采用新开发的精密高响应压力调节器主动控制气动隔振台
Tomonori Kato, Kenji Kawashima, Tatsuya Funaki, Harus Laksana Gunter, and Toshiharu Kagawa
摘要
压力调节器是气动系统中的主要元器件。通常使用浮雕型精密压力调节器来控制承担主动控制作用的气动隔振器的供应压力。在本文中，我们首先提出了一种可实现的气动压力调节器，它能够实现精确的压力控制和快速响应。这种压力调节器由一个等温室，一个伺服阀，一个压力传感器，一个快速响应层流传感器（QFS）和一个我们开发的压力差分器（PD传感器）组成。同时室内压力的轻微变化，控制压力可通过PD传感器检测腔室中压力的轻微变化，并将其反馈到伺服阀以将压力保持在期望值。与商业上可获得的压力调节器相比较，本实验证实了所开发的调节器的有效性，可使用性。然后，将开发的调节器应用于主动控制的气动隔振台，以调节供应压力。在实验中也显示了我们开发的压力调节器的有效性，特别是在避免受到调节器上游给出的干扰的影响方面效果显著。
2007年1月10日收到的手稿。
加藤友森正在上机械系统工程课程,东京都学院 Monozukuri 工程系工业技术, 1-10-40 东井, 品川, 东京, 140-0011日本 (电子邮件: kato@tokyo-tmct.ac.jp)。
川岛健二是东京精密和智能实验室技术学院, 横滨市御堂区长田町4259神奈川县, 日本 222-8503 (电邮: kkawashi@pi.titech.ac.jp)
船崎达雅是日本国家计量研究所的AUIST 筑波先进工业科学技术研究所中部 3号, Umezono 1-1-1-1, Tsukuba, 茨城县, 305-8563 日本 (电邮:funaki.t@aist.go.jp)
哈鲁斯·拉克萨纳·贡图尔是精密和智能实验室的东京理工学院, 横滨中东区长田町4259
神奈川县市, 日本 226-8503 (电邮:harus@k-k.pi.titech.ac.jp)
香川俊春拥有东京精密智能实验室技术学院, 横滨市御堂区长田町4259神奈川县, 日本 222-8503 (电邮: kagawa@pi.titech.ac.jp)
1 引言
气动隔振器广泛用于将精密机械与振动隔离，因为空气弹簧可以在相对较低的能量下支持较高的负载[1]。空气弹簧通常由伺服阀主动控制，以减弱从地板传递的振动并抑制工作台上的振动，例如，在超精密机械中，经常运用的扫描仪和步进机的扫描仪。它们用于半导体生产工艺[2,3]。通过主动控制实现隔离振动频率的高稳定性和带宽。大多数空气弹簧系统由喷嘴挡板式气动伺服阀控制，因为它们具有高响应性和高线性度。为了控制振动隔离器的气动供应压力，通常使用市售的精密压力调节器。压力调节器是气动系统中必不可少的设备。为了控制可燃气体的压力，使用气体调节器。另一方面，由于大多数气动系统都允许漏气，因此减压型压力调节器被广泛使用[4]。然而，大多数商用精密气动压力调节器的响应相对较慢。特别是这种超精密机械的调节器，需要协调快速响应和压力精度。在目前的状况下，由于商用压力调节器的性能不够，通常在调节器和隔离器的伺服阀之间设置缓冲罐。但是，这种方法仍然无法解决问题。在本文中，我们提出了一种新型气动压力调节器，它可以协调精确的压力控制和快速响应。这种压力调节器由一个等温室，一个阀芯式伺服阀（SP阀），一个压力传感器，一个快速响应层流传感器（QFS）和一个我们开发的压力差分器（PD传感器）组成。我们开发的差动器 (PD 传感器),提出了更有效的结构和设计方法.
