TWI670924B - 振動控制系統 - Google Patents

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Abstract

一種振動控制系統，用以解決習知的振動控制裝置的位移精確度低及反應速度慢的問題。係包含：一致動器，具有至少一壓電材料結合一電極；一感測單元，位於該致動器上，用以偵測該致動器形變之加速度值；及一控制模組，具有一運算單元及一增益單元，該運算單元依據該感測單元偵測之加速度值及該致動器之狀況條件，產生一運算結果，該增益單元用以轉換該運算結果為一控制訊號，該控制訊號調整該致動器。振動控制系統係使用本案發明人提出之一倒數狀態空間系統之數個關係式表示，用以做狀態導數回授之閉迴路控制。

Description

振動控制系統
本發明係關於一種振動控制系統，尤其是一種反應快速、精確控制位移量的振動控制系統。
在光學、精密機械及微型馬達等領域中，需要做到振幅1毫米以下的位移，甚至是控制位移精密度在0.01毫米之技術，係可以應用壓電效應(Piezoelectric effect)，一種電能與機械能互換的現象，通過施加電壓於於一壓電材料，使該壓電材料為抵抗變化而產生機械形變。由於電壓值具有容易控制、可以快速調整及高精密度等特性，因此，以控制電壓改變壓電材料之形狀，係可以達到精確控制位移量的工作需求。
惟，壓電材料具有遲滯(Hysteresis)特性，導致作用電壓值與形變位移量並非完全線性關係，造成相同的電壓值在升壓過程與降壓過程中，分別對應不同的位移量，因此，應用壓電材料進行高精密度之加工，還必須通過回授控制(Feedback Control)調整輸入電壓，使修正後的位移量可以達到預期的結果。
一般回授控制可以表示為狀態空間(State Space)系統，再以狀態回授(State Feedback)將狀態、輸出(測量訊號)及輸入(回授訊號)以向量或矩陣表示，係可以使數學模式不受狀態、輸出及輸入的個數所影響，用以針對多輸入、多輸出的系統進行分析，以達到有效控制的目的。習知的 狀態空間系統關係式如下：(狀態空間系統方程式)
y=Cx(狀態輸出)
u=-ky(狀態輸出回授之控制輸入)
(狀態空間閉迴路系統方程式)其中，x為狀態向量；為狀態導數向量，係狀態向量x的一次微分；y為輸出向量；u為控制輸入向量；A為狀態矩陣；B為控制輸入矩陣；C為輸出矩陣；k為回授增益。故，狀態空間系統中，該狀態導數向量可用數學式表示為該狀態向量x及該控制輸入向量u的顯函數(Explicit Function)。
惟，普遍應用於偵測壓電材料之形變的加速度計，係讀取壓電材料位移之加速度值，而加速度無法以狀態向量表示，只能以狀態導數(State Derivative)向量表示，如此，進行壓電材料的回授控制，需要在習知的狀態空間系統架構下，以狀態導數回授(State Derivative Feedback)進行複雜且效能受限的運算，或是使用更多的積分器或額外的電腦對加速度值做積分運算，以得到速度值表示為狀態向量，再以相對容易的狀態回授進行控制工作，上述二種方法需耗費額外的編輯成本或設備成本，且運算缺乏效率。
有鑑於此，習知的控制方法確實仍有加以改善之必要。
為解決上述問題，本發明的目的是提供一種振動控制系統，直接以測量數據進行回授控制，而不需使用額外的積分器或電腦，係可以免於複雜運算及簡化系統。
本發明的振動控制系統，包含：一致動器，具有至少一壓電材料結合一電極；一感測單元，位於該致動器上，用以偵測該致動器形變之加 速度值；及一控制模組，具有一運算單元及一增益單元，該運算單元係具有一倒數狀態空間系統，將該感測單元偵測之加速度值及該致動器之狀況條件導入該倒數狀態空間系統，該運算單元產生一運算結果，該增益單元分別耦合連接該運算單元及該致動器之該電極，該增益單元用以轉換該運算結果為一控制訊號，該控制訊號調整該致動器。
其中，該倒數狀態空間系統由數個關係式表示，用以做狀態導數回授之閉迴路控制，該數個關係式係包含：(倒數狀態空間系統方程式)
(狀態微分輸出)
u=-ky(狀態微分輸出回授之控制輸入)
(倒數狀態空間閉迴路系統方程式)其中，x為狀態向量；為狀態導數向量，係該狀態向量x的一次微分；y為輸出向量；u為控制輸入向量；A為狀態矩陣；B為控制輸入矩陣；C為輸出矩陣；k為回授增益。
據此，本發明的振動控制系統，係使用一倒數狀態空間系統，係與習知的狀態空間系統相反，該狀態向量x可用數學式表示為該狀態導數向量及該控制輸入向量u的顯函數，如此，該倒數狀態空間可以直接導入量測到的加速度值，進行簡潔編輯之狀態導數回授，且免於使用額外的裝置做積分運算，係具有快速且精確控制及節省編輯成本的功效。
