時滯控制下的微梳狀驅動器動力學研究.pdf

1、天津大學碩士學位論文時滯控制下的微梳狀驅動器動力學研究NonlinearDynamicsofFoldedMEMSCombDriveResonatorswithtimedelayedcontrol一級學科學科專業(yè)作者姓名指導教師天津大學機械工程學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)中最關鍵并且應用最為廣泛的驅動器之一，微梳狀驅動器在性能、制造、應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。對比不同的驅動方式，靜電

2、驅動設備相對簡單、容易實現(xiàn)、易于控制，是微梳狀結構中最廣泛使用的驅動方式。由于微機電系統(tǒng)自身的結構、尺寸特點，在非線性的靜電驅動力的作用下會產(chǎn)生復雜的動力學特性。微梳狀結構在某些條件下的非線性振動限制了驅動器的穩(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動梳齒狀驅動器產(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)整體進行動力學分析是很有必要的。本文對微梳狀驅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，得到各個動力學參數(shù)影響系統(tǒng)的等效剛度和幅頻響應。從靜電驅動力參數(shù)和結構物理參數(shù)兩方面綜合分析，可以實現(xiàn)擴大驅動器的正常工作范圍、控制驅動器輸出、提升反應靈敏度、提高使用壽命的目的。由于系統(tǒng)反應滯后、結構自身特點、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，靜電驅動微梳狀結構的靜電力本身就存在反饋效果，這很容易

4、引起吸合效應，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、驅動電壓低、質量因子高、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，提高驅動器的整體性能。在微梳狀驅動器的直、交流兩種驅動電壓中，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動器的單自由度模型。假設驅動器以微小振幅振動，將含速度或位移時滯反饋的靜電驅動力進行泰勒近似展開，

5、應用多尺度法得到時滯參數(shù)影響下系統(tǒng)的幅頻響應方程。驅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)，負速度時滯參數(shù)可使振動幅值跳躍現(xiàn)象消失；負位移時滯參數(shù)引起系統(tǒng)振動失穩(wěn)，正位移時滯參數(shù)使振