時(shí)滯控制下的微梳狀驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、天津大學(xué)碩士學(xué)位論文時(shí)滯控制下的微梳狀驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)研究NonlinearDynamicsofFoldedMEMSCombDriveResonatorswithtimedelayedcontrol一級(jí)學(xué)科學(xué)科專(zhuān)業(yè)作者姓名指導(dǎo)教師天津大學(xué)機(jī)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(jī)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵并且應(yīng)用最為廣泛的驅(qū)動(dòng)器之一，微梳狀驅(qū)動(dòng)器在性能、制造、應(yīng)用范圍的提升對(duì)于微機(jī)電整體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。對(duì)比不同的驅(qū)動(dòng)方式，靜電

2、驅(qū)動(dòng)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、易于控制，是微梳狀結(jié)構(gòu)中最廣泛使用的驅(qū)動(dòng)方式。由于微機(jī)電系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)、尺寸特點(diǎn)，在非線性的靜電驅(qū)動(dòng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性。微梳狀結(jié)構(gòu)在某些條件下的非線性振動(dòng)限制了驅(qū)動(dòng)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(huì)使靜電力驅(qū)動(dòng)梳齒狀驅(qū)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是很有必要的。本文對(duì)微梳狀驅(qū)動(dòng)器的單自由度模型的非線性振動(dòng)進(jìn)行了

3、分析，通過(guò)攝動(dòng)法和傅里葉積分求解方程，得到各個(gè)動(dòng)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(dòng)力參數(shù)和結(jié)構(gòu)物理參數(shù)兩方面綜合分析，可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)器的正常工作范圍、控制驅(qū)動(dòng)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(diǎn)、信號(hào)傳輸速度限制等因素，造成時(shí)滯現(xiàn)象廣泛存在于各類(lèi)微機(jī)電系統(tǒng)中。但在現(xiàn)在的實(shí)際設(shè)計(jì)中卻幾乎不考慮利用時(shí)滯因素對(duì)系統(tǒng)的有效控制。經(jīng)過(guò)分析，靜電驅(qū)動(dòng)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(shí)滯現(xiàn)象加以利用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制的作用。由于利用時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有造價(jià)低、驅(qū)動(dòng)電壓低、質(zhì)量因子高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，可以利用時(shí)滯反饋控制穩(wěn)定系統(tǒng)輸出，補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)改變，提高驅(qū)動(dòng)器的整體性能。在微梳狀驅(qū)動(dòng)器的直、交流兩種驅(qū)動(dòng)電壓中，加入速度時(shí)滯反饋和位移時(shí)滯反饋，建立了時(shí)滯影響下的微梳狀驅(qū)動(dòng)器的單自由度模型。假設(shè)驅(qū)動(dòng)器以微小振幅振動(dòng)，將含速度或位移時(shí)滯反饋的靜電驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行泰勒近似展開(kāi)，

5、應(yīng)用多尺度法得到時(shí)滯參數(shù)影響下系統(tǒng)的幅頻響應(yīng)方程。驅(qū)動(dòng)頻率在共振頻率附近時(shí)，系統(tǒng)非線性振動(dòng)隨時(shí)滯參數(shù)改變時(shí)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(dòng)頻率和軟硬特性不同。可以通過(guò)改變時(shí)滯參數(shù)控制不同物理參數(shù)下的系統(tǒng)的振動(dòng)的穩(wěn)定范圍和幅值。經(jīng)過(guò)計(jì)算并使用數(shù)值方法驗(yàn)證了結(jié)論，對(duì)比不同的兩種時(shí)滯反饋控制方法得到：正速度時(shí)滯參數(shù)引起系統(tǒng)振動(dòng)失穩(wěn)，負(fù)速度時(shí)滯參數(shù)可使振動(dòng)幅值跳躍現(xiàn)象消失；負(fù)位移時(shí)滯參數(shù)引起系統(tǒng)振動(dòng)失穩(wěn)，正位移時(shí)滯參數(shù)使振