 圖2 5 環形與線性馬達比較圖[28] 9 圖2 6 佛萊明左手定則示意圖 [27] 10 圖2 7 轉動線圈 10 圖2 8 馬達三相座標 11 圖2 9 馬達磁力合方向 11 圖2 10 馬達座標轉換示意圖 12 圖2 11 線性馬達設計示意圖 13 圖2 12 LMDX驅動器[29] 14 圖2 13 雷射光光路設計示意圖 16 圖2 14 Agilent 10705A光路分析[29] 16 圖2 15 (a)量測光路路線 (b)參考光路路線[34] 17 圖2 16 Agilent 10706B光路分析[29] 17 圖2 17 N1231B軸卡接腳[30] 18 圖2 18 程式架構流程圖 19 圖3 1 直流馬達等校電路圖[26] 20 圖3 2 直流馬達模型方塊圖 22 圖3 3 電流驅動之交流馬達數學模型方塊圖 22 圖3 4 電流驅動之交流馬達單相數學模型方塊圖 23 圖3 5 位置為輸出訊號之交流馬達數學模型 23 圖3 6 電流放大器波德圖 24 圖3 7 簡化之交流馬達數學模型 24 圖3 8 平台自由體圖 25 圖3 9 PID控制迴路圖 26 圖3 10 Matlab系統模型建立 27 圖3 11 步階響應系統識別 27 圖3 12 系統識別模擬與實際量測比較 28 圖3 13 X-axis tracking響應系統識別 28 圖3 14 X-axis tracking系統識別模擬與實際量測比較 29 圖4 1 基礎PDF控制架構 30 圖4 2 估測器狀態回饋控制 31 圖4 3 改良式估測器(ALO)狀態回饋控制架構 31 圖4 4 總干擾估測閉迴路架構 34 圖4 5 鏈散射式描述之右向系統表示法(CSDr) 35 圖4 6 鏈散射式描述之左向系統表示法(CSDl) 35 圖4 7 鏈散射式描述環境下串連表達法 36 圖4 8 右向與左向相串聯性質 37 圖4 9 狀態空間系統架構 37 圖4 10 鏈散射式描述表達狀態空間 38 圖4 11 以鏈散射式描述表達star product 39 圖4 12 同時接上一個矩陣 39 圖4 13 CSD化簡控制器 40 圖4 14 線性分式變換運算環境下的star product 40 圖4 15 右互質分解 42 圖4 16 左互質分解 42 圖4 17 系統基本表達 47 圖4 18 計算右互質分解(M*) 47 圖4 19 計算左互質分解( ) 49 圖4 20 最終簡化系統 49 圖4 21 迫近及定位控制架構 51 圖4 22 迫近及定位控制架構剪斷圖 52 圖4 23 單軸迫近及定位控制搭配ALO閉迴路控制架構 53 圖4 24 速度與Jerk的關係[33] 56 圖4 25 速度曲線加速部分 57 圖4 26 速度曲線減速部分 58 圖4 27 整體運動過程速度曲線 59 圖4 28 整體運動過程加速度曲線 59 圖4 29 未達最大加速度曲線 60 圖4 30 達最大加速度但未達最大速度曲線 61 圖4 31 達最大加速度且達最大速度曲線 63 圖4 32 X軸模擬與實際響應結果比較 65 圖4 33 X軸模擬與實際暫態響應結果比較 65 圖4 34 Y軸模擬與實際響應結果比較 66 圖4 35 Y軸模擬與實際暫態響應結果比較 66 圖4 36 調整參數後X軸模擬與實際響應結果比較 67 圖4 37 調整參數後X軸模擬與實際暫態響應結果比較 67 圖4 38 調整參數後Y軸模擬與實際響應結果比較 68 圖4 39 調整參數後Y軸模擬與實際暫態響應結果比較 68 圖4 40 Matlab與自行調整參數X軸響應結果比較 69 圖4 41 Matlab與自行調整參數X軸暫態響應結果比較 70 圖4 42 Matlab與自行調整參數X軸穩態響應結果比較 70 圖4 43 Matlab與自行調整參數Y軸響應結果比較 71 圖4 44 Matlab與自行調整參數Y軸暫態響應結果比較 71 圖4 45 Matlab與自行調整參數Y軸穩態響應結果比較 72 圖4 46 Matlab與自行調整參數Theta響應結果比較 72 圖4 47 Matlab與自行調整參數Theta暫態響應結果比較 73 圖4 48 Matlab與自行調整參數Theta穩態響應結果比較 73 圖5 1 X軸不同最大加速度下響應結果比較 74 圖5 2 X軸不同最大加速度下暫態響應結果比較 75 圖5 3 X軸不同最大加速度下tracking error比較 75 圖5 4 Y軸不同最大加速度下響應結果比較 76 圖5 5 Y軸不同最大加速度下暫態響應結果比較 76 圖5 6 Y軸不同最大加速度下tracking error比較 77 圖5 7 Theta不同最大加速度下響應結果比較 77 圖5 8 Theta不同最大加速度下暫態響應結果比較 78 圖5 9 X軸不同最大速度下響應結果比較 79 圖5 10 X軸不同最大速度下暫態響應結果比較 79 圖5 11 X軸不同最大速度下tracking error比較 80 圖5 12 Y軸不同最大速度下響應結果比較 80 圖5 13 Y軸不同最大速度下暫態響應結果比較 81 圖5 14 Y軸不同最大速度下tracking error比較 81 圖5 15 Theta不同最大速度下響應結果比較 82 圖5 16 Theta不同最大速度下暫態響應結果比較 82 圖5 17 X軸不同 下響應結果比較 83 圖5 18 X軸不同 下暫態響應結果比較 84 圖5 19 X軸不同 下tracking error比較 84 圖5 20 Y軸不同 下響應結果比較 85 圖5 21 Y軸不同 下暫態響應結果比較 85 圖5 22 Y軸不同 下tracking error比較 86 圖5 23 Theta不同 下響應結果比較 