JP5762069B2 - Vibration suppression control method for pneumatic vibration isolation table system - Google Patents

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Description

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。   The present invention relates to a vibration suppression control method for a pneumatic vibration isolation table system, and in particular, vibration suppression of a pneumatic vibration isolation table system suitable for quickly suppressing large displacement vibration, for example, vibration of several millimeters level by active control. It relates to a control method.

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。   In the field of manufacturing and measuring precision parts, vibration isolation tables are widely used to suppress vibration from the floor. In particular, the pneumatic vibration isolation table is widely used because it can support a large weight with low energy and has high vibration isolation performance. In addition, various proposals and studies have been made so far on active control of a pneumatic vibration isolation table in order to suppress vibration generated by a direct acting disturbance directly applied to the vibration isolation table.

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。   Patent Document 1 proposes an active control method and apparatus for a pneumatic vibration isolation table. In addition, the differential pressure information is used to actively control the internal pressure of the air spring using a nozzle flapper type servo valve (Non-Patent Document 1), and an external force is applied to the vibration isolation table using a voice coil motor using an absolute displacement sensor. (Non-Patent Document 2) that improves the vibration damping performance by adding, and feeds back position, velocity, and acceleration information, and also combines feedforward to control the internal pressure of the air spring and speed up positioning (non- Patent Documents 3 and 4) have been proposed. Furthermore, a method of expanding the control band by arranging multiple voice coil motors (Non-Patent Document 5), a method of improving performance by reducing acceleration sensor noise (Non-Patent Documents 6 and 7), and using an auxiliary tank In addition, a method of improving the performance by devising the shape of the air spring (Non-Patent Documents 8 and 9), a method of actively controlling with a low consumption flow rate using a spool type servo valve (Non-Patent Document 10), etc. have been proposed. ing. On the other hand, non-patent documents 11 to 18 have been proposed as prior arts related to the present invention.

特開2006−112535号公報JP 2006-112535 A

川嶋健嗣,加藤友規,金恩敬,新井豪,只野耕太郎,香川利春,“圧力微分計を用いた空気ばね式除振台の外乱補償制御”,日本機械学会論文集C編,Vol. 76,No. 764 (2010), pp. 861-868Kengo Kawashima, Tomonori Kato, Kimon Kim, Go Arai, Kotaro Kanno, Toshiharu Kagawa, “Disturbance Compensation Control of Air Spring Vibration Isolator Using Pressure Differential Meter”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, C, Vol. 76, No. 764 (2010), pp. 861-868 甲斐孝志,涌井伸二,“絶対変位センサを用いた2自由度空圧式除振装置の制御”,日本機械学会論文集C編,Vol. 76,No. 766 (2010), pp. 1489-1495Takashi Kai and Shinji Sakurai, “Control of a 2-DOF Pneumatic Vibration Isolator Using an Absolute Displacement Sensor”, Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, Volume C, Vol. 76, No. 766 (2010), pp. 1489-1495 涌井伸二,多田遼太郎,“圧力フィードバックと直列補償を備えた空圧系の位置決め制御”,精密工学会誌,Vol. 74,No.7 (2008), pp. 769-774Shinji Sakurai and Shintaro Tada, “Positioning Control of Pneumatic Systems with Pressure Feedback and Series Compensation”, Journal of Precision Engineering, Vol. 74, No. 7 (2008), pp. 769-774 涌井伸二,山本真臣,高橋正人,“空圧位置決めの一フィードフォワード補償器の機能”,精密工学会誌,Vol. 74,No. 11(2008), pp. 1243-1244Shinji Sakurai, Masaomi Yamamoto, Masato Takahashi, “Function of one feedforward compensator for pneumatic positioning”, Journal of Japan Society for Precision Engineering, Vol. 74, No. 11 (2008), pp. 1243-1244 高橋正人,涌井伸二,牧野内進,“アクチュエータの多点配置によるアクティブ除振装置の広帯域化”,日本機械学会論文集C編,Vol. 76,No. 763 (2010), pp. 550-556Masahito Takahashi, Shinji Sakurai, Susumu Makino, “Broadband Active Vibration Isolator by Multi-point Actuator Arrangement”, Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, Volume C, Vol. 76, No. 763 (2010), pp. 550-556 入江亮,高橋正人,涌井伸二,“加速度センサノイズが空圧式除振装置の制御に与える影響”,精密工学会誌,Vol. 75,No.6 (2009), pp. 778-779Ryo Irie, Masato Takahashi, Shinji Sakurai, “Effect of acceleration sensor noise on control of pneumatic vibration isolator”, Journal of Japan Society for Precision Engineering, Vol. 75, No. 6 (2009), pp. 778-779 入江亮,涌井伸二,“相対加速度の積分信号を用いた空圧式除振装置の制御”,精密工学会誌,Vol. 74,No. 9 (2008), pp.1002-1006Ryo Irie and Shinji Sakurai, “Control of Pneumatic Vibration Isolator Using Integral Signal of Relative Acceleration”, Journal of Precision Engineering, Vol. 74, No. 9 (2008), pp.1002-1006 高橋正人,涌井伸二,“補助タンクを用いた除振台の高性能化”,精密工学会誌,Vol. 75,No. 4 (2009), pp. 542-547Masato Takahashi and Shinji Sakurai, “High performance of vibration isolation table using auxiliary tank”, Journal of Japan Society for Precision Engineering, Vol. 75, No. 4 (2009), pp. 542-547 涌井伸二,富井太士,高橋正人,“逆テーパ付き空気ばねのモデルの提案 ”,精密工学会誌,Vol. 74,No. 6 (2008), pp.643-644Shinji Sakurai, Taishi Tomii, Masato Takahashi, “Proposal of a model of air spring with reverse taper”, Journal of Precision Engineering, Vol. 74, No. 6 (2008), pp.643-644 加藤友規,川嶋健嗣,澤本晃一,舩木達也,香川利春“スプール型サーボ弁と層流型高速流量計を用いた空圧式アクティブ除振台の制御”,精密工学会誌,Vol. 72,No. 6 (2006), pp. 772-777Tomonori Kato, Kengo Kawashima, Junichi Sawamoto, Tatsuya Kashiwagi, Toshiharu Kagawa “Control of Pneumatic Active Vibration Isolation Table Using Spool Servo Valve and Laminar Flow High-Speed Flowmeter”, Journal of Precision Engineering, Vol. 72, No. 6 (2006), pp. 772-777 星野洋平,小林幸徳,珍田寛,中西光章,“空気圧アクチュエータを用いた除振台のアクティブ制御”,日本機械学会論文集C編,Vol. 73,No. 727 (2007), pp. 677-684Yohei Hoshino, Yukinori Kobayashi, Hiroshi Chida, Mitsuaki Nakanishi, “Active Control of Vibration Isolation Table Using Pneumatic Actuator”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, C, Vol. 73, No. 727 (2007), pp. 677- 684 相崎秀斗,涌井伸二,“スプール形サーボバルブを備えた空圧式除振装置に対するモデル追従制御の調整法とその効果”,日本機械学会論文集C編,Vol.76.76(20010), pp. 835-841Hideto Aizaki, Shinji Sakurai, “Adjustment method of model following control for pneumatic vibration isolator equipped with spool type servo valve and its effect”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Volume C, Vol.76.76 (20010), pp. 835 -841 赤坂大介,劉康志,”On-Off制御に対する安定化出力フィードバック則の設計法”,計測自動制御学会論文集,Vol. 44,No. 5 (2008), pp. 415-424Daisuke Akasaka, Yasushi Liu, “Design Method of Stabilized Output Feedback Law for On-Off Control”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 44, No. 5 (2008), pp. 415-424 冨田健太郎,浅井徹,”PWM型制御入力に基づく安定化制御”,計測自動制御学会論文集,Vol. 42,No. 2 (2006), pp.129-138Kentaro Hamada, Toru Asai, “Stabilization Control Based on PWM Control Input”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 42, No. 2 (2006), pp.129-138 冨田健太郎,浅井徹,“3値のPWM型制御入力に基づく安定化”,計測自動制御学会論文集,Vol. 44,No. 6 (2008), pp.483-491Kentaro Hamada, Toru Asai, “Stabilization based on three-value PWM control input”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 44, No. 6 (2008), pp.483-491 石川将人,丸田一郎,杉江俊治,“フィードバック変調器を用いた離散値入力制御系の設計”,計測自動制御学会論文集,Vol. 43,No. 1 (2007), pp. 31-36Masato Ishikawa, Ichiro Maruta, Toshiharu Sugie, “Design of Discrete Value Input Control System Using Feedback Modulator”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol. 43, No. 1 (2007), pp. 31-36 阿部直人,児島晃,むだ時間・分布定数系の制御,初版(2007),p. 34,コロナ社Naoto Abe, Kaoru Kojima, Control of dead time and distributed constant systems, first edition (2007), p. 34, Corona Gao, J., and Huang, B., “Delay-dependent robust guaranteed cost control of an uncertain linear system with state and input delay”, International Journal of Systems Science, Vol. 36, No. 1 (2005), pp. 19-26Gao, J., and Huang, B., “Delay-dependent robust guaranteed cost control of an uncertain linear system with state and input delay”, International Journal of Systems Science, Vol. 36, No. 1 (2005), pp. 19-26

従来における空圧式除振台の振動抑制方法に関する提案、研究は、定常時の微振動制御に対するものである。一方、加工、測定工程を有する工場の生産ラインではワークを除振台に載せた際に数mmレベルの振動が発生し、振動が収まるまで加工、測定工程に進めないといった問題がある。   Previous proposals and research on vibration suppression methods for pneumatic vibration isolation tables are for steady-state microvibration control. On the other hand, in a production line of a factory having processing and measurement processes, there is a problem that when a work is placed on a vibration isolation table, vibration of several millimeters level is generated, and it is not possible to proceed to the processing and measurement processes until the vibration is settled.

大変位の振動制御としてはステッピングモータで駆動される空圧レギュレータによって空気ばねの内圧を制御する手法(非特許文献11)やスプール型サーボバルブによって流量を制御する手法(非特許文献12)で一部研究されているが、これらの手法では速い応答性を得ることができない。その理由は、大変位を高速で制御しようとすると操作量の飽和領域である最大入力/最小入力を瞬時に用いる必要があるが、線形制御では、最大入力/最小入力への到達が遅れるからである。   For large displacement vibration control, a method of controlling the internal pressure of an air spring by a pneumatic regulator driven by a stepping motor (Non-Patent Document 11) or a method of controlling a flow rate by a spool type servo valve (Non-Patent Document 12) is used. Although some research has been carried out, these methods cannot provide fast response. The reason is that if a large displacement is to be controlled at high speed, the maximum input / minimum input, which is the saturation region of the manipulated variable, must be used instantaneously, but in linear control, reaching the maximum input / minimum input is delayed. is there.

本発明の課題は、このような問題点に鑑みて、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を提案することにある。   In view of such a problem, an object of the present invention is to provide a vibration suppression control method for a pneumatic vibration isolation table system that is suitable for quickly suppressing large displacement vibration, for example, vibration of several millimeters level by active control. It is to propose.

上記の課題を解決するために、本発明の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いることを特徴としている。
In order to solve the above problems, the pneumatic vibration isolation table system of the present invention is
A vibration isolation table,
An air spring supporting the vibration isolation table;
a pneumatic circuit for supplying and discharging compressed air to and from the air spring via at least one intake on-off valve taking on-off binary and at least one exhaust on-off valve taking on-off binary; ,
Compressed air command for the air spring required to suppress vibration of the vibration isolation table by feeding back information on displacement or speed in the vibration isolation direction of the vibration isolation table and pressure change of the air in the air spring The flow rate is calculated, and the command flow rate is converted into a discrete multivalued operation flow rate obtained by on-off operation of the intake on-off valve and the exhaust on-off valve, and the operation flow rate is given to the air spring. And a control system.

本発明の空圧式除振台システムでは、吸気用開閉弁および排気用開閉弁を用いて空圧制御が行われる。すなわち、吸気用開閉弁を開き、排気用開閉弁を閉じることにより空気ばねに圧縮空気が供給され、吸気用開閉弁を閉じ、排気用開閉弁を開くことにより空気ばねから圧縮空気が排出される。   In the pneumatic vibration isolation table system of the present invention, pneumatic control is performed using an intake on-off valve and an exhaust on-off valve. That is, compressed air is supplied to the air spring by opening the on-off valve for intake and closing the on-off valve for exhaust, and compressed air is discharged from the air spring by closing the intake on-off valve and opening the on-off valve for exhaust. .

並列接続された複数の吸気用開閉弁および並列接続された複数の排気用開閉弁を備えている場合には、複数の吸気用開閉弁のうちの1つ、あるいは2つ以上を同時に開くことにより、多段階の供給流量で、空気ばねに対する圧縮空気の供給が行われ、複数の排気用開閉弁のうちの1つ、あるいは2つ以上を同時に開くことにより、多段階の排気流量で、空気ばねから圧縮空気の排出が行われる。   When a plurality of intake on-off valves connected in parallel and a plurality of exhaust on-off valves connected in parallel are provided, by opening one or more of the plurality of intake on-off valves simultaneously Compressed air is supplied to the air spring at a multi-stage supply flow rate, and one or more of the plurality of exhaust on-off valves are simultaneously opened to simultaneously open the air spring at a multi-stage exhaust flow rate. Compressed air is discharged from.

従来において微振動制御で用いられているサーボバルブなどでは、線形領域の入力に対しては応答性が良いが、大変位の振動の抑制制御においては最大入力、最小入力(飽和操作量)が要求されるので、最大入力から最小入力あるいは最小入力から最大入力に瞬時に切り替えることが困難である。このために、大振動の抑制制御を応答性良く行うことができない。本発明では、瞬時に最大入力、最小入力を切り替え可能な開閉式を用いた空圧制御が行われるので、大きな振幅の振動であっても応答性良く抑制することが可能になる。また、開閉弁、例えば開閉式電磁弁は安価であるので、装置の製造コストを低減できるという経済的なメリットも得られる。さらに、複数の吸気用開閉弁および複数の排気用開閉弁を備えている場合には多段階に吸気、排気流量を制御できるので、精度良く振動の抑制制御を行うことができる。   Conventional servo valves used in microvibration control have good responsiveness to linear range input, but maximum input and minimum input (saturated manipulated variable) are required for large displacement vibration suppression control. Therefore, it is difficult to instantaneously switch from the maximum input to the minimum input or from the minimum input to the maximum input. For this reason, large vibration suppression control cannot be performed with good responsiveness. In the present invention, since air pressure control using an open / close type capable of instantaneously switching between the maximum input and the minimum input is performed, even a vibration with a large amplitude can be suppressed with good responsiveness. Moreover, since the on-off valve, for example, the on-off solenoid valve, is inexpensive, there is an economic advantage that the manufacturing cost of the apparatus can be reduced. Further, when a plurality of intake on-off valves and a plurality of exhaust on-off valves are provided, the intake and exhaust flow rates can be controlled in multiple stages, so that vibration suppression control can be performed with high accuracy.

