精密电子制造装备中轴向移动结构的振动主动控制问题研究

In this project, the study is focused on the vibration control for axially moving system with high acceleration of precision electronic manufacturing equipment. Based on active vibration control idea and online/offline combined control scheme, robust adaptive boundary control algorithm combining with intelligent control technology is developed for governing the vibrations of axially moving system, and the theory and method of active vibration control are successfully applied to the precision electronics manufacturing equipment. The detail research content as following: 1)The dynamic model which characterized the structural vibration can be developed after dynamic analysis and geometric nonlinear characteristics analysis of axially moving system. 2) The high real-time control scheme aslo can be achieved after considering all aspects of requirements, such as control function, control algorithm and work time. 3) Robust adaptive boundary control algorithm combining with intelligent control technology is developed which control design are based on the original infinite dimensional partial differential equation. The spillover phenomenon is avoided. Theoretical analysis and mathematical proof for stability of axially moving system will be carried out. 4) In our SMT design platform, the proposed robust adaptive boundary control algorithm is embedded in the software system to carry out experimental research to verify its stability, reliability and validity. After successful implementation of this project, the theoretical basis and methods from the research results are provided for active vibration control of axially moving system. Also, these research results can be extended to the other flexible structure for active vibration control.

本项目以精密电子制造装备中大加速度轴向移动结构的振动控制为研究对象。基于主动控制思想，采用在线/离线相结合的控制方案，设计融合智能控制技术的鲁棒自适应边界控制方法，对轴向移动结构的振动进行主动控制，实现主动控制理论及方法在精密电子制造装备中的应用。具体研究内容：1）基于轴向移动结构的动力学和几何非线性特性分析，建立表征结构振动特性的动力学模型；2）综合考虑控制功能、算法和时间指标等各方面要求，确定满足控制系统高实时性的控制方案；3）直接面向结构无限维偏微分方程模型，设计融合智能控制技术的鲁棒自适应边界控制算法，避免控制溢出现象，并对系统稳定性进行理论分析和数学证明；4）在自主SMT装备研制平台，将设计的鲁棒自适应边界控制算法嵌入到软件系统开展实验研究，验证其稳定性、可靠性和有效性。本项目的成功实施，将为轴向移动结构的振动主动控制提供理论依据和方法，并可推广到其他柔性结构的振动主动控制中。

轴向移动结构被广泛应用于各类精密制造装备，但其弹性变形而产生的振动现象将直接制约装备的加工性能。轴向移动结构属于典型的分布参数系统，其偏微分方程数学模型具有无限维特点，对其振动主动控制设计具有非常大的难度，而基于降阶模型进行控制设计的传统控制方法将带来溢出稳定性、无限维增益矩阵计算困难和难以实际应用等问题。因此，为了克服上述问题和提高抑制振动效果，本项目已完成了如下研究：.1）基于轴向移动结构的实际工况，建立了包括大加减速动力学和S曲线加减速法动力学的轴向移动结构无限维偏微分方程模型；.2）直接基于结构无限维偏微分模型，采用Lyapunov直接法，将PID控制、鲁棒控制、自适应控制、Backstepping控制等技术用于轴向移动结构的振动边界控制策略设计；.3）基于上述研究成果，将观测器Backstepping和高增益观测器技术用于轴向移动结构的振动边界控制策略设计；.4）采用数学手段，对上述所设计的各类结构振动边界控制策略稳定性进行了严格的理论分析和数学证明；.5）项目组搭建了一个基于ARM的半实物仿真平台，基于获得的实验数据，对结构模型、边界控制算法和机械结构设计进行了优化。.上述轴向移动结构振动的主动控制研究都取得显著成果，其中在模型中考虑大减速速、基于ARM的半实物仿真平台、以及将经典Backstepping技术和观测器Backstepping技术的应用，都属于本项目首创研究。.项目执行三年以来，达到了预期的研究目标。在国内外期刊和会议上发表论文13篇（均标注该项目基金号），其中SCI论文1篇、EI期刊论文8篇、EI会议论文2篇。另有在审SCI源期刊论文8篇；申请发明专利5项；培养/协助培养研究生7名，其中毕业硕士4名、在读硕士1名、在读博士生2名；