As environmental vibration requirements on precision equipment become more stringent, use of pneumatic vibration isolation tables has become more popular and their performance is subsequently required to be further improved. Dynamic performance of passive pneumatic vibration isolation table is related to various design parameters in a complicated manner and that in low frequency range is inherently limited by resonance or volume of pneumatic chambers in practice. In addition, employment of the pneumatic isolation table has bad influences on the settling time when the excitation is due to payload.
In this study, an active control technique, so called time delay control which is considered to be adequate for low frequency control or nonlinear system, is applied to pneumatic vibration isolation table to enhance the isolation performance regardless of frequency of ground excitation as well as to reduce the settling time for the payload excitation. Prior to application of the time delay control to the pneumatic table, a technique is proposed to compensate the slow response characteristics of pneumatic actuator by feedforward control. It uses the dynamic model of a pneumatic actuator derived in this thesis. The procedure of applying the time delay control law to the pneumatic isolation table is presented. Its effectiveness of the proposed active pneumatic control technique in enhancement of both transmissibility performance and reduction of settling time is shown by simulation and experiments. Comparisons with passive pneumatic isolation table are also presented.
Firstly, the state equations for pneumatic vibration isolation table are derived and then the time delay controller which is designed based on the transmissibility is applied to the pneumatic table. Its effectiveness is shown through the simulation for both ground and payload excitation.
To apply the time delay control, dynamic pressure control of chamber by valve actuation is needed. A dynamic model which is a form of transcendence function is derived and compared with measured results. From the dynamic model, $2^{nd}$ order transfer function is deduced to describe the pneumatic actuator dynamics and the feedforward control by it is applied to the pneumatic actuation system. As a result of application, the precise dynamic pressure control is possible under the large static pressure.
The pneumatic vibration isolation table which is actively controlled for 1 DOF (z) and 3 DOF (z, $θ_x$, $θ_y$) is realized practically by time delay control and then the problems produced in realization are solved. To apply the time delay control to the pneumatic table, only acceleration sensors are installed and the modified integration are used to obtain states of the pneumatic table, i.e., displacement and velocity. The low pass filter is also employed to eliminate the measurement noise.
The isolation performance of active pneumatic isolation table is evaluated by normalized transmissibility matrix. The mean value of averaged transmissibility of active one is 0.17 while the passive one is 2.33; the ratio between them is 0.07. In addition, the settling time of active isolation table is approximately 5 times faster than passive one.
광학 또는 반도체 장비의 성능 보장을 위한 진동허용기준을 만족하기 위해 공압제진대가 보편적으로 사용되고 있다. 최근, VC 및 NIST 기준 등과 같이 환경 진동과 관련하여 저주파수 영역에 대한 진동허용규제가 강화됨에 따라, 제진 성능 개선에 대한 요구도 함께 증가하고 있는 실정이다. 본 논문에서는 10Hz 미만의 저주파수 영역에서의 제진 성능 개선 및 정착 시간 감소를 위해 능동형 공압제진대의 설계 기법을 제안하고자 한다. 공압제진대로의 적용시 다양한 이점을 가지는 시간지연 제어기법을 적용하여 지반 진동에 대한 제진 성능 향상과 동시에 수동형 공압제진대 사용시 단점으로 지적되는 제진대 상부 가진에 대한 정착시간 감소 효과도 함께 보이고자 한다.
제 2장에서는, 시간지연 제어기법의 공압제진대로의 적용에 따른 이점과 제진대로의 적용을 위한 방법에 대하여 논하였다. 우선적으로 모사실험을 위하여 1자유도, 6자유도 공압제진대 계에 대한 운동 방정식을 유도하였다. 유도된 1자유도, 6자유도 공압제진대 계를 대상으로 각각 1자유도(z), 3자유도(z, $θ_x$, $θ_y$)에 대하여 시간지연 제어기법 적용, 그에 따른 효과를 모사실험을 통하여 확인하였다. 적용된 시간지연 제어기는 지반 진동에 대한 제진대의 성능 지표로 사용되는 전달률의 실효치를 기준으로 설계하였으며, 모사 실험 결과, 시간지연 제어기법의 적용을 통해 지반진동에 대한 제진 성능 개선 뿐만 아니라, 상부 가진에 대한 정착 시간 감소 효과가 동시에 가능함을 보였다.
제 3장에서는, 구동기로 사용되는 노즐-플래퍼 형식의 비례제어밸브를 이용한 챔버 내의 압력 제어 방법에 대하여 논하였다. 우선적으로 밸브, 공압 라인, 챔버로 구성되는 구동기에 대한 수학적 모형을 제안하였다. 그리고, 밸브로의 입력 전압과 챔버에서의 출력 압력 사이의 주파수응답함수를 챔버와 공압 라인을 변화시키며 측정하였고, 이를 제안된 모형과 비교하여 제안된 모형의 실효성을 검토하였다. 구동부의 수학적 모형은 주파수 역에서 초월함수 형태로 유도지만, 이를 구동부의 압력 응답 특성 개선을 목적으로 사용하기 위해서는 유한한 차수를 가지는 정수차 모형이 필요하다. 구동부 각 부분의 영향을 고려하여 압력 응답 특성 개선을 위해 사용될 구동부 모형의 차수를 결정하였다. 기존에 알려진 것과 달리, 대상 계를 1차가 아닌 2차 혹은 4차로 보는 것이 적절하다고 판단하였으며, 이중 공압 라인 길이가 길지 않은 경우를 고려, 최종적으로 2차로 보는 것이 적절하다고 판단하였다. 구동기를 1차로 본 경우의 결과와 비교/검토하여 2차 전달함수를 기초로 하여 피드포워드 이론을 적용한 경우, 구동기로서의 성능 즉, 원하는 압력 제어가 가능함을 보였으며, 4장에서 사용될 시간지연 제어기법 적용을 위한 구동기로 사용하였다.
제 4장에서는, 시간지연 제어기법을 실제로 적용하기 위한 절차에 대하여 논하였으며, 공압제진대 1자유도/3자유도 제어 후 성능 개선에 대하여 수동형 공압제진대와 비교하여 고찰하였다. 지반 측정용 고감도 가속도계를 이용하여 제진대 상부의 가속도를 측정하였으며, 수정적분기를 이용한 속도 및 변위 정보 산출 방법에 대하여 기술하였다. 그리고, 시간지연 제어 적용시의 안정 구간에 대해 고찰하였으며, 시간지연 제어를 적용한 능동형 공압제진대의 제진 성능과 상부 가진에 대한 정착시간을 수동형 공압제진대와 비교하였다. 지반 진동 절연 성능 비교를 위하여 제진 성능 인자를 정의하고, 이를 기준으로 수동형에 비해 7% 정도로 지반 진동 절연 성능이 개선되었음을 보였다. 상부 가진에 대한 정착시간의 경우도 수동형과 비교하여 약 5배 정도 단축됨을 보였으며, 이는 시간지연 제어기법의 적용을 통해 지반 진동과 상부 가진에 대한 성능이 모두 향상되었음을 의미한다.
본 연구는 공압제진대를 대상으로 지반 진동/상부 가진에 대한 성능 향상을 목적으로 시간지연 제어기법을 이용한 능동형 공압제진대 설계 절차를 제안하였다. 노즐-플래퍼 형식의 비례제어밸브를 이용한 챔버내의 공압 제어 방법을 제안하였으며, 이를 바탕으로 시간지연 제어기법을 적용한 후, 지반 진동에 대해서는 절연 성능 향상을, 상부 가진에 대해서는 정착시간 감소효과를 실험을 통하여 검증하였다.