ここで、本発明の空圧式除振台システムの振動抑制制御では、空圧制御において配管を用いているため入力むだ時間が存在する。すなわち、開閉弁のon−off指令の時点から空気ばねの内圧変動が始まる時点までに遅れが生ずるので、速い応答性を得るためにはこのむだ時間も補償する必要がある。また、開閉弁のon−off駆動によるため、従来のように線形制御を用いることはできず、on−off操作を考慮したアクティブ制御が必要である。したがって、制御問題としては、
(1)空圧式除振台に入力むだ時間が存在すること、および
(2)操作量として開閉弁のon−off操作を要すること
の2点を考慮する必要がある。
Here, in the vibration suppression control of the pneumatic vibration isolation table system of the present invention, there is an input dead time because piping is used in the pneumatic control. That is, since a delay occurs from the time when the on-off command of the on-off valve is started until the time when the internal pressure fluctuation of the air spring starts, it is necessary to compensate for this dead time in order to obtain a quick response. Further, since the on-off driving of the on-off valve is performed, linear control cannot be used as in the prior art, and active control in consideration of the on-off operation is necessary. Therefore, as a control problem,
It is necessary to consider two points: (1) the input dead time exists in the pneumatic vibration isolation table, and (2) the on-off operation of the on-off valve is required as the operation amount.

上記の制御問題(1)に関して、入力むだ時間を補償する方法としては、むだ時間だけ遅れて出てくる出力を予測し制御をおこなう方法(スミス補償:非特許文献17)やむだ時間を考慮した状態フィードバック則の設計法(Gaoの方法:非特許文献18)が知られている。後者の方がフィードフォワードを用いていないためモデル誤差に対するロバスト性が高い点で有利である。   Regarding the above control problem (1), as a method for compensating the input dead time, a method of performing control by predicting an output that is delayed by the dead time (Smith compensation: Non-Patent Document 17) and dead time are considered. A state feedback rule design method (Gao's method: Non-Patent Document 18) is known. The latter is advantageous in that it is more robust against model errors because it does not use feedforward.

上記の制御問題(2)に関して、on−off操作を考慮した手法としては、on−off操作を有する状態フィードバック則の設計法(非特許文献13)、PWM型入力への変換法(非特許文献14、15)が提案されている。しかしながら、むだ時間を有する本発明の空圧式除振台システムに対してはそのまま適用することができない。これに対して、連続入力を離散入力に変換する手法としてFBM(フィードバック変調器)が提案されている(石川等の方法:非特許文献16)。この手法は量子化器にフィードバックを施して性能を改善するものであり、適応できるシステムのクラスが広いため、むだ時間制御の方法と独立にon−ff操作を考慮することができる点で有利である。   Regarding the above control problem (2), as a method considering on-off operation, a method of designing a state feedback law having an on-off operation (Non-patent Document 13), a conversion method to PWM type input (Non-Patent Document) 14, 15) have been proposed. However, it cannot be applied as it is to the pneumatic vibration isolation table system of the present invention having a dead time. On the other hand, an FBM (feedback modulator) has been proposed as a technique for converting a continuous input into a discrete input (method by Ishikawa et al .: Non-Patent Document 16). This method improves the performance by providing feedback to the quantizer, and is advantageous in that the on-ff operation can be considered independently of the dead time control method because of the wide class of systems that can be adapted. is there.

本発明の空圧式除振台システムの振動抑制制御方法は、これらの点に基づき、むだ時間を考慮する手法としてはGaoの方法(非特許文献18)を適用し、on−off操作を考慮する手法として石川等の方法(非特許文献16)をベースとし、さらなる性能改善のために修正を施した方法を採用したことを特徴としている。   Based on these points, the vibration suppression control method of the pneumatic vibration isolation table system of the present invention applies the Gao method (Non-Patent Document 18) as a method for considering dead time, and considers on-off operation. The method is based on the method of Ishikawa et al. (Non-Patent Document 16) and is characterized by adopting a method modified for further performance improvement.

本発明の空圧式除振台システムでは空圧制御のための開閉弁を使用しているので、空圧式除振台システムで発生した大変位振動を高速に振動抑制制御することが可能である。特に、数mmレベルの大振動を従来の機構に比べて迅速に抑制することができる。また、開閉弁のon−off駆動による制御は、サーボ弁を用いた線形制御に比較して、高速応答性に優れかつ安価に実現できるという効果も奏する。   Since the on-off valve for pneumatic control is used in the pneumatic vibration isolation table system of the present invention, large displacement vibration generated in the pneumatic vibration isolation table system can be subjected to vibration suppression control at high speed. In particular, large vibrations on the order of several millimeters can be quickly suppressed as compared with conventional mechanisms. In addition, the control by on-off driving of the on-off valve also has an effect that it can be realized at a low cost with excellent high-speed response, compared to linear control using a servo valve.

(a)および(b)は本発明の実施の形態1における制御対象である空圧式除振台を示す概略側面図および概略平面図である。(A) And (b) is the schematic side view and schematic plan view which show the pneumatic type vibration isolator which is the control object in Embodiment 1 of this invention. (a)は空圧式除振台の空圧回路を示すブロック線図であり、(b)は空気ばねを示す説明図である。(A) is a block diagram which shows the pneumatic circuit of a pneumatic vibration isolator, (b) is explanatory drawing which shows an air spring. 空圧式除振台の振動抑制制御を行う制御システムのハードウエア構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the hardware constitutions of the control system which performs vibration suppression control of a pneumatic type vibration isolator. 制御対象の力学的モデルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the dynamic model of a control object. 電磁弁の量子化規則を示すグラフである。It is a graph which shows the quantization rule of a solenoid valve. 制御対象(プラント)を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows a control object (plant). 圧力マイナーフィードバックを施した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which gave the pressure minor feedback. 図7のシステムにおける圧力追従性能試験の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the pressure follow-up performance test in the system of FIG. 状態フィードバックを施した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which performed state feedback. FBMを追加した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which added FBM. 不感帯関数および飽和関数を追加した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which added the dead zone function and the saturation function. 不感帯補償器を追加した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which added the dead zone compensator. Case1の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in Case1. Case2の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in the case of Case2. Case3の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in Case3. Case4の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in Case4. Case4の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in Case4. Case5の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in Case5. Case1の場合の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the case of Case1. Case2の場合の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the case of Case2. Case3の場合の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the case of Case3. Case4の場合の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the case of Case4. Case5の場合の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the case of Case5. (a)および(b)は本発明の実施の形態2における制御対象である空圧式除振台を示す概略側面図および概略平面図である。(A) And (b) is the schematic side view and schematic plan view which show the pneumatic type vibration isolator which is the control object in Embodiment 2 of this invention. (a)は空圧式除振台の空圧回路を示すブロック線図であり、(b)は空気ばねを示す説明図である。(A) is a block diagram which shows the pneumatic circuit of a pneumatic vibration isolator, (b) is explanatory drawing which shows an air spring. 空圧式除振台の振動抑制制御を行う制御システムのハードウエア構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the hardware constitutions of the control system which performs vibration suppression control of a pneumatic type vibration isolator. 電磁弁の量子化規則を示すグラフである。It is a graph which shows the quantization rule of a solenoid valve. 可変パラメータγの実験値と計算値を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental value and calculation value of variable parameter (gamma). 可変パラメータγの算出手順を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the calculation procedure of the variable parameter (gamma). 電磁弁の3値入力の場合の量子化規則を示すグラフである。It is a graph which shows the quantization rule in the case of 3 value input of a solenoid valve. 電磁弁の5値入力の場合の量子化規則を示すグラフである。It is a graph which shows the quantization rule in the case of 5 value input of a solenoid valve. 制御対象(プラント)を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows a control object (plant). 図32の制御対象を用いた計算機シミュレーションと実機実験による、操作量に対する変位と圧力変化の応答状態を示すグラフである。It is a graph which shows the response state of the displacement with respect to the operation amount, and the pressure change by the computer simulation using the control object of FIG. 32, and a real machine experiment. 図32の制御対象を用いた計算機シミュレーションと実機実験による、操作量に対する変位と圧力変化の応答状態を示すグラフである。It is a graph which shows the response state of the displacement with respect to the operation amount, and the pressure change by the computer simulation using the control object of FIG. 32, and a real machine experiment. 圧力マイナーフィードバックを施した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which gave the pressure minor feedback. 状態フィードバックを施した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which performed state feedback. 図35のシステムにおける圧力追従性能試験の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the pressure follow-up performance test in the system of FIG. FBM、不感帯関数および飽和関数、並びに不感帯補償器を追加した制御系を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the control system which added FBM, a dead zone function, a saturation function, and a dead zone compensator. 3値のon−off制御の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in the case of ternary on-off control. 5値のon−off制御の場合の計算機シミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the computer simulation result in the case of 5-value on-off control. 3値のon−off制御の場合の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the case of ternary on-off control. 5値のon−off制御の場合の実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows the experimental result in the case of 5-value on-off control.

以下に、図面を参照して本発明を適用した空圧式除振台システムの振動抑制制御方法の実施の形態を説明する。   Embodiments of a vibration suppression control method for a pneumatic vibration isolation table system to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.

[実施の形態1]
(空圧式除振台)
図1(a)および(b)は本発明の制御対象である空圧式除振台を示す概略側面図および概略平面図である。これらの図に示すように、空圧式除振台1は、架台2と、この上に水平に配置した矩形輪郭の除振台3を備えている。除振台3は、その四隅の位置において4つの空気ばね4により支持されている。各空気ばね4には空圧回路5を介してコンプレッサ6から圧縮空気が供給される。空圧回路5には開閉式電磁弁である吸気用電磁弁7および排気用電磁弁8が介挿されている。各空気ばね4にはその内圧を検出する圧力センサ9が取り付けられており、除振台3にはその変位(除振方向の変位、本例では鉛直方向の変位)を検出するための変位センサ、例えばレーザ変位センサ10が取り付けられている。変位センサの代りに加速度センサを用いることができる。この場合には加速度の信号を積分し、あるいは、フィルタリングすることで、Zの微分信号などをして使用することができる。振動抑制制御においては、検出圧力、検出変位に基づき、一対の電磁弁6、7をオンオフ制御することで、各空気ばね4に対する圧縮空気の供給および排出を制御して、除振台3に振動抑制方向の力を加えるようにしている。
[Embodiment 1]
(Pneumatic vibration isolation table)
FIGS. 1A and 1B are a schematic side view and a schematic plan view showing a pneumatic vibration isolation table which is a control target of the present invention. As shown in these drawings, the pneumatic vibration isolation table 1 includes a gantry 2 and a rectangular contour vibration isolation table 3 horizontally disposed thereon. The vibration isolation table 3 is supported by four air springs 4 at the four corner positions. Each air spring 4 is supplied with compressed air from a compressor 6 via a pneumatic circuit 5. An intake solenoid valve 7 and an exhaust solenoid valve 8, which are open / close solenoid valves, are interposed in the pneumatic circuit 5. Each air spring 4 is provided with a pressure sensor 9 for detecting its internal pressure, and the vibration isolation table 3 has a displacement sensor for detecting its displacement (displacement in the vibration isolation direction, vertical displacement in this example). For example, a laser displacement sensor 10 is attached. An acceleration sensor can be used instead of the displacement sensor. In this case, the acceleration signal can be integrated or filtered to obtain a Z differential signal. In the vibration suppression control, the supply and discharge of the compressed air to each air spring 4 is controlled by controlling the pair of solenoid valves 6 and 7 on and off based on the detected pressure and the detected displacement, and the vibration isolator 3 is vibrated. The force in the restraining direction is applied.

吸気用電磁弁7、排気用電磁弁8は、コガネイ社製K2-100HF-04-NCを使用しており、応答時間はOn時3ms、Off時1msである。除振台3の鉛直方向の変位を検出するレーザ変位センサ10は、例えば図1に示すように並列配置し、二つの平均を取ることで鉛直方向の変位とする。レーザ変位センサ10はキーエンス社製LB-02を使用しており、測定範囲は±10mm、応答時間2ms、分解能15mmである。空気ばね4内の空気の圧力を検出する圧力センサ9は、コガネイ社製PS420Aを使用しており、測定圧力範囲0〜1MPa、応答時間は1msである。   The intake solenoid valve 7 and the exhaust solenoid valve 8 use K2-100HF-04-NC manufactured by Koganei, and the response time is 3 ms when on and 1 ms when off. The laser displacement sensors 10 that detect the displacement in the vertical direction of the vibration isolation table 3 are arranged in parallel as shown in FIG. 1, for example, and the average of the two is taken to obtain the displacement in the vertical direction. The laser displacement sensor 10 uses LB-02 manufactured by Keyence Corporation. The measurement range is ± 10 mm, the response time is 2 ms, and the resolution is 15 mm. The pressure sensor 9 for detecting the pressure of the air in the air spring 4 uses PS420A manufactured by Koganei, and has a measurement pressure range of 0 to 1 MPa and a response time of 1 ms.

図2(a)は空圧式除振台1の空圧回路5を示す回路図であり、図2(b)は空気ばね4を示す説明図である。図2(a)に示すように、コンプレッサ6により予めタンク内圧を例えば0.3〜0.4MPaに維持しておき、空圧レギュレータ11(SMC社製AW10-M5BG-N)によって例えば0.2MPaに空気圧を調整しておく。吸気用電磁弁7を開き、排気用電磁弁8を閉じることで空気ばね4に圧縮空気が送りこまれ、空気ばね4の内圧を上げることができる。逆に、吸気用電磁弁7を閉じ、排気用電磁弁8を開くことで空気ばね4内の圧縮空気は外気に放出され、空気ばね4の内圧を下げることができる。このように両電磁弁7、8の開閉により空気ばね4内の空気圧を変化させることで、除振台3に制振用の制御力を加えることができる。例えば、4つの空気ばね4を同時に駆動して鉛直並進方向の運動を制御する。   FIG. 2A is a circuit diagram showing the pneumatic circuit 5 of the pneumatic vibration isolation table 1, and FIG. 2B is an explanatory diagram showing the air spring 4. As shown in FIG. 2 (a), the internal pressure of the tank is previously maintained at, for example, 0.3 to 0.4 MPa by the compressor 6, and for example, 0.2 MPa by the pneumatic regulator 11 (SMW AW10-M5BG-N). Adjust the air pressure. By opening the intake solenoid valve 7 and closing the exhaust solenoid valve 8, compressed air is sent to the air spring 4, and the internal pressure of the air spring 4 can be increased. Conversely, by closing the intake solenoid valve 7 and opening the exhaust solenoid valve 8, the compressed air in the air spring 4 is released to the outside air, and the internal pressure of the air spring 4 can be lowered. In this way, by controlling the air pressure in the air spring 4 by opening and closing the electromagnetic valves 7 and 8, it is possible to apply a damping control force to the vibration isolation table 3. For example, the four air springs 4 are simultaneously driven to control the movement in the vertical translation direction.

