高科技厂房精密仪器工作平台的微振混合控制

　　1　引言

　　在经济全球化的带动下,以信息革命、高新技术产业发展、网络知识创新为重要内容的科学技术革命,已经成为全世界范围内经济增长的主要动力。芯片和大规模集成电路是高科技产品的核心部件,这些高科技产品都需要大量高精密仪器设备在严格的无尘和无环境噪声干扰的大型高科技厂房中进行加工。高精密仪器正常工作所需要的工作环境往往是近乎苛刻的,如Ungar[1,2]等人对不同仪器设备正常工作环境下的地面容许最大脉动速度的研究表明:普通工厂加工车间的容许地面最大脉动速度为800mm/s,普通光学设备正常工作时的脉动速度不能大于50mm/s,而半导体加工厂、精密光学设备正常运行时的要求更为苛刻,其正常情况下工作平台速度不大于3.2mm/s。

　　然而,高科技厂房大都建造于城市高技术开发区,周围汽车、城市轻轨和地铁运行引起的环境噪声和振动都会对高科技厂房内精密仪器设备的正常运行造成严重影响。如何减小由高科技厂房周围车辆引起的微幅振动,尤其是竖向微幅振动,保障高精密仪器设备在车辆等外部因素引起的微幅振动下的正常运行,已经成为结构和振动工程领域的一项重要研究课题。

　　本文以一座典型的三层高科技厂房作为分析实例,为了考虑梁柱和楼板竖向变形对工作平台竖向微幅振动产生的影响,首先采用有限单元法建立了二维高科技厂房的运动方程。在此基础上,建立了安装隔振装置和安装混合控制系统的高科技厂房精密仪器工作平台的动力分析模型,并采用子优化控制方法,确定了混合控制系统的控制规律。通过对该高科技厂房不安装控制装置、安装被动隔振装置以及安装混合控制系统三种不同情况在车辆运行所引起的竖向微幅振动下的反应分析表明,采用被动隔振装置能在一定程度上降低由车辆引起的微幅振动,而混合控制相比于被动隔振能够更有效地降低精密仪器工作平台的竖向微幅振动,具有更强的抑振性能和更好的稳定性。

　　2　车辆荷载模型和精密仪器正常运行振动评价标准

　　建立准确的由车辆运行所引起的地面竖向微幅振动分析模型是本文分析的关键。车辆运行所引起的地面微幅振动受很多因素的影响,包括车辆载重量大小和前后轮距、道路等级、路面运行车辆的分布特征、场地土的动力特性、厂房至道路的距离等。Hunt[3]对车辆运行所引起的地面微幅振动的力学分析模型进行了较为深入的研究,且其理论分析结果得到了较好的实验验证,本文采用该模型确定高科技厂房的地面输入。Hunt将车辆运行时在距离大于车辆运行平均间距的地面某点上所引起的竖向振动模拟为平稳随机过程,其位移功率谱表示如下: