時滯控制下的微梳狀驅(qū)動器動力學(xué)研究.pdf

1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文時滯控制下的微梳狀驅(qū)動器動力學(xué)研究NonlinearDynamicsofFoldedMEMSCombDriveResonatorswithtimedelayedcontrol一級學(xué)科學(xué)科專業(yè)作者姓名指導(dǎo)教師天津大學(xué)機械工程學(xué)院二零一五年十二月一奄一直年T一月中文摘要作為微機電系統(tǒng)中最關(guān)鍵并且應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動器之一，微梳狀驅(qū)動器在性能、制造、應(yīng)用范圍的提升對于微機電整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。對比不同的驅(qū)動方式，靜電

2、驅(qū)動設(shè)備相對簡單、容易實現(xiàn)、易于控制，是微梳狀結(jié)構(gòu)中最廣泛使用的驅(qū)動方式。由于微機電系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)、尺寸特點，在非線性的靜電驅(qū)動力的作用下會產(chǎn)生復(fù)雜的動力學(xué)特性。微梳狀結(jié)構(gòu)在某些條件下的非線性振動限制了驅(qū)動器的穩(wěn)定工作范圍，降低了其工作可靠性，即使是很小的物理參數(shù)改變，也可能會使靜電力驅(qū)動梳齒狀驅(qū)動器產(chǎn)生較大影響，甚至產(chǎn)生吸合現(xiàn)象，造成系統(tǒng)失穩(wěn)，因此對系統(tǒng)整體進行動力學(xué)分析是很有必要的。本文對微梳狀驅(qū)動器的單自由度模型的非線性振動進行了

3、分析，通過攝動法和傅里葉積分求解方程，得到各個動力學(xué)參數(shù)影響系統(tǒng)的等效剛度和幅頻響應(yīng)。從靜電驅(qū)動力參數(shù)和結(jié)構(gòu)物理參數(shù)兩方面綜合分析，可以實現(xiàn)擴大驅(qū)動器的正常工作范圍、控制驅(qū)動器輸出、提升反應(yīng)靈敏度、提高使用壽命的目的。由于系統(tǒng)反應(yīng)滯后、結(jié)構(gòu)自身特點、信號傳輸速度限制等因素，造成時滯現(xiàn)象廣泛存在于各類微機電系統(tǒng)中。但在現(xiàn)在的實際設(shè)計中卻幾乎不考慮利用時滯因素對系統(tǒng)的有效控制。經(jīng)過分析，靜電驅(qū)動微梳狀結(jié)構(gòu)的靜電力本身就存在反饋效果，這很容易

4、引起吸合效應(yīng)，造成系統(tǒng)失穩(wěn)。然而，如果把時滯現(xiàn)象加以利用，可以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制的作用。由于利用時滯對系統(tǒng)進行控制，具有造價低、驅(qū)動電壓低、質(zhì)量因子高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，可以利用時滯反饋控制穩(wěn)定系統(tǒng)輸出，補償系統(tǒng)參數(shù)改變，提高驅(qū)動器的整體性能。在微梳狀驅(qū)動器的直、交流兩種驅(qū)動電壓中，加入速度時滯反饋和位移時滯反饋，建立了時滯影響下的微梳狀驅(qū)動器的單自由度模型。假設(shè)驅(qū)動器以微小振幅振動，將含速度或位移時滯反饋的靜電驅(qū)動力進行泰勒近似展開，

5、應(yīng)用多尺度法得到時滯參數(shù)影響下系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)方程。驅(qū)動頻率在共振頻率附近時，系統(tǒng)非線性振動隨時滯參數(shù)改變時發(fā)生跳躍現(xiàn)象。不同的直流電壓等物理參數(shù)狀態(tài)下的系統(tǒng)振動頻率和軟硬特性不同?？梢酝ㄟ^改變時滯參數(shù)控制不同物理參數(shù)下的系統(tǒng)的振動的穩(wěn)定范圍和幅值。經(jīng)過計算并使用數(shù)值方法驗證了結(jié)論，對比不同的兩種時滯反饋控制方法得到：正速度時滯參數(shù)引起系統(tǒng)振動失穩(wěn)，負(fù)速度時滯參數(shù)可使振動幅值跳躍現(xiàn)象消失；負(fù)位移時滯參數(shù)引起系統(tǒng)振動失穩(wěn)，正位移時滯參數(shù)使振