ここで、空圧式除振台1は吸気用電磁弁7、排気用電磁弁8が配管Aを介して空気ばね4と接続されている。このため、電磁弁7、8を開いても、すぐに空気ばね4の内圧が変化するわけではなく、配管内の圧力損失等の影響により一定のむだ時間が生ずる。また図2(b)に示すように、空気ばね4の内室4aの流入口4bに繋がっていると共にバッファタンク4cに繋がっており、振動絶縁性能をより高める機械構成となっている。   Here, in the pneumatic vibration isolator 1, an intake solenoid valve 7 and an exhaust solenoid valve 8 are connected to an air spring 4 via a pipe A. For this reason, even if the solenoid valves 7 and 8 are opened, the internal pressure of the air spring 4 does not change immediately, and a certain dead time occurs due to the effect of pressure loss in the piping. Further, as shown in FIG. 2B, it is connected to the inflow port 4b of the inner chamber 4a of the air spring 4 and to the buffer tank 4c, and has a mechanical configuration that further enhances vibration insulation performance.

(制御システム)
図3は上記構成の空圧式除振台1の振動抑制制御を行う制御システムのハードウエア構成を示す概略ブロック図である。制御システム12では、例えば16bitのA/Dコンバータ13を介して取得した変位と圧力に基づき、制御用パーソナルコンピュータ14に接続されているデジタルシグナルプロセッサ15(DSP:mtt社製HeronDSP6x67)内部で制御演算を行い、16bitのD/Aコンバータ16を介して両電磁弁7、8に指令電圧を加える。サンプリング時間は例えば0.2msとしてディジタル制御を行う。空圧式除振台1と制御システム12によって空圧式除振台システムが構成される。
(Control system)
FIG. 3 is a schematic block diagram showing a hardware configuration of a control system that performs vibration suppression control of the pneumatic vibration isolation table 1 having the above-described configuration. In the control system 12, for example, based on the displacement and pressure acquired via the 16-bit A / D converter 13, control calculation is performed in the digital signal processor 15 (DSP: HertDSP6x67 manufactured by mtt) connected to the control personal computer 14. The command voltage is applied to both solenoid valves 7 and 8 via the 16-bit D / A converter 16. The digital control is performed with a sampling time of 0.2 ms, for example. The pneumatic vibration isolation table 1 and the control system 12 constitute a pneumatic vibration isolation table system.

(制御対象のモデル化)
次に、制御対象である空圧式除振台1のモデル化について検討する。まず、除振台3の鉛直方向のみの運動に限定して考えるものとする。一般に、空気ばね4のばね定数および粘性定数は空気ばね4の圧力変化に伴い変化するが、圧力変化は微小であることから一定と仮定することができる。この場合、図4に示すモデルのように、空圧式除振台1を単純な1自由度2次系のバネ・マス・ダンパ系と考え、空気ばね4内の熱力学的な平衡条件を考慮して、空圧式除振台1を次式(1)、(2)で示す運動方程式で表される非線形モデルと見做すことができる。
(Control target modeling)
Next, the modeling of the pneumatic vibration isolator 1 that is the control target will be discussed. First, it is limited to the movement of the vibration isolation table 3 only in the vertical direction. In general, the spring constant and the viscosity constant of the air spring 4 change with the pressure change of the air spring 4, but it can be assumed that the pressure change is small and constant. In this case, as in the model shown in FIG. 4, the pneumatic vibration isolation table 1 is considered as a simple one-degree-of-freedom secondary spring / mass / damper system, and the thermodynamic equilibrium condition in the air spring 4 is considered. Thus, the pneumatic vibration isolation table 1 can be regarded as a nonlinear model represented by the equation of motion represented by the following equations (1) and (2).

式(1)
Formula (1)

式(2)
ここで、
m:除振台の質量
k:バネ定数
c:粘性定数
S:除振台と空気ばねの接触面積
:初期圧力(平衡点圧力)
Rs:気体定数
κ:比熱比
Ts:気体温度
L:むだ時間
z(t):除振台の変位
ΔP(t):空気ばねの平衡点圧力Pからの圧力変化
Gd:質量流量(操作流量)
01:バッファタンクの体積
02:平衡点圧力での空気ばねの体積
ΔV(t):平衡点体積(V01+V02)からの体積変化
Formula (2)
here,
m: Mass of vibration isolation table k: Spring constant c: Viscosity constant S: Contact area between vibration isolation table and air spring P 0 : Initial pressure (equilibrium pressure)
Rs: gas constant kappa: specific heat ratio Ts: the gas temperature L: dead time z (t): displacement ΔP of anti-vibration table (t): pressure changes from the equilibrium point pressure P 0 of the air spring Gd: Mass flow (operation rate )
V 01 : Volume of buffer tank V 02 : Volume of air spring at equilibrium point pressure ΔV (t): Volume change from equilibrium point volume (V 01 + V 02 )

パラメータはインパルス状の外乱に対する図1の空圧式除振台1の実機実験による自由応答から求めることができる。各パラメータの値の例を表1に示す。
The parameter can be obtained from the free response of the pneumatic vibration isolation table 1 of FIG. Table 1 shows examples of parameter values.

上記の式(2)は体積V01、V02内の圧力が常に同時に変化すると仮定した場合の式であるが、本例の空圧式除振台2は、図2(b)に示すように、空気ばね4の直下に流入口4bがあるため空気流入直後、バッファタンク4cの体積V01に空気が満たされる前に空気ばね4の体積V02内の圧力が変化すると考えられ、過渡時の圧力変化は体積V02が支配的となる。この点を考慮し、式(2)の第2項の体積(V01+V02+ΔV(t))を(V02β+ΔV(t))に置き換え、次式(3)のように修正することができる。 The above equation (2) is an equation assuming that the pressures in the volumes V 01 and V 02 always change at the same time, but the pneumatic vibration isolation table 2 of this example is as shown in FIG. immediately after the air inflow due to the inlet 4b directly below the air spring 4, the pressure in the volume V 02 of the air spring 4 is considered to change before the air is filled in the volume V 01 of the buffer tank 4c, during a transient The pressure change is dominated by the volume V 02 . In consideration of this point, the volume (V 01 + V 02 + ΔV (t)) of the second term in the equation (2) is replaced with (V 02 β + ΔV (t)) and can be corrected as the following equation (3). it can.

式(3)
Formula (3)

ここで、βは影響係数であり、過渡時の圧力変化に対する体積V02の支配度を表すパラメータである。さらに、空気ばね4は鉛直方向であるz方向のみに伸縮すると仮定すると、除振台3と空気ばね4の接触面積Sを用いて式(3)は次式(4)となる。 Here, β is an influence coefficient and is a parameter representing the degree of control of the volume V 02 with respect to the pressure change at the time of transient. Further, assuming that the air spring 4 expands and contracts only in the z direction, which is the vertical direction, using the contact area S between the vibration isolation table 3 and the air spring 4, equation (3) becomes the following equation (4).

式(4)
ただし、z01(等価バッファタンク高さ)、z02(等価空気ばね高さ)は、それぞれ次の通りである。
01=V01/S
02=V02/S
Formula (4)
However, z 01 (equivalent buffer tank height) and z 02 (equivalent air spring height) are as follows.
z 01 = V 01 / S
z 02 = V 02 / S

一方、質量流量Gd(t)は電磁弁7、8の開閉によって制御される。電磁弁7、8は、指令流量uの値に応じて、次式(5)の規則で流量Gdを制御する。すなわち、u=G/2またはu>G/2のとき電磁弁7を開いて電磁弁8を閉じる。また、u=−G/2またはu<−G/2であれば電磁弁7を閉じて電磁弁8を開く。 On the other hand, the mass flow rate Gd (t) is controlled by opening and closing the solenoid valves 7 and 8. Solenoid valves 7 and 8, depending on the value of the command flow rate u p, to control the flow rate Gd in the Rules of the following formula (5). That, u p = G + / 2 or u p> G + / 2 when closing the electromagnetic valve 8 opens the solenoid valve 7. Also, opening the electromagnetic valve 8 closes the solenoid valve 7 if u p = -G + / 2 or u p <-G + / 2.

式(5)
Formula (5)

図5に示すように、電磁弁7、8からなる電磁弁要素は飽和関数と量子化器の特性を有している。すなわち、操作量uによって電磁弁7、8の開閉状態が変化し、その結果、流量Gdは3値の値をとり得る。なお、Gdのとり得る値は一般に非対称になる。これは、空圧レギュレータ圧と空気ばね内圧の差圧に比べ空気ばね内圧と外気圧の差圧が低いことに起因する。 As shown in FIG. 5, the solenoid valve element including the solenoid valves 7 and 8 has a saturation function and a quantizer characteristic. That is, the opening and closing states of the solenoid valves 7 and 8 is changed by the operation amount u p, as a result, the flow rate Gd may take a value of 3 values. Note that the value that Gd can take is generally asymmetric. This is because the differential pressure between the air spring internal pressure and the external air pressure is lower than the differential pressure between the air pressure regulator pressure and the air spring internal pressure.

以上より、制御システム12の制御対象モデル(空圧式除振台1)は式(1)、(4)、(5)で表される。操作量は指令流量uであり、制御対象モデルの構成要素は電磁弁要素(7、8)、むだ時間L、除振台3である。図6には、制御対象モデル(以下、「プラント」と呼ぶ場合もある。)のブロック線図を示してある。ここで、観測することができる信号は、除振台の変位zと空気ばねの圧力変化ΔPである。除振台の変位速度、すなわち、zの微分信号(変位速度)はオンラインで差分速度演算することにより入手できる。 From the above, the control target model (pneumatic vibration isolation table 1) of the control system 12 is expressed by the equations (1), (4), and (5). Operation weight of command flow rate u p, the components of the controlled object model is a solenoid valve elements (7,8), the dead time L, and the vibration isolation table 3. FIG. 6 shows a block diagram of a controlled object model (hereinafter sometimes referred to as “plant”). Here, the signals that can be observed are the displacement z of the vibration isolation table and the pressure change ΔP of the air spring. The displacement speed of the vibration isolation table, that is, the differential signal (displacement speed) of z can be obtained by calculating the differential speed online.

(制御系の設計)
(1)制御系設計の概要
制御系設計は以下の手順で行う。
Step1:圧力フィードバック制御の付加(制御対象モデルの線形化)
制御対象の扱いを容易にするため図9に示すように、圧力フィードバック制御を付加する。その結果、制御対象は後述の式6となる。
Step2:むだ時間Lの考慮(状態予測制御)
式(6)を制御対象としてむだ時間補償を行う。
Step3:on−off操作の考慮
電磁弁のon−off操作により流量の取り得る値は3値に量子化された入力となる。そこで、on−off操作を考慮した補償を行い、応答性能の劣化を防ぐ。
(Control system design)
(1) Outline of control system design Control system design is performed according to the following procedure.
Step1: Addition of pressure feedback control (linearization of controlled object model)
In order to facilitate the handling of the controlled object, pressure feedback control is added as shown in FIG. As a result, the controlled object is Equation 6 described later.
Step 2: Consideration of dead time L (state prediction control)
The dead time compensation is performed using the equation (6) as a control target.
Step 3: Consideration of on-off operation The possible value of the flow rate by the on-off operation of the solenoid valve is an input quantized into three values. Therefore, compensation is performed in consideration of the on-off operation to prevent deterioration of response performance.

(2)Step1:圧力マイナーフィードバック制御の付加
図7に示すように、非線形モデルである制御対象の扱いを容易にするために、図7に示すように、当該プラントの制御系に圧力フィードバック制御をマイナーフィードバックとして施す。図中のuは目標圧力変化ΔPcと圧力変化ΔPとの誤差圧力変化信号である。pは圧力マイナーフィードバックの比例ゲインである。
(2) Step 1: Addition of pressure minor feedback control As shown in FIG. 7, in order to facilitate the handling of the controlled object that is a non-linear model, as shown in FIG. 7, pressure feedback control is applied to the control system of the plant. Give as minor feedback. U c in the figure are the error pressure change signal to the target pressure change ΔPc and the pressure change [Delta] P. p 1 is a proportional gain of pressure minor feedback.

この制御系による圧力追従性能を、実験を通して確かめた。図8はこのときの圧力変化の一例を示すグラフである。比較のため、目標圧力変化ΔPcから圧力変化ΔPまでの伝達関数を時定数0.02sの一次遅れ系と近似した場合の応答を計算機シミュレーションにより求め、図8において一点鎖線で表してある。目標圧力変化ΔPcは1〜3sまでが5kPaであり、その他の時間は0kPaである。   The pressure tracking performance of this control system was confirmed through experiments. FIG. 8 is a graph showing an example of the pressure change at this time. For comparison, a response when the transfer function from the target pressure change ΔPc to the pressure change ΔP is approximated to a first-order lag system with a time constant of 0.02 s is obtained by computer simulation, and is represented by a one-dot chain line in FIG. The target pressure change ΔPc is 5 kPa from 1 to 3 s, and 0 kPa at other times.

なお、ゲインpを過大な値にするとΔPcを5kPaに上げた場合の直後(図8の1〜2s)に流量Gdがチャタリングを起こす傾向が強く、反対に小さい値だと目標圧力変化と圧力変化に大きな偏差が生じてしまう。そこで、ゲインpの値は図8の1〜2sに流量Gdがチャタリングを起こさず、定常圧力偏差も大きくならないように、実機実験を通して決定すればよい。本例の場合には、p=2.2870×10−2とすればよい。 If the gain p 1 is excessively large, the flow rate Gd tends to chatter immediately after the ΔPc is increased to 5 kPa (1-2 s in FIG. 8). A large deviation will occur in the change. Therefore, the value of the gain p 1 may be determined through actual machine experiments so that the flow rate Gd does not chatter in 1 to 2s of FIG. 8 and the steady pressure deviation does not increase. In the case of this example, p 1 = 2.2870 × 10 −2 may be set.

図8の応答を見ると、実験での応答と一次遅れ系と近似した場合のシミュレーション応答が定常時においては偏差が残るものの、過渡時において非常に近い応答を示す。さらに一次遅れ系の時定数が0.02sと十分速いため圧力フィードバックを施した閉ループ系のΔPcからΔPまでの伝達関数を近似的に1とみなすことができる。よって、操作量を指令流量uに代えて指令圧力変化ΔPcとし、圧力制御後のシステムを、x=z、xドット=zドット(zの一次微分)を状態変数、u=ΔPcを制御入力として次式(6)で表すことができる。 Looking at the response of FIG. 8, the simulation response when approximated to the experimental response and the first-order lag system shows a very close response in the transient state, although a deviation remains in the steady state. Further, since the time constant of the first-order lag system is sufficiently fast as 0.02 s, the transfer function from ΔPc to ΔP of the closed loop system subjected to pressure feedback can be regarded as approximately 1. Therefore, the operation amount to the command pressure change Delta] Pc in place of the command flow rate u p, the system after pressure control, x = z, x dot = z dot (first derivative of z) of the state variable, control input u = Delta] Pc Can be expressed by the following formula (6).

