清華大學動力機械工程學系學位論文
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在液靜壓軸承系統中，熱變形所帶來之熱致誤差於所有精度誤差中占有相當程度的比例，因此本文針對一套具有高負載、高剛性、低轉速且高定位精度特性之臥式液靜壓工件主軸，探討其溫度對迴轉精度與熱變形之影響，同時引入Okuma公司所提出之熱親和概念，以降低熱變形導致之誤差問題。 在理論方面，本文首先建立液靜壓軸承設計之基本理論，並針對定壓式液靜壓對向墊軸承之構型，探討在不同之油腔內部壓力與供給壓力比值下，油膜剛性與承載力之性能表現；此外，本文著重於液靜壓軸承系統之熱致誤差解析，藉由計算液靜壓主軸運作中所產生之熱源，透過熱固耦合模型，分析整機之穩態溫度分布以及結構變形狀況，並應用熱親和概念進行構型修改，以降低熱致誤差。 在實驗方面，本文使用一套臥式液靜壓工件主軸，量測其於定轉速下，不同旋轉時長之迴轉精度表現，以及不同轉速下，主軸前端之軸向位移量並加以分析，並與數值模擬相互驗證；此外，建立HTM（Homogeneous Transformation Matrix）誤差矩陣，將誤差指標化，以利系統整合之誤差評估；最終期望透過機構構型之優化，以提升液靜壓軸承之精度表現。 關鍵字：臥式液靜壓工件主軸、熱致誤差、熱固耦合、熱親和
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一般而言，在旋轉機械中轉子會因質量分布不均而有質心偏移的情形發生，這導致轉子運轉時會受到不平衡干擾而產生震動。在控制方面來說，閉迴路控制器能提供系統穩定性及足夠的剛性，而補償的方式最好能在不影系統穩定性的前提下抑制不平衡干擾。故本研究將建立磁浮軸承不平衡干擾補償的前饋控制演算法，並透過模擬及實驗進行驗證。在前饋控制中，將以同步弦波偵測位移訊號的振幅及相對相位，結合反轉移函數矩陣計算前饋補償量及補償相位，並以同步脈衝訊號做為時間基準點進行補償。考慮系統鑑別計算以及訊號感測誤差會使得補償效果受限，因此論文中提出以牛頓法迭代準確的補償量及補償相位，以增進效能。
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本研究針對倒單擺系統，提出創新的姿態估測與控制方法，使人型輪式倒單擺機器人在縱向移動上具防打滑與一定的追跡能力。在姿態估測上，藉由重力向量恆定的特性以估測姿態，配合訊號融合技術與運動分析，達成此估測器的收斂性與性能。在控制器設計上，由分析倒單擺載具的動態，推導線性矩陣不等式(LMI)，一證明引入積分的防滑插值控制器的收斂性與設計方法，再以卡爾曼濾波器估測打滑狀況以獲得插值控制的插值指標，二證明無插值之強健線性控制器之收斂性與設計方法。最後以模擬與實作人型倒單擺機器人驗證理論的可行性。
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本研究以六自由度機械手臂為主要致動器的架構下，透過立體影像為類神經網路的輸入，應用於夾取空間中多樣化的物體。考量到資料科學上，數據蒐集與標記的繁瑣，我們提出一種自動化的方法，以移動的相機座標來模擬固定相機座標下拍攝到物體位置隨機分布的情形來生成資料，以這些前處理過後的照片作為訓練集(training set)，用以訓練類神經網路。深度學習部分，則採用卷積神經網路(Convolutional Neural Network)的架構，以物體辨識找出目標物，再分別進行形心與形狀估測。在機械手臂的部分，本系統使用六自由度的機械手臂加上一自由度的欠致動自適應性夾爪(underactuated adaptive gripper)，此自適應性夾爪可針對各式外型物品自動轉換成平行式與張角式夾爪，進行彈性化夾取。