86 圖5 24 Theta不同 下暫態響應結果比較 87 圖5 25 X軸不同負載下響應結果比較 88 圖5 26 Y軸不同負載下響應結果比較 89 圖5 27 Theta不同負載下響應結果比較 90 圖5 28 基礎PDF控制架構 92 圖5 29 PID控制迴路圖 92 圖5 30 X軸PID與PDF響應結果比較 93 圖5 31 Y軸PID與PDF響應結果比較 94 圖5 32 Theta PID與PDF響應結果比較 95 圖5 33 X軸響應結果比較 97 圖5 34 X軸暫態響應結果比較 97 圖5 35 X軸穩態響應結果比較 98 圖5 36 Y軸響應結果比較 98 圖5 37 Y軸暫態響應結果比較 99 圖5 38 Y軸穩態響應結果比較 99 圖5 39 Theta響應結果比較 100 圖5 40 Theta暫態響應結果比較 100 圖5 41 Theta 穩態響應結果比較 101 圖5 42 更新三變數X軸響應結果比較 102 圖5 43 更新三變數X軸暫態響應結果比較 102 圖5 44 更新三變數X軸穩態響應結果比較 103 圖5 45 更新三變數Y軸響應結果比較 103 圖5 46 更新三變數Y軸暫態響應結果比較 104 圖5 47 更新三變數Y軸穩態響應結果比較 104 圖5 48 更新三變數Theta響應結果比較 105 圖5 49 更新三變數Theta暫態響應結果比較 105 圖5 50 更新三變數Theta穩態響應結果比較 106 表目錄 表2 1 線性馬達參數表 14 表2 2 驅動器參數表[29] 15 表2 3 雷射相關參數 15 表3 1 永磁直流馬達參數表 21 表4 1 迫近及定位設計之各軸強健控制參數 52 表4 2 PDF架構設計之 軸強健控制參數 52 表5 1 負載實驗之各軸控制參數 87 表5 2 PDF架構控制參數 91 表5 3 PID控制器各軸控制參數 92 表5 4 更新三變數後PID控制器各軸控制參數 101 表5 5 加速度曲線規劃與迫近及定位控制雙軸響應比較 107 表5 6 加速度曲線規劃與迫近及定位控制角度響應比較 107 | |
| dc.language.iso | zh-TW | |
| dc.subject | H-infinite norm控制 | zh_TW |
| dc.subject | Luenberger估測器 | zh_TW |
| dc.subject | 加減速度曲線規劃 | zh_TW |
| dc.subject | 永磁無刷線性馬達 | zh_TW |
| dc.subject | 強健控制 | zh_TW |
| dc.subject | 氣浮運動平台 | zh_TW |
| dc.subject | H-infinite norm control | en |
| dc.subject | Luenberger observer | en |
| dc.subject | disturbance observer | en |
| dc.subject | design of acceleration curve | en |
| dc.subject | PMLSM | en |
| dc.subject | robust control | en |
| dc.subject | air-bearing motion stage | en |
| dc.title | 精密單層雙軸氣浮運動平台之加速度曲線規劃分析 | zh_TW |
| dc.title | Design and Analysis of Acceleration curve of Precise Single-Deck Dual-Axes Air-Bearing Motion Stage | en |
| dc.type | Thesis | |
| dc.date.schoolyear | 106-2 | |
| dc.description.degree | 碩士 | |
| dc.contributor.oralexamcommittee | 王富正(Fu-Cheng Wang),鍾添東(Tien-Tung Chung) | |
| dc.subject.keyword | 氣浮運動平台,永磁無刷線性馬達,強健控制,H-infinite norm控制,Luenberger估測器,加減速度曲線規劃, | zh_TW |
| dc.subject.keyword | air-bearing motion stage,PMLSM,robust control,H-infinite norm control,Luenberger observer,disturbance observer,design of acceleration curve, | en |
| dc.relation.page | 114 | |
| dc.identifier.doi | 10.6342/NTU201801534 | |
| dc.rights.note | 有償授權 | |
| dc.date.accepted | 2018-07-16 | |
| dc.contributor.author-college | 工學院 | zh_TW |
| dc.contributor.author-dept | 機械工程學研究所 | zh_TW |
| 顯示於系所單位： | 機械工程學系 | |
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|---|---|---|---|
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