式(6)
Formula (6)

ここで、kは空圧式除振台1のばね定数、cは空圧式除振台1の粘性定数、Lは圧力のむだ時間である。各パラメータはインパルス状の外乱に対する実機実験による自由応答から同定することができる。同定した各パラメータの値の一例を表2に示す。また、式(6)は可制御である。   Here, k is a spring constant of the pneumatic vibration isolation table 1, c is a viscosity constant of the pneumatic vibration isolation table 1, and L is a dead time of pressure. Each parameter can be identified from the free response by the actual experiment to the impulse-like disturbance. An example of the value of each identified parameter is shown in Table 2. Moreover, Formula (6) is controllable.

以上のように、空圧式除振台1を式(6)で表される線形化された制御対象モデルと見做すことができ、これに基づき、制御システム12の制御系を設計することが可能である。ただし、本例では振動抑制のためにレギュレータによる制御を想定し、式(6)によって規定される線形化された制御対象に対して、Fを状態フィードバック制御ゲインとして次式(7)の制御則を考える。図9には、この場合の制御系ブロック図を示してある。   As described above, the pneumatic vibration isolation table 1 can be regarded as a linearized control target model expressed by the equation (6), and based on this, the control system of the control system 12 can be designed. Is possible. However, in this example, control by a regulator is assumed to suppress vibrations, and the control law of the following equation (7) is used for the linearized control target defined by equation (6) with F as the state feedback control gain. think of. FIG. 9 shows a block diagram of the control system in this case.

式(7)
Formula (7)

(3)Step2:むだ時間補償制御系設計(状態予測制御)
一般的に、状態フィードバック制御ゲインFは、極配置法、最適レギュレータ問題を解くなどの方法で得ることができる。これに対し、むだ時間Lが存在する場合にはその影響を考慮する必要がある。すなわち、むだ時間Lの影響を考慮してフィードバック制御ゲインFを定め、入力u=−Fx(t+L)を施すが、Fの選定方法としては状態予測理論に基づく方法やGaoの方法(非特許文献18)による方法が知られている。
(3) Step 2: Dead time compensation control system design (state prediction control)
Generally, the state feedback control gain F can be obtained by a method such as a pole placement method or solving an optimal regulator problem. On the other hand, when the dead time L exists, it is necessary to consider the influence. That is, the feedback control gain F is determined in consideration of the effect of the dead time L, and the input u = −Fx (t + L) is applied. As a selection method of F, a method based on a state prediction theory or a Gao method (non-patent document) The method according to 18) is known.

ここで、Gaoの方法(非特許文献18)では、入力むだ時間を含むシステムの安定性を保証し、状態変数の収束性を考慮したFをLMI(Linear Matrix Inequality)により求めることができるため、本例の制御系に用いるのに適している。そこで、本例では、Gaoの方法で提案された以下の定理を用いる。
[定理1]
式(6)および(7)で規定される制御系システムにおいて次式(8)のLMIを満足する行列Yと正定対称行列X、Q1、Q2、Q ̄が存在するならば、制御系システムは大域的漸近安定となり、かつ、J<Jを満たす。
Here, in the method of Gao (Non-Patent Document 18), the stability of the system including the input dead time can be guaranteed, and F taking into account the convergence of the state variable can be obtained by LMI (Linear Matrix Inequality). It is suitable for use in the control system of this example. Therefore, in this example, the following theorem proposed by the method of Gao is used.
[Theorem 1]
If there is a matrix Y and a positive definite symmetric matrix X, Q1, Q2, Q ̄ satisfying the LMI of the following equation (8) in the control system defined by the equations (6) and (7), the control system is It becomes global asymptotically stable and satisfies J <J * .

式(8)
Formula (8)

式(9)
Formula (9)

式(10)
ただし、
U=Ax+XA+BY+Y+LBQ ̄B
X:=P−1
Y:=−FP−1=−FX
である。
Formula (10)
However,
U = Ax + XA T + BY + Y T B T + L 2 BQ ̄B T
X: = P −1
Y: = − FP −1 = −FX
It is.

また、評価関数Jと上界関数Jは次式で表される。
式(11)
The evaluation function J and the upper bound function J * are expressed by the following equations.
Formula (11)

式(12)
ここで、Q、R、Nは設計パラメータであり、x(0)は状態変数の初期値である。
Formula (12)
Here, Q, R, and N are design parameters, and x (0) is an initial value of a state variable.

定理1を用いた設計手順としては、まず評価関数J、上界関数Jの設計パラメータQ、R、Nを決定し、次に、式(8)〜(10)のLMIを解き、X、Y、Q1、Q2、Q ̄を求める。最後に、F=−YX−1とすれば、Fが得られる。求められたFを用いたシステム制御系は図9となる。 As a design procedure using Theorem 1, first, design parameters Q, R, and N of the evaluation function J and the upper bound function J * are determined. Next, the LMIs of the equations (8) to (10) are solved, and X, Y, Q1, Q2, and Q ̄ are obtained. Finally, if F = −YX−1, F is obtained. A system control system using the obtained F is shown in FIG.

(4)Step3−1:on−off操作を補償した制御系設計
図9のシステム制御系においては操作量のon−off駆動は考慮していない。しかし、実際にはプラント内の電磁弁要素のon−off操作により、流量の取り得る値は3値の量子化された値となる。そこで、石川等の方法(非特許文献16)で提案されているFBM(フィードバック変調器)をゲインpの後段に追加することにより、on−off操作に伴う性能劣化を防ぐことが望ましい。
(4) Step 3-1: Control system design that compensates for on-off operation In the system control system of FIG. 9, on-off driving of the operation amount is not considered. However, in practice, the on-off operation of the solenoid valve element in the plant results in a three-value quantized value for the flow rate. Therefore, by adding the proposed FBM (the feedback modulator) to the subsequent gain p 1 by the method of Ishikawa et al. (Non-Patent Document 16), it is desirable to prevent performance deterioration due to on-off operation.

図10には、このシステム制御系のブロック線図を示してある。FBMには、サンプラーおよび0次ホールドS/H、量子化器σおよび補償器C(s)が備わっている。uがFBMの入力であり、uはS/Hへの入力であり、量子化器σは飽和特性を有する量子化器であり、次式(13)により規定される。また、量子化器σは制御対象のプラント内の飽和関数と量子化器と同じ特性をもつように定めている。S/Hとσにより量子化された入力uと量子化される前の入力uの差を、補償器C(s)を通してフィードバックすることで量子化の性能を改善している。 FIG. 10 shows a block diagram of this system control system. The FBM includes a sampler and a zeroth-order hold S / H, a quantizer σ, and a compensator C (s). u f is an input to the FBM, u s is an input to the S / H, and the quantizer σ is a quantizer having saturation characteristics, and is defined by the following equation (13). The quantizer σ is determined to have the same characteristics as the saturation function and the quantizer in the plant to be controlled. The difference between the input u p quantized by S / H and σ and the input u s before being quantized is fed back through the compensator C (s) to improve the quantization performance.

式(13)
Formula (13)

なお、本例のプラントでは飽和値GとGの値が異なるため、σは非対称である。一方、S/H、および量子化による誤差はC(s)で周波数整形される。なお、C(s)は次式(14)、(15)で表される。 It should be noted that the plant of the present embodiment the saturation value G + and G - the value of the different, sigma is asymmetric. On the other hand, the error due to S / H and quantization is frequency-shaped by C (s). C (s) is expressed by the following equations (14) and (15).

式(14)
Formula (14)

式(15)
Formula (15)

ここで、τ>0は設計パラメータであり、サンプリング時間より大きい値を選ぶことで、FBMの入出力安定が保証されることが示されている。本例では、uはS/Hによってサンプリング時間0.2msで離散化し、C[z]はC(s)をゼロ次ホールドによって離散化するものとした。 Here, τ> 0 is a design parameter, and it is shown that the input / output stability of the FBM is guaranteed by selecting a value larger than the sampling time. In this example, u s is discretized at the sampling time 0.2ms by S / H, C [z] is assumed to be discretized by a zero order hold the C (s).

次に、FBMの特性について説明する。uからuまでのパルス伝達関数K1[z]はσの特性を比例ゲインσと仮定した場合次式(16)となる。 Next, the characteristics of the FBM will be described. u pulse transfer function K1 from f to u s [z] If it is assumed that a proportional gain sigma k characteristics of sigma by the following equation (16).

式(16)
Formula (16)

ここで入力周波数ω=0、σ(u ̄s)=0の場合を考える。これはFBMへの入力が一定値でかつ微小であるため量子化器σにより線形入力が0に量子化されてしまう場合を想定している。するとC[z]=1、σk=0となり、|K1[ej0]|→∞となる。そのため、uが一定かつ微小な値だとしてもuは増大し、量子化器σによりuはいずれGもしくはGの値に変換されてしまう。つまり、FBMは量子化器σによって量子化された入力を線形入力に近づけるような作用があり、定常入力に対しては積分器のような特性を有している。 Consider the case where the input frequency ω = 0 and σ (u (s) = 0. This assumes a case where the linear input is quantized to 0 by the quantizer σ because the input to the FBM is a constant value and very small. Then, C [z] = 1 and σk = 0, and | K1 [e j0 ] | → ∞. Therefore, even if u f is a constant and minute value, u s increases, and u p is eventually converted to a value of G + or G by the quantizer σ. In other words, the FBM acts to bring the input quantized by the quantizer σ closer to a linear input, and has characteristics like an integrator for a steady input.

(5)Step3−2:on−off操作を補償した制御系設計の改良方法1
FBM法を圧力マイナーフィードバックにそのまま適用した場合、応答が振動的になる結果となった。これは圧力信号にノイズが含まれるため、このノイズに敏感に反応してしまうことが一因である。さらに、比較的粗い量子化によって得られた3値入力により厳密に目標値に追従させようとしていることに起因する。そこで、振動的な入力を防止するために、ゲインpの前に不感帯関数Ψを追加し、ノイズに対する反応を鈍くすると共に、厳密な目標追従を避け、或る程度の追従誤差を許容する。
(5) Step 3-2: Method 1 for improving control system design that compensates for on-off operation
When the FBM method was directly applied to the pressure minor feedback, the response became a vibration result. This is partly because the pressure signal contains noise and reacts sensitively to this noise. Furthermore, this is caused by trying to strictly follow the target value by ternary input obtained by relatively coarse quantization. Therefore, in order to prevent vibration input, a dead band function Ψ is added before the gain p 1 to make the response to noise dull and to avoid strict target tracking and tolerate a certain tracking error.

また、FBMには飽和関数が含まれているが、FBMへの入力uがGやGより大きさが極端に大きい値であった場合に、uとFBMの出力uとの誤差が大きくなってしまい、極端に大きな値がFBM内でフィードバックされることにより、応答が劣化する場合があった。そこで、飽和関数Γをゲインpの後に追加することで予めFBMへの入力uに飽和制限を加え、uとuの誤差が大きくなるのを防止するように制御則を修正する。これらにより、圧力フィードバックの応答は安定すると期待される。 Although the FBM contains saturation function, the input u f to FBM is G + and G - if was more size is extremely large value, and the output u p of u f and FBM In some cases, the error becomes large, and an extremely large value is fed back in the FBM, so that the response is deteriorated. Therefore, the saturation limit on the input u f to advance FBM added by adding a saturation function Γ after gain p 1, modifies the control law so as to prevent the error of u f and u p becomes larger. As a result, the response of the pressure feedback is expected to be stable.

図11のブロック線図は、不感帯関数および飽和関数を追加してon−off操作を補償する本例の改良方法1によって得られるフィードバック制御系を示すものである。図中のu、uが不感帯関数Ψの入出力、u、uが飽和関数Γの入出力である。FBMとpについては前節(Step3−1)と同様である。不感帯関数Ψは次式(17)とした。ここで、δは不感帯の幅を表す。 The block diagram of FIG. 11 shows a feedback control system obtained by the improved method 1 of this example in which a dead band function and a saturation function are added to compensate for an on-off operation. In the figure, u 1 and u 2 are input and output of the dead band function Ψ, and u 3 and u f are input and output of the saturation function Γ. It is similar to the previous section (Step 3-1) for FBM and p 1. The dead band function Ψ was expressed by the following equation (17). Here, δ represents the width of the dead zone.

式(17)
Formula (17)

FBM内の量子化器σにも不感帯要素は含まれるが、その機能は根本的に異なる。前節(Step3−1)で述べたように、FBMは操作量の不感帯を打ち消し、線形入力に近づけるように働く。その結果、不感帯内の微小信号であっても、C[z]によって誤差が蓄積され、補償される。一方、新しく追加したΨは、不感帯内の微小信号に不感とするために導入したものである。よって、ΨをFBMの外側に追加することに意味がある。   The quantizer σ in the FBM also includes a dead band element, but its function is fundamentally different. As described in the previous section (Step 3-1), the FBM cancels the dead zone of the manipulated variable and works to approach linear input. As a result, even for a minute signal in the dead zone, an error is accumulated and compensated for by C [z]. On the other hand, the newly added Ψ is introduced in order to make the small signal in the dead zone insensitive. Therefore, it makes sense to add Ψ outside the FBM.

また、飽和関数Γは次式(18)とした。
式(18)
上式(18)は制御対象における操作量の上下限値G、Gに対応させている。
The saturation function Γ is defined by the following equation (18).
Formula (18)
The above equation (18) corresponds to the upper and lower limit values G + and G of the manipulated variable in the controlled object.

(6)Step3−3:on−off操作を補償した制御系設計の改良方法2
上記の改良方法1を適用すると、圧力に偏差が残ってしまう場合があった。これは不感帯関数Ψの追加により不感帯内の信号が除去されてしまうからである。そこで、圧力偏差を小さくするために不感帯関数Ψに不感帯補償器Hを追加し、不感帯関数Ψで除かれた情報をフィードバックする。これにより、圧力偏差を小さくすることができると期待される。図12は、改良方法2のシステム制御系を示すブロック線図である。ここで、不感帯関数Ψと飽和関数Γについては改良方法1と同様である。このとき、不感帯補償器Hは次式(19)で表される。
(6) Step 3-3: Method 2 for improving control system design that compensates for on-off operation
When the above improvement method 1 was applied, there was a case where a deviation remained in the pressure. This is because the signal in the dead zone is removed by the addition of the dead zone function Ψ. Therefore, in order to reduce the pressure deviation, a dead band compensator H is added to the dead band function Ψ, and information removed by the dead band function Ψ is fed back. This is expected to reduce the pressure deviation. FIG. 12 is a block diagram showing a system control system of the improved method 2. Here, the dead band function Ψ and the saturation function Γ are the same as those in the improved method 1. At this time, the dead zone compensator H is expressed by the following equation (19).