其中，該狀態矩陣及該控制輸入矩陣係表示該致動器之組成特性及結構，該狀態向量及該狀態導數向量係表示該致動器之變形。如此，形成該致動器的全部可能狀態的集合，係具有方便進行分析該致動器並建立模型的功效。
其中，該輸出矩陣係表示該感測單元位於該致動器之位置，該 輸出向量係表示該感測單元之偵測值。如此，形成該感測單元偵測該致動器的全部可能形變量的集合，係具有方便進行分析該致動器之形變量並建立模型的功效。
其中，該輸出向量表示之偵測值係包含加速度值。如此，該感測單元可以是普遍使用之加速度計，且不需通過微分、積分運算，係具有快速運算及節省成本功效。
其中，該輸出向量通過該回授增益，以該控制輸入向量對該致動器作用。如此，係具有控制該致動器變形狀態的功效。
其中，調整該回授增益，用以讓具有該狀態矩陣、該控制輸入矩陣及該輸出矩陣之閉迴路流程趨向穩定。如此，通過該回授增益控制系統可以簡化編輯運算流程，係具有快速穩定及精確控制的功效。
1‧‧‧致動器
2‧‧‧感測單元
3‧‧‧控制模組
31‧‧‧運算單元
32‧‧‧增益單元
x‧‧‧狀態向量
‧‧‧狀態導數向量
y‧‧‧輸出向量
u‧‧‧控制輸入向量
A‧‧‧狀態矩陣
B‧‧‧控制輸入矩陣
C‧‧‧輸出矩陣
k‧‧‧回授增益
〔第1圖〕本發明一較佳實施例的系統方塊圖。
〔第2圖〕本發明一較佳實施例的運算流程圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明振動控制系統的較佳實施例，係包含一致動器1、一感測單元2及一控制模組3，該感測單元2位於該致動器上，該控制模組3分別耦合連接該致動器1及該感測單元2。
該致動器1係可以包含至少一壓電材料結合一電極，該壓電材 料可以是聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Difluoride,PVDF)的共聚物，當該電極對該壓電材料施加電場時，該壓電材料係沿電場方向伸長，使該致動器1進行彎曲、形變等動作。
該感測單元2可以是加速度感測器，該感測單元2較佳位於該致動器1之彎曲面，該感測單元2係可以偵測該致動器1形變之加速度值。
該控制模組3包含一運算單元31，該運算單元31可以是微處理器，該運算單元31處理該感測單元2偵測之加速度值，及該致動器1之質量、剛性、電極位置、作用電壓值等狀況條件，該運算單元31係可以產生一運算結果用於回授控制。該控制模組3還可以具有一增益單元32，該增益單元32可以是運算放大器，該增益單元32分別耦合連接該運算單元31及該致動器1之電極，該增益單元32係可以轉換該運算單元31之運算結果為控制訊號，用以調整該致動器1之變化量。
請參照第2圖所示，其係本發明振動控制方法之閉迴路控制流程，係使用一倒數狀態空間(Reciprocal State Space,RSS)系統，由一狀態向量x表示狀態變數、一輸出向量y表示測量訊號及一控制輸入向量u表示控制訊號，而能夠簡潔編輯出狀態導數回授，通過數個系統關係式進行運算以完成閉迴路控制。
該數個倒數狀態空間系統關係式，包含：(倒數狀態空間系統方程式)
(狀態微分輸出)
u=-ky(狀態微分輸出回授之控制輸入)
(倒數狀態空間閉迴路系統方程式)其中，為狀態導數向量，係該狀態向量x的一次微分；A為狀態矩陣；B為控制輸入矩陣；C為輸出矩陣；k為回授增益。
上述本發明的振動控制方法用於本實施例中，該狀態向量x可 以是，則，其中，q表示位移量、表示速度及表示加速度；該狀態矩陣A可以表示該致動器1之質量、剛性、通電特性等條件；該控制輸入矩陣B可以表示該致動器1之剛性、通電特性、電位差等條件；該輸出向量y係該感測單元2所偵測之加速度值，則該輸出矩陣C可以是[0 c]，使y= ，其中，c與該感測單元2位於該致動器1之位置相關，如此，該感測單元2所偵測之加速度值係可以直接用於該倒數狀態空間系統，而不需要通過額外的積分器，具有運算精確及快速的功效；該控制輸入向量u係可以是輸入該致動器1之電量。
閉迴路之倒數狀態空間系統式係可以表示為，矩陣(A-BkC)之特徵值(Eigenvalues)即為閉迴路系統之特徵值的倒數，通過編輯該回授增益k，使矩陣(A-BkC)之特徵值的實部(Real Part)全為負值，又，任何實部為負值的複數，其倒數的實部亦為負值，而使閉迴路系統之特徵值的實部亦全為負值，再根據李雅普諾夫穩定性(Lyapunov Stability)理論，當該閉迴路系統特徵值的實部全為負值時，該閉迴路系統可以趨向穩定。如此，係可以簡化編輯法則，具有快速穩定及精確控制的功效。
綜上所述，本發明的振動控制系統，係使用一倒數狀態空間，可以直接導入量測到的加速度值，進行簡潔編輯之狀態導數回授，且免於使用額外的裝置做積分運算，係具有快速且精確控制及節省編輯成本的功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (7)