第二章介绍了所提压力调节器的结构和设计方法。
在第三章中进行介绍制造的压力调节器的性能测试。
然后在第四章中，开发出的压力调节器用于控制主动控制的气动隔振器的供给压力，同时证明压力调节器的有效性。
最后，在第五章中，验证结论。
表格一：
命名
A: 空气弹簧面积 [m2]
c: 阻尼系数 [N/m]
fc: 切断频率 [Hz]
GIn: 输入流量 [kg/s]
Gout: 输出流量 [kg/s]
k: 弹簧系数 [N/m]
Kgi: 整体增益 [Pa s/kg]
Kv: 一个缓冲型的增益 [kg/s Pa]
L: 缝隙的长度 [m]
M: 质量 [公斤]
P: 压力 [Pa]
Pref: 设置压力值 [Pa]
Ps: 供应压力 [Pa]
R: 气体常数 [J/k)]
T: 时间常数[s]
Tp： 压力控制回路的时间【s】
V: 体积 [m3]
Vd： 压力体积差分 [m3]
theta;: 温度 [K]
2 精密高响应压力调节器的研制
- 压力调节器的组成
所提出的压力调节器的布置和图片如图1和图2所示。
图2开发的压力调节器的图片
一个快速响应层流传感器（QFS） 压力差分器（PD传感器）
阀芯式伺服阀（SP阀）
图1提出的压力图
压力调节器的组件是SP阀（FESTO MPYE-5-M5-SA），一个QFS，一个等温室，一个PD传感器和一个压力传感器（TOYODA PD-64S500K）。虽然SP阀有5个端口，但阀门用作3口型伺服阀，有供给、控制和排气口。未使用的2个端口已插入。在以前的工作中开发了“等温室容器”[5]。该腔室填充有金属棉，这使得腔室中的状态变化几乎等温。在等温压力容器中填充金属棉，若外部空气温度theta;a和V是已知的，Pc的变化速度和G是成比例的。
本研究中使用的等温室具有体积V.本研究中使用的等温室具有体积V 是 1.0 10-x [m3].
QFS和PD传感器也是在以前的工作中开发的。QFS是一种差压式流量传感器，其动态特性在之前的研究中使用“非定常流量发生器”进行校准。[6]。“PD传感器”是一种能够以高分辨率和高响应测量气压差分值的传感器[7]。本研究中使用的压力差分计PD传感器的图像和结构如图3和图4所示。
图3压力微分器的照片
图 4 PD 传感器的结构
PD传感器由等温室，圆柱形狭缝型流道和膜片式差压传感器组成。上图显示了传感器结构。所提出的压力微分计包括等温室，圆柱形狭缝通道，隔膜式差压计和压力传感器。与以前提出的传感器[7]相比，更新的传感器具有圆柱形狭缝通道而不是狭缝式层流元件，以改善响应时间并使其易于组装。当测量的压力改变时，空气流过狭缝通道，然后腔室中的压力稍微改变。。当待测量下部的容器内压力Ps改变时，通过毛细管的等温压力容器中的压力Pc稍晚变化，并且此时的压差Pj = Ps-Pc被施加到膜片式差压计上，可以获得Ps的微分值。
通过用压力表测量压差，压差Pj的微分值变为带有一阶滞后滤波器[7]的微分压力值的T倍.这里，mu;，L，V，P c，rho;c，r 1和r 2表示空气的粘度，狭缝的长度，等温室容积，室压力，大气压下的空气密度，内径壳体的外壳和腔室的外径。因此，所提出的传感器的截止频率给出为当P的微分值的期望频带远低于截止频率fc时，所提出的装置充当压力微分器。
所提出的压力微分计的构成如图4所示。如图4所示，所提出的压力微分计由等温压力容器、隔膜差压计和层流阻力管组成
在图4中，当测量的压力P改变时，空气流过圆柱形流道进入等温室，等温室中的压力P c略微落后于P.