式(19)
ただし、αは設計パラメータ、不感帯関数の前後の信号をu、uとし、その差分をξとする。なお、サンプリング時間はFBMと同様0.2msである。
Formula (19)
Here, α is a design parameter, and signals before and after the dead band function are u 1 and u 2 , and the difference is ξ. The sampling time is 0.2 ms as in the FBM.

次に、パラメータαの意味及び設計条件について述べる。まず、入力uからξまでのパルス伝達関数をK[z]とすると、uが不感帯内に留まり、|u|<δとなる場合にはk[z]=z/(z−α)と表せる。この場合、安定条件は、|α|<1となる。よって、|α|<1であることが必要である。次に、不感帯補償器Hの特性について考える。uからuまでのパルス伝達関数K[z]は不感帯関数Ψの特性を比例ゲインΨkと仮定した場合、次式(20)となる。 Next, the meaning of the parameter α and the design conditions will be described. First, when the pulse transfer function from the input u c until ξ and K 2 [z], u 1 remains in the dead zone, | u 1 | <if the δ k 2 [z] = z / (z −α). In this case, the stability condition is | α | <1. Therefore, it is necessary that | α | <1. Next, the characteristics of the dead band compensator H will be considered. The pulse transfer function K 3 [z] from u c to u 1 is expressed by the following equation (20) assuming that the characteristic of the dead band function ψ is a proportional gain ψk.

式(20)
Formula (20)

ここで、入力周波数ω=0、Ψk=0の場合を考える。これは不感帯関数Ψへの入力が一定値でかつ不感帯内に留まる場合を想定している。このときゲインは次式(21)となる。   Here, a case where the input frequency ω = 0 and Ψk = 0 is considered. This assumes a case where the input to the dead band function Ψ is a constant value and stays within the dead band. At this time, the gain is expressed by the following equation (21).

式(21)
Formula (21)

この場合、α→1であれば、|K[ej0]|→∞となり、一定値の入力uに対してuが増大するため不感帯を乗り越えるように機能する。これは、先にStep3−1で述べた効果と同様であり、量子化された入力を線形入力に近づけるFBMと同様の機能を持たせることになる。一方、α→0とした場合には、|K[ej0]|→1となり、不感帯補償器Hの効果は失われ、先に述べた改良方法1と等価となる。よってαを調整することで、不感帯関数Ψの効果を調整することができる。そこで、αは1を超えない範囲で調整し、偏差を小さくしつつ、on−off操作に伴うチャタリング低減化のトレードオフをとる。実験結果に基づきαを決定することができる。 In this case, if α → 1, then | K 3 [e j0 ] | → ∞, and u 1 increases with respect to a constant value input u c , so that it functions to overcome the dead zone. This is the same as the effect described in Step 3-1, and a function similar to that of an FBM that brings a quantized input closer to a linear input is provided. On the other hand, when α → 0, | K 3 [e j0 ] | → 1 is lost, and the effect of the dead band compensator H is lost, which is equivalent to the improved method 1 described above. Therefore, the effect of the dead band function Ψ can be adjusted by adjusting α. Therefore, α is adjusted within a range not exceeding 1, and the trade-off of reducing chattering associated with the on-off operation is taken while reducing the deviation. Α can be determined based on the experimental results.

(制御系設計とシミュレーション結果)
(1)設計条件
以下の各Case1〜5について制御系の設計を行った。各Caseは表3に纏め示してある。
(Control system design and simulation results)
(1) Design conditions Control systems were designed for the following Cases 1 to 5. Each Case is summarized in Table 3.

Case1:むだ時間については先にStep1で述べた方法で補償するが、on−off操作については考慮しない。制御系のブロック線図は図9に示す通りである。
パラメータの値は、p=2.2970×10−2、F=[3.8040×10 1.9499×10]とした。
Case 1: The dead time is compensated by the method described in Step 1, but the on-off operation is not considered. A block diagram of the control system is as shown in FIG.
The parameter values were set to p 1 = 2.2970 × 10 −2 and F = [3.8040 × 10 3 1.9499 × 10 5 ].

case2:むだ時間についてはCase1と同様、Step1で述べた方法で補償し、on−off操作についてはStep3−1のFBMで補償する。制御系のブロック線図は図10に示す通りである。FBMのパラメータ値は、τ=0.5とした。これは、サンプリング時間0.2msより大きい値で、圧力サーボ実験を通して定常時に入力がチャタリングを起こさない程度の小さい値として選んだ。他のパラメータp、FはCase1と同様である。 Case 2: As with Case 1, the dead time is compensated by the method described in Step 1, and the on-off operation is compensated by the FBM of Step 3-1. A block diagram of the control system is as shown in FIG. The parameter value of the FBM was set to τ = 0.5. This is a value larger than the sampling time of 0.2 ms, and is selected as a small value that does not cause chattering in the steady state through the pressure servo experiment. Other parameters p 1 and F are the same as in Case 1.

Case3:むだ時間についてはCase1と同様に、Step1の方法で補償し、on−off操作についてはStep3−2の改良方法1で補償する。制御系のブロック線図は図11である。不感帯の幅はδ=800とした。これは、圧力センサのノイズに反応しないように実験により求めた。他のパラメータp、τ、FはCase2と同様である。 Case 3: As with Case 1, the dead time is compensated by the method of Step 1, and the on-off operation is compensated by the improved method 1 of Step 3-2. FIG. 11 is a block diagram of the control system. The width of the dead zone was δ = 800. This was determined by experiment so as not to react to noise of the pressure sensor. Other parameters p 1 , τ, and F are the same as in Case 2.

Case4:むだ時間についてはCase1と同様にStep1の方法で補償し、on−off操作についてはStep3−3の改良方法2で補償する。制御系のブロック線図は図12である。不感帯補償器Hのパラメータαは、α=0.99として実験を行ったものの、定常時に操作量にチャタリングが生じてしまった。そこで、定常時にチャタリングが生じない範囲で、かつ圧力の偏差が小さくなるようにαを再調整し、α=0.3と設定し直した。ただし、計算機シミュレーションでは比較のためにα=0.99の場合も行った。他のパラメータp、τ、δ、FはCase3と同様である。 Case 4: As with Case 1, the dead time is compensated by the method of Step 1, and the on-off operation is compensated by the improved method 2 of Step 3-3. A block diagram of the control system is shown in FIG. Although the experiment was carried out with the parameter α of the dead zone compensator H being α = 0.99, chattering occurred in the manipulated variable in the steady state. Therefore, α is readjusted so that chattering does not occur in a steady state and the pressure deviation becomes small, and α is reset to 0.3. However, in the computer simulation, the case of α = 0.99 was also performed for comparison. Other parameters p 1 , τ, δ, and F are the same as in Case 3.

Case5:むだ時間については補償せずに、最適レギュレータにより求めたゲインFにより状態フィードバックを施した。一方、on−off操作についてはCase4と同様にStep3−3の改良方法2で補償する。F2は、
F2=[3.0947×10 8.3895×10]とした。これは、重み行列を、
Q〜=diag(4.0×10 1.5×10)、R〜=2.0×10−7として求めた。αはα=0.3とした。他のパラメータp、τ、δはCase4と同様である。
Case5: without compensation for the dead time, subjected to state feedback by gain F 2 determined by optimal regulator. On the other hand, the on-off operation is compensated by the improved method 2 of Step 3-3 as in Case 4. F2 is
F2 = [3.0947 × 10 2 8.3895 × 10 5 ]. This is the weight matrix
Q˜ = diag (4.0 × 10 2 1.5 × 10 5 ), R˜ = 2.0 × 10 −7 . α was set to α = 0.3. The other parameters p 1 , τ, and δ are the same as in Case 4.

(2)計算機シミュレーション結果
計算機シミュレーション結果を図13〜図18に示す。なお、制御対象は式(1)、(4)、(5)とし、サンプリング周期0.2msとしたディジタル系のシミュレーションを行う。また、圧力センサの観測ノイズは考慮していない。制御性能は、Case1〜Case5の制御を行った場合のインパルス状の外乱に対する時間応答により比較する。インパルス外乱はシミュレーション開始1s経過後に加える。
(2) Computer simulation results The computer simulation results are shown in FIGS. It should be noted that the control target is the equations (1), (4), and (5), and a digital simulation is performed with a sampling period of 0.2 ms. Also, pressure sensor observation noise is not taken into consideration. The control performance is compared by the time response to the impulse-like disturbance when the control of Case 1 to Case 5 is performed. Impulse disturbance is applied after 1 s from the start of simulation.

まず、on−off操作補償の効果を検証する。on−off操作について考慮していないCase1では、流量Gdが線形入力として除振台3に加わるものとして操作量uを計算しているため変位に偏差が残ってしまった(図13のz)。 First, the effect of on-off operation compensation is verified. In on-off does not consider the operation Case1, flow rate Gd is deviation had remained in displacement because it calculates the manipulated variable u p as applied to the vibration isolation table 3 as a linear input (z in FIG. 13) .

これに対し、Case2では、FBMによりon−off操作を考慮しているが、FBM内の流量制限によって、大きな値がFBM内でフィードバックされるため(図14のu)、1.5s付近で大きな変位偏差が生じてしまう。さらに、この偏差を減らすように定常入力に対するFBMの積分特性が働き、2.5s付近で操作量uが加わることにより変位のゆらぎが発生している(図14のz)。 On the other hand, in Case 2, on-off operation is considered by the FBM, but a large value is fed back in the FBM due to the flow rate limitation in the FBM (u f in FIG. 14), so that it is around 1.5 s. A large displacement deviation occurs. Furthermore, work is integral characteristic of the FBM for stationary input to reduce this deviation, fluctuation of the displacement is generated by the operation amount u p is applied in the vicinity of 2.5 s (z in Figure 14).

Case3では、改良方法1によりFBM内に飽和値を超えた入力が入るのを防止し(図15のu)、Case2で見られた変位のゆらぎを防止することができている。ただし、不感帯内の圧力偏差には反応できないため若干の偏差が残っている(図15のz)。 In Case 3, the improved method 1 can prevent the input exceeding the saturation value from entering the FBM (u f in FIG. 15), and the displacement fluctuation seen in Case 2 can be prevented. However, a slight deviation remains because it cannot react to the pressure deviation in the dead zone (z in FIG. 15).

Case4では、α=0.3とした場合には改良方法1と比較して大きな応答改善はみられないものの(図16)、α=0.99とした場合には応答は大幅に改善されており、大きな偏差もなく理想的な応答となった(図17)。以上より、改良方法2でon−off操作を考慮することが外乱抑制に非常に効果的であると検証できた。   In Case 4, when α = 0.3, there is no significant improvement in response compared to improved method 1 (FIG. 16), but when α = 0.99, the response is greatly improved. The response was ideal with no significant deviation (FIG. 17). From the above, it can be verified that considering the on-off operation in the improved method 2 is very effective in suppressing disturbance.

次に、むだ時間補償の効果を検証する。Case5ではむだ時間を考慮せずに求めた状態フィードバックゲインを用いているため応答は非常に振動的になってしまった(図18)。一方、図16、17に示すCase4ではむだ時間を考慮した状態フィードバックゲインを用いているため理想的な応答となった。以上より、むだ時間を補償することが外乱抑制に効果的であることを検証できた。   Next, the effect of dead time compensation is verified. In Case 5, since the state feedback gain obtained without considering the dead time is used, the response becomes very oscillating (FIG. 18). On the other hand, Case 4 shown in FIGS. 16 and 17 has an ideal response because it uses a state feedback gain considering dead time. From the above, it was verified that compensating for the dead time is effective in suppressing disturbance.

(実験結果)
次に、Case1〜Case5の制御を行った場合の実験結果を図19〜図23に示す。ただし、外乱は除振台3の上方向高さ30cmの位置からB級軟式野球ボール(質量220g)を自由落下させることにより印加した。外乱は実験開始1s経過後に加えた。
(Experimental result)
Next, FIG. 19 to FIG. 23 show experimental results when Case 1 to Case 5 are controlled. However, the disturbance was applied by allowing the B-class soft baseball (mass 220 g) to fall freely from a position 30 cm above the vibration isolation table 3. Disturbance was added 1 s after the start of the experiment.

まず、on−off操作補償の効果を検証するCase1ではon−off操作については考慮していないため、シミュレーションと同様に変位に偏差が残ってしまった(図19のz)。また、シミュレーションでは見られなかったが、操作量にチャタリングが生じてしまった(図19のuおよびGd)。 First, Case 1 that verifies the effect of on-off operation compensation does not consider the on-off operation, and thus a deviation remains in the displacement as in the simulation (z in FIG. 19). Although not seen in the simulation, chattering had occurred in the operation amount (u p and Gd in FIG. 19).

これに対し、Case2ではFBMによりon−off操作を考慮しているため外乱を与えた直後の1〜2.1sでは偏差を小さくする方向に操作量uが働いている。しかし、0.1s、2.2sおよび3.2s付近で操作量uが加わってしまい、シミュレーションと同様に変位がゆらぐと共に微小振動が発生してしまっている(図20)。これは圧力センサのノイズに敏感に反応してしまうこと、厳密に目標追従させようとするため、微小偏差を蓄積して補償入力を加えること、FBM内の流量制限により、大きな値がFBM内でフィードバックされていることに起因すると考えられる。 In contrast, working by the operation amount u p in a direction to reduce the deviation in 1~2.1s immediately gave disturbance because of taking into account the on-off operation by FBM in Case2. However, 0.1s, will be applied by the operation amount u p around 2.2s and 3.2s, as with simulated displacement is very small vibrations accidentally occurs with fluctuating (Figure 20). This is because it reacts sensitively to the noise of the pressure sensor, strictly tries to follow the target, so a large value is accumulated in the FBM due to accumulation of minute deviations and addition of compensation input, flow restriction in the FBM. This is thought to be due to feedback.

一方、Case3では、改良方法1によりFBM内に飽和値を超えた入力が入るのを防止し(図21のu)、Case2で見られた変位のゆらぎを防止できている。これはシミュレーション結果と同様である。ただし、不感帯内の圧力偏差には反応できないため若干の偏差が残っている(図21のz)。 On the other hand, in Case 3, it is possible to prevent the input exceeding the saturation value from entering the FBM by the improved method 1 (u f in FIG. 21), and to prevent the displacement fluctuation seen in Case 2. This is the same as the simulation result. However, a slight deviation remains because it cannot react to the pressure deviation in the dead zone (z in FIG. 21).

これに対し、Case4では、改良方法2に基づき、不感帯補償器を追加することにより、応答はシミュレーション結果と同様に大幅に改善されており、大きな偏差もなく微小振動も発生しない理想的な応答となった(図22)。以上より、改良方法2でon−off操作を考慮することが外乱抑制に非常に効果的であると検証した。   On the other hand, in Case 4, by adding a dead zone compensator based on the improved method 2, the response is greatly improved in the same manner as the simulation result, and there is no great deviation and no ideal vibration is generated. (FIG. 22). From the above, it was verified that considering the on-off operation in the improved method 2 is very effective in suppressing disturbance.

