【摘要】：MEMS微陀螺儀是采用微機電系統(tǒng)加工技術和測控技術研制的一類用來測量角速度和角位移的慣性器件,以體積小、功耗低、可靠穩(wěn)定等優(yōu)點被廣泛應用于軍用和民用等眾多領域。傳統(tǒng)的單自由度微機械陀螺是通過讓驅動和檢測模態(tài)的固有頻率相互匹配來提高其機械靈敏度,然而卻導致了帶寬和魯棒性的大幅降低。為了解決單自由度微陀螺固有的設計缺陷,通過增加驅動和檢測模態(tài)自由度數(shù)的方法被相繼提出。另一方面,微陀螺這種高精度的動態(tài)傳感器中結構的幾何非線性度較高,工作中會呈現(xiàn)出非線性動態(tài)特性。因此開展剛度非線性下多自由度微陀螺的動力學行為以及控制問題的研究,對于提高多自由度微陀螺研發(fā)水平、拓寬微陀螺應用領域具有顯著的指導意義。本文采用理論求解和數(shù)值仿真相結合的方法,以雙驅動雙檢測四自由度微陀螺為研究對象,研究主共振和1:1內共振條件下剛度非線性對系統(tǒng)響應幅值和固有頻率飄移的影響機理,以及時滯速度、位移反饋控制對含剛度非線性的四自由度微陀螺動態(tài)性能的控制作用,研究成果可為控制或消除剛度非線性對多自由度微陀螺動態(tài)性能及穩(wěn)定性的影響提供理論依據。為對比立方非線性剛度和線性剛度對雙驅動雙檢測微陀螺輸出信號的影響規(guī)律,首先采用復指數(shù)法對微陀螺動力學方程進行求解;其次采用多尺度法對微陀螺高維非線性動力學方程進行攝動分析,探究剛度非線性以及系統(tǒng)參數(shù)對共振幅頻曲線、共振頻率、靈敏度和輸出帶寬的影響規(guī)律;最后通過局部分岔理論分析環(huán)境和結構參數(shù)擾動對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),非線性導致的幅值跳躍、多穩(wěn)態(tài)解等不穩(wěn)定現(xiàn)象均發(fā)生在輸出帶寬外,對帶寬內靈敏度影響很小;不同主共振參數(shù)下,檢測模態(tài)的能量轉移情況與驅動二類似,內共振參數(shù)的改變會對系統(tǒng)幅值的響應情況產生較大的影響;對微陀螺非線性系統(tǒng)的局部分岔研究發(fā)現(xiàn),連接解耦框架的微梁的剛度系數(shù)和靜電驅動力幅值對參數(shù)擾動起著主要作用。對含有剛度非線性的四自由度微陀螺系統(tǒng)進行了時滯速度反饋控制下的動力學行為研究,通過多尺度法對微陀螺受控系統(tǒng)的動力學方程進行攝動求解,分析了速度反饋增益和時滯參數(shù)對微陀螺輸出響應的影響。研究發(fā)現(xiàn),速度反饋增益在零時滯量時對系統(tǒng)輸出響應幅值僅有調頻作用;時間滯后為半周期時,反饋增益對響應幅值具有調阻作用,且與無時滯時的情況相反;時間滯后在半周期和整周期之間時,反饋增益對響應幅值同時具有調頻調阻作用。提出了一種利用速度反饋增益調阻作用來控制微陀螺響應幅值的方法,該方法通過協(xié)調靜電力幅值和速度負反饋增益在穩(wěn)定微陀螺響應靈敏度的同時提高其靈敏度穩(wěn)定性削弱非線性影響。對含有剛度非線性的四自由度微陀螺系統(tǒng)進行了時滯位移反饋控制下的動力學行為研究,從頻域和時域兩個不同角度分析了位移反饋增益和時滯參數(shù)對微陀螺輸出響應幅值的影響。研究發(fā)現(xiàn),位移反饋增益在無時滯量時,對幅頻響應的影響主要表現(xiàn)在對共振頻率的調整上;當時間滯后量為半個激勵周期時,反饋增益對響應幅值的影響與無時滯量時相反。當時滯量為四分之一個周期或四分之三個周期時,反饋增益對幅頻響應的影響主要表現(xiàn)為對幅值大小的影響。時滯參數(shù)對微陀螺輸出響應在時域范圍內的影響直觀地表現(xiàn)在對響應時間上,根據增益的取值來控制響應達到穩(wěn)態(tài)振幅所需的時間,位移反饋增益的作用直觀地表現(xiàn)在對響應振幅的影響。反饋控制參數(shù)的出現(xiàn)可能導致系統(tǒng)原本存在多穩(wěn)態(tài)振幅處的響應變成單穩(wěn)態(tài)響應,但也可能出現(xiàn)類似混沌的復雜周期運動以及概周期運動等新的運動情況。
【學位授予單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TH824.3
【圖文】：

第一章 緒論題研究背景及意義機電系統(tǒng)（MEMS）是微型機械電子系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Sys，是指微型化器件與電路的組合，把電子功能與機械的、光學的或其他的合的綜合集成系統(tǒng)[2]。MEMS 均采用微型結構，旨在使器件在極小的空間的功效；主要包括微型傳感器、微型執(zhí)行器和相關的處理電路部分。系統(tǒng)是自然界的各種信息，輸入的信號通過微型傳感器轉化為相應的電信號，處理單元對信號進行轉換和處理，最后通過微型執(zhí)行器將處理后的電信號物理信號并作用于外部環(huán)境[3]。MEMS 系統(tǒng)與外界相互作用的關系如圖 1

第一章 緒論件中最為重要的傳感器之一，被廣泛應用于汽車導航、消費電子和移動應以及航空航天等高端科技領域，具有廣闊的發(fā)展和市場前景[8]。根據微陀同，可分為科氏效應微振動陀螺儀、固體微陀螺儀、流體微陀螺儀、懸浮、光學陀螺儀和原子陀螺儀。微振動陀螺儀是最早使用的微陀螺儀，同時上使用最多且相對較成熟的陀螺儀[14]。

圖 2-1 雙驅動雙檢測微陀螺結構示意圖圖 2-2 雙驅動雙檢測微陀螺集總參數(shù)模型向：1 1 1 2 1 2 2 1 2 1 2 22 2 2 1 2 3 2 2 1 2 3 2( ) ( )( ) ( ) ( ) 0dfm x c c x c x k k x k x Fm m x c x c c x k x k k x + + + + = + + + + + = 向：

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本文編號：2787367