【摘要】：MEMS微陀螺儀是采用微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)和測控技術(shù)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(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軍用和民用等眾多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的單自由度微機(jī)械陀螺是通過讓驅(qū)動(dòng)和檢測模態(tài)的固有頻率相互匹配來提高其機(jī)械靈敏度,然而卻導(dǎo)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(shè)計(jì)缺陷,通過增加驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)傳感器中結(jié)構(gòu)的幾何非線性度較高,工作中會(huì)呈現(xiàn)出非線性動(dòng)態(tài)特性。因此開展剛度非線性下多自由度微陀螺的動(dòng)力學(xué)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(yīng)用領(lǐng)域具有顯著的指導(dǎo)意義。本文采用理論求解和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法,以雙驅(qū)動(dòng)雙檢測四自由度微陀螺為研究對象,研究主共振和1:1內(nèi)共振條件下剛度非線性對系統(tǒng)響應(yīng)幅值和固有頻率飄移的影響機(jī)理,以及時(shí)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(dòng)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(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性的影響提供理論依據(jù)。為對比立方非線性剛度和線性剛度對雙驅(qū)動(dòng)雙檢測微陀螺輸出信號(hào)的影響規(guī)律,首先采用復(fù)指數(shù)法對微陀螺動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解;其次采用多尺度法對微陀螺高維非線性動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行攝動(dòng)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(jié)構(gòu)參數(shù)擾動(dòng)對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),非線性導(dǎo)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(nèi)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(zhuǎn)移情況與驅(qū)動(dòng)二類似,內(nèi)共振參數(shù)的改變會(huì)對系統(tǒng)幅值的響應(yīng)情況產(chǎn)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(qū)動(dòng)力幅值對參數(shù)擾動(dòng)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(jìn)行了時(shí)滯速度反饋控制下的動(dòng)力學(xué)行為研究,通過多尺度法對微陀螺受控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行攝動(dòng)求解,分析了速度反饋增益和時(shí)滯參數(shù)對微陀螺輸出響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn),速度反饋增益在零時(shí)滯量時(shí)對系統(tǒng)輸出響應(yīng)幅值僅有調(diào)頻作用;時(shí)間滯后為半周期時(shí),反饋增益對響應(yīng)幅值具有調(diào)阻作用,且與無時(shí)滯時(shí)的情況相反;時(shí)間滯后在半周期和整周期之間時(shí),反饋增益對響應(yīng)幅值同時(shí)具有調(diào)頻調(diào)阻作用。提出了一種利用速度反饋增益調(diào)阻作用來控制微陀螺響應(yīng)幅值的方法,該方法通過協(xié)調(diào)靜電力幅值和速度負(fù)反饋增益在穩(wěn)定微陀螺響應(yīng)靈敏度的同時(shí)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(jìn)行了時(shí)滯位移反饋控制下的動(dòng)力學(xué)行為研究,從頻域和時(shí)域兩個(gè)不同角度分析了位移反饋增益和時(shí)滯參數(shù)對微陀螺輸出響應(yīng)幅值的影響。研究發(fā)現(xiàn),位移反饋增益在無時(shí)滯量時(shí),對幅頻響應(yīng)的影響主要表現(xiàn)在對共振頻率的調(diào)整上;當(dāng)時(shí)間滯后量為半個(gè)激勵(lì)周期時(shí),反饋增益對響應(yīng)幅值的影響與無時(shí)滯量時(shí)相反。當(dāng)時(shí)滯量為四分之一個(gè)周期或四分之三個(gè)周期時(shí),反饋增益對幅頻響應(yīng)的影響主要表現(xiàn)為對幅值大小的影響。時(shí)滯參數(shù)對微陀螺輸出響應(yīng)在時(shí)域范圍內(nèi)的影響直觀地表現(xiàn)在對響應(yīng)時(shí)間上,根據(jù)增益的取值來控制響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)振幅所需的時(shí)間,位移反饋增益的作用直觀地表現(xiàn)在對響應(yīng)振幅的影響。反饋控制參數(shù)的出現(xiàn)可能導(dǎo)致系統(tǒng)原本存在多穩(wěn)態(tài)振幅處的響應(yīng)變成單穩(wěn)態(tài)響應(yīng),但也可能出現(xiàn)類似混沌的復(fù)雜周期運(yùn)動(dòng)以及概周期運(yùn)動(dòng)等新的運(yùn)動(dòng)情況。
【學(xué)位授予單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH824.3
【圖文】：

第一章 緒論題研究背景及意義機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是微型機(jī)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(jī)械的、光學(xué)的或其他的合的綜合集成系統(tǒng)[2]。MEMS 均采用微型結(jié)構(gòu)，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(guān)的處理電路部分。系統(tǒng)是自然界的各種信息，輸入的信號(hào)通過微型傳感器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，處理單元對信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，最后通過微型執(zhí)行器將處理后的電信號(hào)物理信號(hào)并作用于外部環(huán)境[3]。MEMS 系統(tǒng)與外界相互作用的關(guān)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(yīng)用于汽車導(dǎo)航、消費(fèi)電子和移動(dòng)應(yīng)以及航空航天等高端科技領(lǐng)域，具有廣闊的發(fā)展和市場前景[8]。根據(jù)微陀同，可分為科氏效應(yīng)微振動(dòng)陀螺儀、固體微陀螺儀、流體微陀螺儀、懸浮、光學(xué)陀螺儀和原子陀螺儀。微振動(dòng)陀螺儀是最早使用的微陀螺儀，同時(shí)上使用最多且相對較成熟的陀螺儀[14]。

圖 2-1 雙驅(qū)動(dòng)雙檢測微陀螺結(jié)構(gòu)示意圖圖 2-2 雙驅(qū)動(dòng)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(hào)：2787367