次に、むだ時間補償の効果を検証する。Case5ではむだ時間を考慮せずに求めた状態フィードバックゲインを用いているため応答は発散してしまった(図23)。ただし、状態変数の収束性条件を緩めるように重み行列を調整することで、安定な応答を得ることも可能であったが、その場合には応答速度は著しく悪化した。なお、詳細を省略するが、スミス補償によりむだ時間を補償した実験結果は、発散はしないものの高い制振性能は得られなかった。   Next, the effect of dead time compensation is verified. In Case 5, since the state feedback gain obtained without considering the dead time is used, the response diverges (FIG. 23). However, it was possible to obtain a stable response by adjusting the weight matrix so as to relax the convergence condition of the state variable, but in this case, the response speed was significantly deteriorated. Although details are omitted, the experimental results in which the dead time was compensated by Smith compensation did not diverge, but high vibration damping performance was not obtained.

一方、Case4ではむだ時間を考慮した状態フィードバックゲインを用いているため先に述べたように理想的な応答となった。以上より、むだ時間を補償することが外乱抑制に効果的であることを検証した。   On the other hand, since the state feedback gain taking account of the dead time is used in Case 4, the response is ideal as described above. From the above, it was verified that compensating for the dead time is effective in suppressing disturbance.

以上説明したように、本例における入力むだ時間とon−off操作を考慮した空圧式除振台の制御系においては、むだ時間を考慮しつつ、on−off操作についてFBMに不感帯補償器等を追加した改良方法2を用いて補償することが外乱抑制に対して最も効果的であることを計算機シミュレーション及び実験により確認できた。   As described above, in the control system of the pneumatic vibration isolator in consideration of the input dead time and the on-off operation in this example, the dead zone compensator is provided in the FBM for the on-off operation while taking the dead time into consideration. It was confirmed by computer simulation and experiment that compensation using the added improved method 2 is most effective for disturbance suppression.

したがって、本発明の方法によれば、空圧式除振台で発生した大変位振動を、電磁弁のon−off操作によって、高速に振動抑制制御することが可能である。また、このような弁のon−off駆動による制御は、サーボ弁を用いた線形制御に比較して、高速応答性に優れかつ安価に実現できるため、実用的価値も高いと考えられる。   Therefore, according to the method of the present invention, large-displacement vibration generated in the pneumatic vibration isolation table can be suppressed and controlled at high speed by an on-off operation of the solenoid valve. In addition, such control by on-off driving of the valve can be realized with excellent high-speed response and low cost as compared with linear control using a servo valve, and is considered to have high practical value.

[実施の形態2]
上述した実施の形態1では、on−off駆動開閉弁を用いた3値のon−off操作量を前提とし、外乱抑制に対して高速かつ振動低減効果の高い効果的な制御手法を提案した。これに対して、実施の形態2では、微小な流量調整を行って微振幅の残留振動の抑制が要求されるような場合を想定して、複数のon−off駆動開閉弁を用いることで、操作量を多段とすることにより残留振動を除去することを可能とするものである。また、この場合において、制御対象のモデル化についても考察し、操作量の周波数特性を考慮した可変パラメータモデルを提案し、対象特性の予測精度を向上させ、見通しの良い制御系の設計を可能とした。さらに、提案手法の効果を計算機シミュレーションおよび実機実験により検証した。
[Embodiment 2]
In the above-described first embodiment, an effective control method with a high speed and high vibration reduction effect for disturbance suppression is proposed on the premise of a ternary on-off operation amount using an on-off drive opening / closing valve. On the other hand, in the second embodiment, assuming a case in which a minute flow rate adjustment is performed and suppression of residual vibration with a small amplitude is required, a plurality of on-off drive opening / closing valves are used. Residual vibration can be removed by increasing the amount of operation. In this case, the modeling of the controlled object is also considered, a variable parameter model that considers the frequency characteristics of the manipulated variable is proposed, the prediction accuracy of the targeted characteristics is improved, and a control system with a good visibility can be designed. did. Furthermore, the effectiveness of the proposed method was verified by computer simulation and actual machine experiments.

(空圧式除振台)
図24には実施の形態2における空圧式除振台101を示してあり、除振台103(Herz 社製DT-6050M)は4つの空気ばね104により支持されている。図25に示すように、空圧回路105では、コンプレッサ106により予めタンク内圧を0.3〜0.4MPa に維持しておき、空圧レギュレータ111(SMC 社製AW10-M5BG-N)によって0.2MPaに空気圧を調整しておく。
(Pneumatic vibration isolation table)
FIG. 24 shows the pneumatic vibration isolation table 101 according to the second embodiment, and the vibration isolation table 103 (DT-6050M manufactured by Herz) is supported by four air springs 104. As shown in FIG. 25, in the pneumatic circuit 105, the tank internal pressure is previously maintained at 0.3 to 0.4 MPa by the compressor 106, and the air pressure is adjusted to 0.2 MPa by the pneumatic regulator 111 (SMW AW10-M5BG-N). Adjust it.

ここで、電磁弁として、2つの吸気用電磁弁107(1)、107(2)と、4つの排気用電磁弁108(1)、108(2)、108(3)、108(4)が備わっている。吸気用電磁弁107(1)、107(2)の一方あるいは双方を開き、排気用電磁弁108(1)〜108(4)を閉じることで空気ばね104に圧縮空気が送りこまれ、空気ばね104の内圧を上げることができる。逆に、吸気用電磁弁107(1)、107(2)を閉じ、排気用電磁弁108(1)〜108(4)の一つあるいは複数を開くことで、空気ばね104内の圧縮空気は外気に放出され空気ばねの内圧を下げることができる。   Here, there are two intake solenoid valves 107 (1) and 107 (2) and four exhaust solenoid valves 108 (1), 108 (2), 108 (3), and 108 (4) as solenoid valves. It is equipped. By opening one or both of the intake solenoid valves 107 (1) and 107 (2) and closing the exhaust solenoid valves 108 (1) to 108 (4), compressed air is sent to the air spring 104. The internal pressure of can be increased. Conversely, by closing the intake solenoid valves 107 (1) and 107 (2) and opening one or more of the exhaust solenoid valves 108 (1) to 108 (4), the compressed air in the air spring 104 is reduced. It is discharged to the outside air and the internal pressure of the air spring can be lowered.

このように、6つの電磁弁の開閉により空気ばね104内の空気圧を変化させることで、除振台103に制御力を加えることができる。また、多段型on−off操作量を実現するために、吸気用電磁弁、排気用電磁弁ともに複数の電磁弁及びスピードコントローラ(流路の開閉度を調整する空圧機器)を使用している。多段流量は、表4のように開く(onにする)電磁弁の組み合わせを変えることで発生させる。なお、流量G2+〜G2−は表5の通りである。 As described above, the control force can be applied to the vibration isolation table 103 by changing the air pressure in the air spring 104 by opening and closing the six electromagnetic valves. In order to realize a multistage type on-off operation amount, a plurality of solenoid valves and speed controllers (pneumatic devices that adjust the degree of opening and closing of the flow path) are used for both the intake solenoid valve and the exhaust solenoid valve. . The multistage flow rate is generated by changing the combination of solenoid valves that are opened (turned on) as shown in Table 4. The flow rates G 2+ to G 2− are as shown in Table 5.

なお、空圧回路25では、チェック弁140を用いることで排気時に空気が吸気用電磁弁107(1)、107(2)の先端まで逆流するのを防止している。4つの空気ばね104を同時に駆動して鉛直並進方向の運動を制御する。吸気用電磁弁107(1)、107(2)はコガネイ社製K2-100HF-04-NC を使用しており、応答時間はon時3ms、off時1msである。排気用電磁弁108(1)〜108(4)はクロダニューマティクス社製VA01HPSC24-1PE-L5を使用しており、応答時間はon時2ms、off時2msである。除振台の鉛直方向の変位はレーザ変位センサ110により検出する。図24のようにレーザ変位センサ110は並列配置し、二つの平均を取ることで鉛直方向の変位とする。レーザ変位センサ110はキーエンス社製LB-02を使用しており、測定範囲±10mm、応答時間2ms、分解能15μmである。空気ばね104内の空気の圧力は圧力センサ109により検出する。圧力センサ109はコガネイ社製GS610Aを使用しており、測定圧力範囲−100〜100kPa、応答時間は2.5msである。   In the pneumatic circuit 25, the check valve 140 is used to prevent air from flowing backward to the tips of the intake solenoid valves 107 (1) and 107 (2) during exhaust. The four air springs 104 are simultaneously driven to control the movement in the vertical translation direction. The intake solenoid valves 107 (1) and 107 (2) use K2-100HF-04-NC manufactured by Koganei, and the response time is 3 ms when on and 1 ms when off. The exhaust solenoid valves 108 (1) to 108 (4) use VA01HPSC24-1PE-L5 manufactured by Kuroda Pneumatics, and the response time is 2 ms when on and 2 ms when off. The displacement in the vertical direction of the vibration isolation table is detected by the laser displacement sensor 110. As shown in FIG. 24, the laser displacement sensors 110 are arranged in parallel, and the average of the two is taken to obtain the displacement in the vertical direction. The laser displacement sensor 110 uses LB-02 manufactured by Keyence Corporation, and has a measurement range of ± 10 mm, a response time of 2 ms, and a resolution of 15 μm. The pressure of air in the air spring 104 is detected by a pressure sensor 109. The pressure sensor 109 uses GS610A manufactured by Koganei, and has a measurement pressure range of −100 to 100 kPa and a response time of 2.5 ms.

図26のブロック線図で示すように、空圧式除振台101と制御システム112からなる空圧式除振台システムの全体構成は実施の形態1の場合(図3)と同様である。16bitのA/Dコンバータを介して取得した変位と圧力に基づき、DSP35(mtt 社製HeronDSP6x67)内部で制御演算を行い、16bitのD/Aを介してそれぞれの電磁弁に指令電圧を加える。サンプリング時間は0.2msとしてディジタル制御を行う。   As shown in the block diagram of FIG. 26, the overall configuration of the pneumatic vibration isolation table system including the pneumatic vibration isolation table 101 and the control system 112 is the same as that of the first embodiment (FIG. 3). Based on the displacement and pressure acquired through the 16-bit A / D converter, control calculation is performed inside the DSP 35 (Merton HeronDSP6x67), and a command voltage is applied to each solenoid valve through the 16-bit D / A. Digital control is performed with a sampling time of 0.2 ms.

また、空圧回路105では、電磁弁107(1)、107(2)、108(1)〜108(4)が配管A(図25(a)の点線領域)を介して空気ばね104と接続している。このため、電磁弁を開いても、すぐに空気ばねの内圧が変化するわけではなく、配管内の圧力損失等の影響により一定のむだ時間が生ずる。また、図25(b)のように空気ばね104内はバッファタンク104cと繋がっており、振動絶縁性能をより高める機械構成となっている。   In the pneumatic circuit 105, the solenoid valves 107 (1), 107 (2), 108 (1) to 108 (4) are connected to the air spring 104 via the pipe A (dotted line region in FIG. 25A). doing. For this reason, even if the solenoid valve is opened, the internal pressure of the air spring does not change immediately, and a certain dead time occurs due to the effect of pressure loss in the piping. Further, as shown in FIG. 25B, the inside of the air spring 104 is connected to the buffer tank 104c, and has a mechanical configuration that further improves the vibration insulation performance.

(制御対象のモデリング)
(1)基礎運動方程式
実施の形態2においても除振台103の鉛直方向のみの運動に限定して考える。一般に、空気ばね104のばね定数および粘性定数は空気ばね104の圧力変化に伴い変化するが、圧力変化は微小であることから実用上においては一定と仮定することができる。このとき、空気ばね104内の熱力学的な平衡条件を考慮すると、空圧式除振台101の運動方程式は次式(101)、(102)となる。
(Control target modeling)
(1) Fundamental equation of motion Also in the second embodiment, only the motion of the vibration isolation table 103 in the vertical direction is considered. In general, the spring constant and viscosity constant of the air spring 104 change with the pressure change of the air spring 104, but since the pressure change is minute, it can be assumed to be practically constant. At this time, when the thermodynamic equilibrium condition in the air spring 104 is taken into consideration, the equations of motion of the pneumatic vibration isolation table 101 are the following equations (101) and (102).

式(101)
Formula (101)

式(102)
Formula (102)

式(101)、(102)において、z(t)は除振台3の鉛直方向の変位、DP(t)は平衡点圧力Pからの圧力変化、V01はバッファタンク4cの体積、V02は平衡点圧力での空気ばね4の体積、DV(t)は平衡点体積(V01+V02)からの体積変化、Gd(t)質量流量、mは除振台103の質量、kは除振台のばね定数、cは除振台の粘性定数、Sは除振台103と空気ばね104の接触面積、Rsは気体定数、κは比熱比、Tsは気体温度、Lは質量流量のむだ時間である。パラメータはインパルス状の外乱に対する図24の空圧式除振台101の実機実験による自由応答から求めることができる。各パラメータの値の例を表6に示す。 Equation (101), in (102), z (t) is the volume of the pressure change, V 01 the buffer tank 4c from vertical displacement, DP (t) is the equilibrium point pressure P 0 of the vibration isolation table 3, V 02 is the volume of the air spring 4 at the equilibrium point pressure, DV (t) is the volume change from the equilibrium point volume (V 01 + V 02 ), Gd (t) mass flow rate, m is the mass of the vibration isolation table 103, k 1 Is the spring constant of the vibration isolation table, c 1 is the viscosity constant of the vibration isolation table, S is the contact area between the vibration isolation table 103 and the air spring 104, Rs is the gas constant, κ is the specific heat ratio, Ts is the gas temperature, and L is the mass This is the dead time of the flow rate. The parameter can be obtained from a free response by an actual machine experiment of the pneumatic vibration isolation table 101 of FIG. 24 to an impulse-like disturbance. Examples of values for each parameter are shown in Table 6.

(2)周波数に依存した可変パラメータγ(t)
式(102)は体積V01、V02内の圧力が同時に変化すると仮定した場合の式であるが、本システムは図25(b)に示すように、空気ばね104の直下に流入口104bがあるため空気流入直後、バッファタンク104cの体積V01に空気が満たされる前に空気ばね104の体積V02内の圧力が変化すると考えられ、過渡時の圧力変化は体積V02が支配的となる。この点を考慮し、式(102)第1項の体積(V01+V02+ΔV(t))を(V01γ(t)+V02+ΔV(t))に置き換え、さらに第2項の体積(V01+V02+ΔV(t))を(V02β+ΔV(t))に置き換え、次式(103)のように修正する。
(2) Variable parameter γ (t) depending on frequency
Expression (102) is an expression assuming that the pressures in the volumes V 01 and V 02 change at the same time. In this system, as shown in FIG. 25B, the inlet 104b is located directly below the air spring 104. Therefore, it is considered that the pressure in the volume V 02 of the air spring 104 changes immediately after the air inflow and before the volume V 01 of the buffer tank 104 c is filled with air, and the volume V 02 is dominant in the pressure change at the time of transient. . In consideration of this point, the volume (V 01 + V 02 + ΔV (t)) of the first term in the formula (102) is replaced with (V 01 γ (t) + V 02 + ΔV (t)), and the volume of the second term ( V 01 + V 02 + ΔV (t)) is replaced with (V 02 β + ΔV (t)) and corrected as shown in the following equation (103).