  1. 一種振動控制系統，包含：一致動器，具有至少一壓電材料結合一電極；一感測單元，位於該致動器上，用以偵測該致動器形變之加速度值；及一控制模組，具有一運算單元及一增益單元，該運算單元係具有一倒數狀態空間系統，將該感測單元偵測之加速度值及該致動器之狀況條件導入該倒數狀態空間系統，該運算單元產生一運算結果，該增益單元分別耦合連接該運算單元及該致動器之該電極，該增益單元用以轉換該運算結果為一控制訊號，該控制訊號調整該致動器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之振動控制系統，其中，該倒數狀態空間系統由數個關係式表示，用以做狀態導數回授之閉迴路控制，該數個關係式係包含：
    Figure TWI670924B_C0001
    (倒數狀態空間系統方程式)
    Figure TWI670924B_C0002
    (狀態微分輸出)u=-ky(狀態微分輸出回授之控制輸入)
    Figure TWI670924B_C0003
    (倒數狀態空間閉迴路系統方程式)其中，x為狀態向量；
    Figure TWI670924B_C0004
    為狀態導數向量，係該狀態向量x的一次微分；y為輸出向量；u為控制輸入向量；A為狀態矩陣；B為控制輸入矩陣；C為輸出矩陣；k為回授增益。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之振動控制系統，其中，該狀態矩陣及該控制輸入矩陣係表示該致動器之組成特性及結構，該狀態向量及該狀態導數向量係表示該致動器之變形。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之振動控制系統，其中，該輸出矩陣係表示該感測單元位於該致動器之位置，該輸出向量係表示該感測單元之偵測值。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之振動控制系統，其中，該輸出向量表示之偵測值係包含加速度值。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之振動控制系統，其中，該輸出向量通過該回授增益，以該控制輸入向量對該致動器作用。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之振動控制系統，其中，調整該回授增益，用以讓具有該狀態矩陣、該控制輸入矩陣及該輸出矩陣之閉迴路流程趨向穩定。
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