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本篇論文提出以基礎自動控制理論分析動態次結構系統（DSS）之可次結構性，來預判DSS測試之效能、控制模態與仿真程度，並分析DSS測試保真度與受測元件參數之關聯性。DSS為複合測試的一種，其策略是將受測工程系統拆解為物理和數值次結構兩種子系統，其中參數已知且容易進行數值模擬的元件，利用數值建模的方式歸入「數值次結構」，而參數未知、具非線性行為且欲觀測之重要元件，則以全比例實際建構於「物理次結構」，物理次結構中安裝致動器和感測器，以同步數值模型與物理原型之介面訊號。 DSS測試不僅有致動器之控制補償問題，已有許多文獻提出DSS測試存在「動態性」限制，若拆解後的物理或數值次結構之原生參數不理想，易引起測試不穩定、測試結果失真或不可靠。因此本論文旨建構一套分析理論，統整「參數設計評估」、「控制模態設定」與「致動器選用」以預判分析工程系統之可次結構性及動態表現，避免低效率或無效之DSS測試，並評估合理正確的改善措施。 本論文提出一「可次結構性基礎函數」推導流程，並應用自動控制理論之頻域分析方法與靈敏度相關理論至可次結構性函數分析，以評估位移與力控制模態之穩定度、反應速度、暫態規格與頻域規格，再透過調整拆解方式或修改參數設計，可移動可次結構性函數之主極點，使DSS測試擁有更佳的效果。本論文以雙質量-彈簧-阻尼DSS與液壓阻尼DSS兩個工程系統為例，推導相關運動方程式與可次結構性函數，以數學、模擬與實驗方法驗證本論文的理論分析。本論文提出之可次結構性相關理論與知識，涵攝DSS測試之元件參數設計、控制模態設定與致動器系統選用，有助於工程實務上快速且有效地尋找出正確的DSS實踐方案，這是迄今所有文獻未能做到的。
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台灣地震發生頻繁，近年來更發生許多大地震造成嚴重損害，因此結構物減震研究持續受到重視。結構減震控制技術目前主要分為主動控制、被動控制與半主動控制，由於半主動控制比被動控制多了適應性，又比主動控制多了安全性，因此本研究採用磁流變阻尼器來實現半主動減震目的。過去文獻常用Bouc-wen模型模擬磁流變阻尼器之非線性遲滯動態，且有著高引用率的限幅最佳化控制法雖可以調控磁流變阻尼器之阻尼力，但控制電壓不連續使得細部追蹤控制無法有效達成。因此本論文以先前實驗室團隊提出之Duffing-like模型作為磁流變阻尼器的數學模型，應用在半主動減震工程，並深入討論Duffing-like模型之進階參數識別，藉由觀察遲滯曲線變化、基礎運動物理學與聯立方程式數學，找出Duffing-like模型參數唯一解，減少反覆試驗與錯誤嘗試的過程，使Duffing-like模型能夠迅速且正確地識別遲滯現象。接著本文再使用先前實驗室團隊提出之能量最佳化控制法調控磁流變阻尼器之阻尼力。 本研究使用國家地震工程研究中心之磁流變阻尼器與MTS油壓致動器為實驗設備，首先進行阻尼器遲滯模型之進階參數識別實驗，識別結果指出Duffing-like模型與實驗數據擬合相似度可達到90%以上。接著以Duffing-like模型設計能量最佳化控制方法之控制參數，並進行全數值模擬與動態次結構系統實驗。模擬與實驗結果都顯示能量最佳化控制法不但有效減少結構物位移，且相較於限幅最佳化控制法有較好的節能效果。此外，一系列識別與控制實驗證明本論文提出的Duffing-like模型進階參數識別方法，能夠精準、快速且有效地描述遲滯動態，提升半主動控制之減震效能。日後期望能將Duffing-like模型廣泛運用於識別不同的遲滯動態現象，並將能量最佳化控制法運用於有遲滯現象的減震元件，解決遲滯減震元件的控制難題。
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