式(103)
Formula (103)

ここで、βは影響係数であり、過渡時の圧力変化に対する体積V02の支配度を表すパラメータである。γ(t)は操作量の周波数に依存した可変パラメータであり、高い周波数であればあるほど0に近づき、低い周波数であればあるほど1に近づくような特性を持たせる。このように設定することで、より高い周波数の操作量が入った場合にはバッファタンク内の圧力が変化する前に空気ばね内の圧力が変化する物理特性を近似できる。γ(t)の特性は次の手順で求めた。 Here, β is an influence coefficient and is a parameter representing the degree of control of the volume V 02 with respect to the pressure change at the time of transient. γ (t) is a variable parameter that depends on the frequency of the manipulated variable, and has a characteristic such that the higher the frequency, the closer to 0, and the lower the frequency, the closer to 1. By setting in this way, it is possible to approximate a physical characteristic in which the pressure in the air spring changes before the pressure in the buffer tank changes when an operation amount of a higher frequency is entered. The characteristic of γ (t) was obtained by the following procedure.

まず、図27に示すような3値入力5周期かつ一定周波数の入力Gdに対し、変位zと圧力変化ΔPの応答がもっとも実験値と一致するようにGdの周波数fごとにγの値を探索的に求め、γ(t)とGdの周波数fの関係を求めた結果を図28に実線で示す。なお、周波数fは3〜125Hzまで変えて実験を行った。γ(t)の特性としては図28の実線の特性を持たせれば良いのだが、オフラインの計算になるので、使い勝手が悪い。そこで、オンラインでγ(t)を計算するために、図28の近似式を求め、図29のブロックに従って計算する。まず流量Gdを関数f(近似微分器)により時間微分し、流量変化率Gdドット(一時微分)を計算する。関数fは次式(104)である。 First, with respect to an input Gd having three cycles of three values and a constant frequency as shown in FIG. 27, the value of γ is searched for each frequency f of Gd so that the response of the displacement z and the pressure change ΔP most closely matches the experimental value. FIG. 28 shows a result of obtaining the relationship between γ (t) and the frequency f of Gd by a solid line. The experiment was performed by changing the frequency f to 3 to 125 Hz. As the characteristic of γ (t), the characteristic shown by the solid line in FIG. 28 may be provided. However, since it is an off-line calculation, it is not convenient. Therefore, in order to calculate γ (t) online, the approximate expression of FIG. 28 is obtained and calculated according to the block of FIG. First, the flow rate Gd is time-differentiated by a function f 0 (approximate differentiator) to calculate a flow rate change rate Gd dot (temporary differentiation). The function f 0 is the following expression (104).

式(104)
Formula (104)

ここで、£はラプラス変換を意味する。fはGdの周波数情報を取り出していることになる。それはGdの周波数が高いときに、Gdドット(一時微分)も平均すると大きい値になるため周波数と似た情報を有しているからである。さらに、Gdの一次微分の絶対値を関数fに入力する.関数fは次式(105)である。 Here, £ means Laplace transform. f 0 is extracting the frequency information of Gd. This is because when the Gd frequency is high, the Gd dot (temporary differentiation) also has a large value on average, and therefore has information similar to the frequency. Further, the absolute value of the first derivative of Gd is input to the function f 1 . The function f 1 is the following expression (105).

式(105)
Formula (105)

ただし、gは設計パラメータである。fはGdの一次微分の絶対値が大きければγ(t)→0に近づき、Gdの一次微分の絶対値が小さければγ(t)→1に近づくため、図28の実線の特性に近い特性をγ(t)に持たせることができる。パラメータgはγ(t)の特性が図28の実線の特性に近づくようにg=3000と設定した。このときのγ(t)の平均値とGdの周波数fの関係を図28の一点鎖線で示す。 However, g 1 is a design parameter. Since f 1 approaches γ (t) → 0 if the absolute value of the first derivative of Gd is large, and approaches γ (t) → 1 if the absolute value of the first derivative of Gd is small, it is close to the characteristic of the solid line in FIG. The characteristic can be given to γ (t). The parameter g 1 is set to g 1 = 3000 so that the characteristic of γ (t) approaches the characteristic of the solid line in FIG. The relationship between the average value of γ (t) and the frequency f of Gd at this time is indicated by a one-dot chain line in FIG.

さらに、空気ばねの体積変化ΔVzの関係は実験よりΔV=hSzと近似できることから、除振台と空気ばねの接触面積Sと係数hを用いて式(3)は次式(106)となる。   Furthermore, since the relationship of the volume change ΔVz of the air spring can be approximated to ΔV = hSz by experiment, Equation (3) becomes the following Equation (106) using the contact area S of the vibration isolation table and the air spring and the coefficient h.

式(106)
ただし、z01、z02はそれぞれ
01=V01/S、
02=V02/S
である。
Formula (106)
However, z 01 and z 02 are respectively z 01 = V 01 / S,
z 02 = V 02 / S
It is.

(3)電磁弁の駆動パターンと流量の関係
質量流量Gd(t)は電磁弁の開閉によって制御される。なお、本システムは表1に示すように電磁弁の駆動パターンによって3値入力、5値入力が可能である。次式(107)の規則で流量Gdを制御する。
(3) Relationship between solenoid valve drive pattern and flow rate The mass flow rate Gd (t) is controlled by opening and closing the solenoid valve. In addition, as shown in Table 1, this system allows ternary input and quinary input depending on the driving pattern of the solenoid valve. The flow rate Gd is controlled by the rule of the following equation (107).

式(107)
Formula (107)

このとき、電磁弁は図30に示すように飽和関数と量子化器の特性を有しており、操作量uによって電磁弁の開閉状態が変化し、その結果、流量Gdは3値の値をとり得る。この場合には、実施の形態1における場合と同様になる。5値入力の場合は、電磁弁は、指令流量uの値に応じて、次式(108)の規則で流量Gdを制御する。 At this time, the solenoid valve has a characteristic of saturation function and quantizer as shown in FIG. 30, the opening and closing states of the solenoid valve is changed by the operation amount u p, as a result, the flow rate Gd ternary values Can take. This is the same as in the first embodiment. For 5 value input, the electromagnetic valve, depending on the value of the command flow rate u p, to control the flow rate Gd in the Rules of the formula (108).

式(108)
Formula (108)

このとき、電磁弁は図31に示す特性を有している。なお、Gdのとり得る値は非対称である。これは、空圧レギュレータ圧と空気ばね内圧の差圧に比べ空気ばね内圧と外気圧の差が低いことに起因する。以上より、制御対象は3値のon−off制御の場合には式(101)、(106)、(107)で表され、5値のon−off制御の場合には式(101)、(106)、(108)で表される。   At this time, the solenoid valve has the characteristics shown in FIG. Note that the value that Gd can take is asymmetric. This is because the difference between the air spring internal pressure and the external air pressure is lower than the differential pressure between the air pressure regulator pressure and the air spring internal pressure. As described above, the control target is represented by the equations (101), (106), and (107) in the case of the ternary on-off control, and the equations (101) and (101) in the case of the quinary on-off control. 106) and (108).

また、図32のブロック線図で示すように、操作量は指令流量uであり、制御対象の構成要素は電磁弁、むだ時間、空圧式除振台である。観測信号は変位zと圧力変化ΔPである。また、zの微分信号z(=zドット)は、zをオンラインで差分速度演算することにより入手している。 Further, as shown in the block diagram in FIG. 32, the operation amount is the command flow rate u p, the components of the controlled object solenoid valves, dead time, a pneumatic anti-vibration table. The observation signals are displacement z and pressure change ΔP. Further, the differential signal z v (= z dot) of z is obtained by performing an on-line differential speed calculation of z.

(4)基礎入力に対する応答の検証実験
基礎操作量Gdに対する上記制御対象モデルを用いた計算機シミュレーションと実機実験による変位zと圧力変化ΔPの応答を比較した。Gdは図27に示すような3値入力5周期とし、操作量の周波数fを3〜125hzまで変えて検証した。f=62.5hz、f=12.5hzの結果を図33、図34にそれぞれ示す。比較のためγ(t)をγ(t)=1と固定した場合の応答を一点鎖線で示す。ΔPの急激な変化は表現できていないが、z、ΔPともに定常値は一致しており、高精度にモデリングできていることがわかる。よって、Gdの周波数に依存した可変パラメータγ(t)を用いることが、本システムのモデリングに有効である。
(4) Verification experiment of response to basic input The response of the displacement z and the pressure change ΔP by the computer simulation using the control target model and the actual machine experiment with respect to the basic operation amount Gd was compared. The Gd was verified by changing the frequency f of the manipulated variable from 3 to 125 hz, as shown in FIG. The results at f = 62.5 hz and f = 12.5 hz are shown in FIGS. 33 and 34, respectively. For comparison, the response when γ (t) is fixed at γ (t) = 1 is shown by a one-dot chain line. Although a rapid change in ΔP cannot be expressed, it can be seen that the steady values of z and ΔP coincide with each other and modeling can be performed with high accuracy. Therefore, using the variable parameter γ (t) depending on the frequency of Gd is effective for modeling of the present system.

(制御系の設計)
(1)制御系設計の概要
制御系設計は以下の手順で行う。
Step1:圧力フィードバック制御の付加
制御対象の扱いを容易にするため図35に示すように、圧力フィードバック制御を付加する。その結果、制御対象は式110となる。
Step2:むだ時間の考慮
式(110)を制御対象としてむだ時間補償をおこなう。
Step3:on−off操作の考慮
電磁弁のon−off操作により流量の取り得る値は3値もしくは5値に量子化された入力となる。そこで、on−off操作を考慮した補償をおこない、応答性能の劣化を防ぐ。ただし、本例では、振動抑制のためにレギュレータによる制御を想定し、後述する式(110)の制御対象に対して、Fを状態フィードバックゲインとして次式(109)の制御則を考える。図36にはこの場合の制御系のブロック線図を示してある。
(Control system design)
(1) Outline of control system design Control system design is performed according to the following procedure.
Step 1: Addition of pressure feedback control As shown in FIG. 35, pressure feedback control is added to facilitate the handling of the controlled object. As a result, the controlled object is represented by Expression 110.
Step 2: Consideration of dead time Compensation of dead time is performed with the equation (110) as a control target.
Step 3: Consideration of on-off operation The possible value of the flow rate by the on-off operation of the solenoid valve is an input quantized into three or five values. Therefore, compensation is performed in consideration of the on-off operation to prevent deterioration of response performance. However, in this example, control by a regulator is assumed for vibration suppression, and a control law of the following equation (109) is considered with respect to a control target of equation (110) described later, with F as a state feedback gain. FIG. 36 shows a block diagram of the control system in this case.

式(109)
Formula (109)

(2)Step1:圧力フィードバック制御の付加
制御対象の扱いを容易にするため、図35に示すように、圧力フィードバック制御をマイナーフィードバックとして施す。これは前述の実施の形態1の場合と同様である。図中のuは目標圧力変化ΔPcと圧力変化ΔPとの誤差圧力変化信号である。また、pは圧力マイナーフィードバックの比例ゲインである。圧力追従性能を実験を通して確かめた。図14はこのときの圧力変化を示している。比較のため、目標圧力変化ΔPcから圧力変化ΔPまでの伝達関数を時定数0.02sの一次遅れ系と近似した場合の応答を計算機シミュレーションにより求め、図37において一点鎖線で表す。
(2) Step 1: Addition of Pressure Feedback Control In order to facilitate the handling of the controlled object, as shown in FIG. 35, pressure feedback control is performed as minor feedback. This is the same as in the first embodiment. U c in the figure are the error pressure change signal to the target pressure change ΔPc and the pressure change [Delta] P. Further, p 1 is the proportional gain of the pressure minor feedback. The pressure following performance was confirmed through experiments. FIG. 14 shows the pressure change at this time. For comparison, a response when the transfer function from the target pressure change ΔPc to the pressure change ΔP is approximated to a first-order lag system with a time constant of 0.02 s is obtained by computer simulation, and is represented by a one-dot chain line in FIG.

目標圧力変化ΔPcは1〜3sまでが5kPaであり、その他の時間は0kPaである。なおゲインp1を過大な値にするとΔPcを5kPaに上げた場合の直後(図37の1〜2s)に流量Gdがチャタリングを起こす傾向が強く、反対に小さい値だと目標圧力変化と圧力変化に大きな偏差が生じてしまう。そこでpの値は図37の1〜2sに流量Gdがチャタリングを起こさず、定常圧力偏差も大きくならないように実機実験を通して決定した。その結果、p=2.4509×10−7とした。 The target pressure change ΔPc is 5 kPa from 1 to 3 s, and 0 kPa at other times. If the gain p1 is set to an excessive value, the flow rate Gd tends to chatter immediately after ΔPc is increased to 5 kPa (1-2 s in FIG. 37). A big deviation will occur. Therefore the value of p 1 is 1~2s flow rate Gd in FIG. 37 without causing chattering, were determined through actual experimentation so as not steady pressure deviation is large. As a result, p 1 = 2.4509 × 10 −7 was set.

図37の応答を見ると、十分速い追従性能を有するため、圧力フィードバックを施した閉ループ系のΔPcからΔPまでの伝達関数を近似的に1とみなす。よって、以降では、操作量を指令流量uに代えて指令圧力変化ΔOcとする。そこで、圧力制御後のシステムを、x=z、xドット=zの一次微分を状態変数、u=ΔPcを制御入力として次式(110)で表す。 Looking at the response of FIG. 37, since it has a sufficiently fast follow-up performance, the transfer function from ΔPc to ΔP of the closed loop system subjected to pressure feedback is regarded as approximately 1. Therefore, in the following, the command pressure changes ΔOc instead the operation amount to the command flow rate u p. Therefore, the system after pressure control is expressed by the following equation (110), where x = z and xdot = z are first-order derivatives as state variables and u = ΔPc as a control input.

式(110)
ただし、
である。
Formula (110)
However,
It is.

は除振台のばね定数、cは除振台の粘性定数である。各パラメータはインパルス状の外乱に対する実機実験による自由応答から同定した。同定した各パラメータの値を表7に示す。また、式(110)は可制御である。 k 2 is a spring constant of the anti-vibration table, c 2 is a viscosity constant of the anti-vibration table. Each parameter is identified from the free response by the real machine experiment to the impulsive disturbance. Table 7 shows the values of the identified parameters. Moreover, Formula (110) is controllable.