通过测量压差 p = Pminus;pc [Pa] ，可以计算P的微分值。
本研究中使用的PD传感器的分辨率约为200 [Pa / s]，和传感器的测量动态特性约为190 [Hz]。
B.控制器的设计
所提出的压力调节器的目的是将等温室中的压力保持在设定值。
目标部件（即，气动隔振器）连接到等温室的下游。
重要的一点是，当在压力调节器的供应或下游发生压力或流速的扰动时，等温室中的压力应保持稳定或立即恢复。
所提出的压力调节器的框图如图5所示。
图5拟议压力调节器框图
SP阀的特性近似为Kv。
压力反馈回路是主回路，同时有2个小回路。
其中一个次要循环（称为“次循环1”）是一个流速控制回路。
该回路有效地补偿SP阀的非线性特性。
这个小环1还可以减少从压缩机到SP阀的供应压力变化的影响[8]。
描述为“次要循环2”的另一个次循环是估计和补偿输出流速Gout。
这将是对压力控制的干扰。
由于体积V的腔室是“等温腔室”，腔室中的状态变化是等温的。
通过在等温条件下空气状态方程的总微分，可以导出以下等式。
（1）
因此，通过QFS测量G in，并通过PD传感器测量dP / dt，
输出，即G out的估计值可由方程式计算得出。 （2）。
（2）
通过将积极地送回到流量控制器，当在等温室的下游发生扰动时，可以立即恢复压力P.
通常认为G out可以通过像QFS这样的流量传感器来测量，但是流量传感器可以是阻力，导致数百帕斯卡的不期望的压力损失。
在图2中，假设次回路的稳定时间比压力控制回路短得多，压力控制回路的传递函数可以表示为等式（3）。
比例控制器增益Kp设定为1.19* 10-7Kg/Pa ，以使Tp = 0.1 [s]。
然后，假设流量环（小循环1）的参考值是G ref，并且积分控制器增益是K gi，流量控制环的传递函数可以编写为Eq。 （4）。
（4）
在这里，K v在非常精确的意义上是非线性的。
在该研究中，在供给端口处的压力为500 [kPa abs]并且控制端口处的压力为约300 [kPa abs]的条件下使用SP阀（FESTO MPYE-5-M5-SA）。
在这些条件下，K v可以近似为 。
如最后一段所述，次循环1 T G的时间常数应远小于T p。
K gi设定为 ，所以T G约为0.0075 [s]。
因此，T p：T G = 15：1。控制器的采样时间为0.1 [mu;s]。
3调节器的性能测试
A.实验仪器
为了测试所提出的压力调节器的性能，配置了图6和图7中所示的装置。
图6测试实验装置供应压力变化的影响
图7测试实验装置下游流量变化的影响
在图6中，为了在调节器的上游产生干扰，设置一个在分流的流动通道，其附接有可变限制器和手动阀，以及转子型流量计。
在图7中，另一个SP阀设置在等温室的下游，为了给在调节器下游产生干扰。
为了比较，使用市售的精密调节器（SMC IR-2020）代替使用所提出的调节器进行相同的实验。
B.上游给出干扰
对于图6所示的实验装置，首先设定压力值P sv，设定为300 [kPa abs]。
在压力P足够稳定后，在t = 30 [s]时，打开手动阀。
P s和P的实验结果分别如图8和图9所示。
图8给出上游扰动时的 p 剖面
图9压力 P 的实验结果, 当给出了上游扰动
在图9中，所提出的调节器获得的结果与300 [kPa abs]的设定值非常吻合。
即使扰动是在t = 30 [s]时给出的，压力几乎不受干扰。同时，市售精密调节器获得的结果具有约500 [Pa]的稳态误差，此外，在给出干扰之后，误差变大。
C.在下游给出的干扰
对于图7所示的实验装置，首先，将设定压力值P sv设定为300 [kPa abs]。
在压力P足够稳定之后，在t = 20 [s]时，控制信号电压E 2到SP阀2改变为等式（5）。
图10测量和估计的流速
图11下游压力的实验结果干扰给出
扰动的形状G out如图10所示。在图10中，是由等式(2)计算的流量值。
G和QFS2的测量流量在图10测量结果中很好地对应。
这保证了所提出的压力调节器的理论有效性。
实验结果在图11中进行了比较。
在此，还示出了所提出的压力调节器对市售精密调节器的优越性。
4开发调节器在空气弹簧系统中的应用
A.空气弹簧系统
在本章中，所提出的压力调节器应用于精密机械的主动控制气动隔振器的供应压力控制。
主动控制的气动隔离台主要由有效载荷，空气弹簧，喷嘴挡板式伺服阀，位移传感器，加速度传感
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资料编号：[1398]
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