(3)Step2:むだ時間の考慮
実施の形態1における場合と同様であるので省略する。
(3) Step 2: Consideration of dead time Since it is the same as that in the first embodiment, it is omitted.

(4)Step3:on−off操作の考慮
図36の制御系においては操作量のon−off駆動は考慮していなかった。しかし、実際にはプラント内の電磁弁のon−off操作により、流量の取り得る値は3値もしくは5値の量子化された値となる。そこで、実施の形態の1の場合のStep3−1、3−2、3−3と同様に、FBM(フィードバック変調器)をゲインpの後段に追加することにより、on−off操作に伴う性能劣化を防ぐ。
(4) Step 3: Consideration of on-off operation In the control system of FIG. 36, on-off driving of the operation amount is not considered. However, in practice, the on-off operation of the solenoid valve in the plant results in a three-value or five-value quantized value of the flow rate. Therefore, as with Step3-1,3-2,3-3 in the case of 1 of the embodiment, by adding FBM (the feedback modulator) to the subsequent gain p 1, the performance associated with the on-off operation Prevent deterioration.

また、比較的粗い量子化によって得られた3値入力や5値入力により厳密に目標値に追従させようとすると振動的な入力になるため、pの前に不感帯関数Ψを追加する。ただし、不感帯関数Ψの追加により不感帯内の信号が除去されてしまうため、z及びΔPに定常偏差が生じてしまう。そこで、不感帯関数Ψに不感帯補償器Hを追加し、不感帯関数Ψで除かれた情報をフィードバックする。また、FBMの量子化誤差の軽減を図るために飽和関数Γをpの後に追加する。ブロック線図は図38となる。uがFBMの入力である。uはH/H(サンプラーとゼロ次ホールド)への入力である。u、uが不感帯関数Ψの入出力、u、uが飽和関数Γの入出力である。 In addition, when trying to strictly follow the target value by ternary input or quinary input obtained by relatively coarse quantization, it becomes a vibration input, so the dead band function Ψ is added before p 1 . However, since the signal in the dead zone is removed by adding the dead zone function Ψ, a steady deviation occurs in z and ΔP. Therefore, a dead band compensator H is added to the dead band function Ψ, and information removed by the dead band function Ψ is fed back. In addition, a saturation function Γ is added after p 1 in order to reduce the FBM quantization error. The block diagram is shown in FIG. u f is the input of the FBM. u s is the input to H / H (sampler and zero-order hold). u 1 and u 2 are the input and output of the dead band function Ψ, and u 3 and u f are the input and output of the saturation function Γ.

また、FBM内の関数σは3値のon−off制御では次式(116)となる。σは制御対象内の飽和関数と量子化器と同じ特性をもつように定めている。   The function σ in the FBM is expressed by the following equation (116) in the ternary on-off control. σ is determined to have the same characteristics as the saturation function and the quantizer in the controlled object.

式(116)
Formula (116)

なお、飽和値G2+とG2−の値が異なるため、σは非対称である。5値のon−off制御では次式(117)となる。 Since the saturation values G 2+ and G 2− are different, σ is asymmetric. In the 5-value on-off control, the following expression (117) is obtained.

式(117)
Formula (117)

また、関数C(s)、不感帯関数Ψ、飽和関数Γ、不感帯補償器Hは次式(118)〜(122)で表される。これらは実施の形態1の場合と同様である。   The function C (s), the dead band function Ψ, the saturation function Γ, and the dead band compensator H are expressed by the following equations (118) to (122). These are the same as in the first embodiment.

式(118)
Formula (118)

式(119)
Formula (119)

式(120)
Formula (120)

式(121)
Formula (121)

式(122)
Formula (122)

(計算機シミュレーション結果)
計算機シミュレーション結果を図39、図40に示す。なお、制御対象は3値のon−off制御では式(101)、(106)、(107)とし、5値のon−off制御では式(101)、(106)、(108)とする。サンプリング周期0.2msとしたディジタル系のシミュレーションを行う。また、圧力センサの観測ノイズは考慮していない。制御性能は、3値のon−off制御、5値のon−off制御を行った場合のインパルス状の外乱に対する時間応答により比較する。インパルス外乱はシミュレーション開始1s経過後に加える。設計パラメータはp、Fはp=2.4509×10−7、F=[38004,97496]である。また、τ、δ、αについては3値のon−off制御の場合はτ=0.5、δ=1100、α=0.2であり、5値のon−off制御の場合はτ=0.003、δ=300、α=0.1である。
(Computer simulation results)
The computer simulation results are shown in FIGS. It should be noted that the control targets are the expressions (101), (106), and (107) in the ternary on-off control, and the expressions (101), (106), and (108) in the quinary on-off control. A digital simulation is performed with a sampling period of 0.2 ms. Also, pressure sensor observation noise is not taken into consideration. The control performance is compared by a time response to an impulse-like disturbance when ternary on-off control and quinary on-off control are performed. Impulse disturbance is applied after 1 s from the start of simulation. The design parameters are p 1 , F is p 1 = 2.4509 × 10 −7, and F = [38004, 97496]. For τ, δ, and α, τ = 0.5, δ = 1100, α = 0.2 in the case of ternary on-off control, and τ = 0 in the case of quinary on-off control. 0.003, δ = 300, and α = 0.1.

図39に示すように、3値のon−off制御では1.3s付近以後に入力を加えておらず、残留振動が残っている。一方、図40に示すように、5値のon−off制御では、1.2s付近以後に最大/最小入力G2+、G2−ではなく、微小入力G1+、G1−を加えており、残留振動が小さくなっている。なお、1.5s後の変位の最大振幅を比較すると、3値のon−off制御では382μmであるのに対し、5値のon−off制御では154μmとなっており、5値のon−off制御において、残留振動が大幅に除去されているのがわかる。以上より、多段型入力が残留振動の除去に効果的であることを検証した。 As shown in FIG. 39, in the ternary on-off control, no input is applied after about 1.3 s, and residual vibration remains. On the other hand, as shown in FIG. 40, in the five-value on-off control, not only the maximum / minimum inputs G 2+ and G 2− but after the vicinity of 1.2 s, minute inputs G 1+ and G 1− are added. Residual vibration is small. When the maximum amplitude of displacement after 1.5 s is compared, it is 382 μm in the ternary on-off control, whereas it is 154 μm in the quinary on-off control. It can be seen that the residual vibration is greatly removed in the control. From the above, it was verified that the multistage input is effective in removing residual vibration.

(実験結果)
3値のon−off制御、5値のon−off制御を行った場合の実験結果を図41、図42に示す。ただし、外乱は除振台の上方向高さ30cmの位置からB級軟式野球ボール(質量220g)を自由落下させることにより印加した。外乱は実験開始1s経過後に加えた。設計パラメータは計算機シミュレーションと同様である。
(Experimental result)
FIG. 41 and FIG. 42 show experimental results when ternary on-off control and quinary on-off control are performed. However, the disturbance was applied by allowing a B-class soft baseball (mass 220 g) to fall freely from a position 30 cm above the vibration isolation table. Disturbance was added 1 s after the start of the experiment. The design parameters are the same as in computer simulation.

図41に示すように、3値のon−off制御では1.2s付近以後に入力を加えておらず、残留振動が残っている。一方、図40に示すように、5値のon−off制御では、1.1s付近以後に最大/最小入力G2+、G2−ではなく、微小入力G1+、G1−を加えており、残留振動が小さくなっている。なお、1.5s後の変位の最大振幅を比較すると、3値のon−off制御では181μmであるのに対し、5値のon−off制御では55μmとなっており、5値のon−off制御において、計算機シミュレーション結果と同様に残留振動が大幅に除去されているのがわかる。以上より、多段型入力が残留振動の除去に効果的であることを検証した。 As shown in FIG. 41, in ternary on-off control, no input is applied after about 1.2 s, and residual vibration remains. On the other hand, as shown in FIG. 40, in the five-value on-off control, not only the maximum / minimum inputs G 2+ and G 2- but after the vicinity of 1.1 s, minute inputs G 1+ and G 1− are added, Residual vibration is small. When the maximum amplitude of displacement after 1.5 s is compared, it is 181 μm in the ternary on-off control, whereas it is 55 μm in the quinary on-off control. In the control, it can be seen that the residual vibration is largely removed as in the computer simulation result. From the above, it was verified that the multistage input is effective in removing residual vibration.

1、101 空圧式除振台
2、102 架台
3、103 除振台
4、104 空気ばね
4a、104a 内室
4b、104b 流入口
4c、104c バッファタンク
5、105 空圧回路
6、106 コンプレッサ
7、107(1)、107(2) 吸気用開閉弁
8、108(1)〜108(4) 排気用開閉弁
9、109 圧力センサ
10、110 変位センサ
11、111 レギュレータ
12、112 制御システム
13 A/Dコンバータ
14 制御用パーソナルコンピュータ
15 DSP
16 D/Aコンバータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Pneumatic anti-vibration base 2,102 Base 3, 103 Anti-vibration base 4,104 Air spring 4a, 104a Inner chamber 4b, 104b Inlet 4c, 104c Buffer tank 5, 105 Pneumatic circuit 6, 106 Compressor 7, 107 (1), 107 (2) Intake on / off valve 8, 108 (1) to 108 (4) Exhaust on / off valve 9, 109 Pressure sensor 10, 110 Displacement sensor 11, 111 Regulator 12, 112 Control system 13 A / D converter 14 Personal computer 15 for control DSP
16 D / A converter

Claims (6)

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(u)を、変換定数ゲイン(p)を介して、前記指令流量(u)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(p)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(u)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。
A vibration suppression control method for a pneumatic vibration isolation table system,
The pneumatic vibration isolator system is
A vibration isolation table,
An air spring supporting the vibration isolation table;
a pneumatic circuit for supplying and discharging compressed air to and from the air spring via at least one intake on-off valve taking on-off binary and at least one exhaust on-off valve taking on-off binary; ,
The air required to suppress vibration of the vibration isolation table by feeding back information on displacement (z) or speed in the vibration isolation direction of the vibration isolation table and pressure change (ΔP) of air in the air spring. A command flow rate of compressed air to the spring is calculated, and the command flow rate is converted into a discrete multi-valued operation flow rate obtained by an on-off operation of the intake on-off valve and the exhaust on-off valve. And a control system for providing the air spring with
Apply pressure feedback to the control system as minor feedback,
A command pressure change (ΔPc) is adopted as an operation amount input to the control system, and an error pressure change signal (u c ) between the command pressure change (ΔPc) and the minor feedback pressure change (ΔP) is converted. through the constant gain (p 1), by conversion to the command flow rate (u p),
The system including the control system and the controlled object after the pressure feedback is given by the equation (A), where x = z, x dot = z first derivative, and u = ΔPc as control inputs. Defined by the equation of state,
Formula (A)
However,
m: Mass of the vibration isolation table k: Spring constant of the air spring c: Viscosity constant of the air spring S: Contact area between the vibration isolation table and the air spring L: Dead time (from the time when the on-off command to the on-off valve is generated, the air spring Response delay until the start of pressure fluctuation within
In order to prevent the pressure control performance of the air spring from deteriorating due to the on-off operation of the on-off valve, a feedback modulator (FBM) is added after the conversion constant gain (p 1 ) in the control system,
In the feedback modulator (FBM), there are provided a saturation function and a quantizer having the same characteristics as the quantization function and the quantizer representing the quantization rule of the operation flow rate (Gd) obtained by the on-off operation of the on-off valve. In addition, the error of the input signal and output signal of the quantizer is fed back to the input signal,
Pneumatic anti-vibration table vibration suppression control method of the system, which comprises using a flow rate command modulated signal outputted from the feedback modulator (FBM) as the command flow rate (u p).
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。
In claim 1,
In order to prevent the pressure controllability of the air spring from deteriorating due to the dead time (L), F is used as a state feedback control gain for the command pressure change (ΔPc) input to the control system. Apply the state feedback represented by (B),
Formula (B)
Vibration of a pneumatic vibration isolation table system characterized in that a value of a state feedback gain (F) for guaranteeing stability of the control system including the dead time (L) is obtained by LMI (Linear Matrix Inequality) Suppression control method.
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(u)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(p)の前段に、式(C)で表される不感帯関数(Ψ)を追加し(u、u:不感帯関数の前後の信号、u=u)、
式(C)
前記フィードバック変調器FBMの入力信号(u)と出力信号(u)の誤差を抑制するために、前記変換定数ゲイン(p)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(u)を、飽和制限を加えた入力信号(u)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)
In claim 1 or 2,
In order to prevent the control by the control system from excessively reacting to the noise component included in the error pressure change signal (u c ), before the conversion constant gain (p 1 ) in the control system, A dead band function (Ψ) represented by the formula (C) is added (u 1 , u 2 : signals before and after the dead band function, u 1 = u c ),
Formula (C)
To suppress the error of the input signal of the feedback modulator FBM (u f) and the output signal (u p), during the conversion constant gain (p 1) and the feedback modulator (FBM), the formula (D ) Is added to the input signal (u 3 ) supplied to the feedback modulator (FBM) through the conversion constant gain (p1), and the input signal ( u f ) is supplied to the feedback modulator (FBM) as a vibration suppression control method of the pneumatic vibration isolation table system.
Formula (D)
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u、u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(u)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。
In claim 3,
In order to suppress the pressure deviation generated in the control result by the control system, a dead band compensator (H) represented by the formula (E) is added to the dead band function (Ψ),
Formula (E)
However,
α: Design parameter ξ: Difference between signals u 1 and u 2 before and after the dead band function An input signal (u 1) fed back to the error pressure change signal (u c ) by feeding back the signal component divided by the dead band function (Ψ) ) Is input to the dead band function (Ψ), the vibration suppression control method for the pneumatic vibration isolation table system.
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(u)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)
In any one of claims 1 to 4,
The pneumatic circuit includes one intake on-off valve and one exhaust on-off valve,
Depending on the value of the command flow rate (u p), according to the rules with the characteristics of the saturation function and a quantizer defined by the formula (F), the operation flow (Gd) 3 value for the air spring (G + , G , 0), and a vibration suppression control method for a pneumatic vibration isolation table system.
Formula (F)
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(u)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)
In any one of claims 1 to 4,
The pneumatic circuit includes two intake on-off valves (Val. # 1, Val. # 2) connected in parallel and four exhaust on-off valves (Val. # 3 to Val. # 6) connected in parallel. And
Depending on the value of the command flow rate (u p), the drive pattern of the on-off operation of the valves shown in the following table, with the characteristics of the saturation function and a quantizer defined by the formula (G) A pneumatic vibration isolation table characterized in that an operation flow rate (Gd: Control input) for the air spring is quantized to five values (G 2+ , G 1+ , G 1− , G 2− , 0) according to a rule. System vibration suppression control method.
Formula (G)
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