双驱动双检测微陀螺刚度非线性下的动力学特性及其时滞反馈研究

发布时间：2020-08-09 16:24

【摘要】：MEMS微陀螺仪是采用微机电系统加工技术和测控技术研制的一类用来测量角速度和角位移的惯性器件,以体积小、功耗低、可靠稳定等优点被广泛应用于军用和民用等众多领域。传统的单自由度微机械陀螺是通过让驱动和检测模态的固有频率相互匹配来提高其机械灵敏度,然而却导致了带宽和鲁棒性的大幅降低。为了解决单自由度微陀螺固有的设计缺陷,通过增加驱动和检测模态自由度数的方法被相继提出。另一方面,微陀螺这种高精度的动态传感器中结构的几何非线性度较高,工作中会呈现出非线性动态特性。因此开展刚度非线性下多自由度微陀螺的动力学行为以及控制问题的研究,对于提高多自由度微陀螺研发水平、拓宽微陀螺应用领域具有显著的指导意义。本文采用理论求解和数值仿真相结合的方法,以双驱动双检测四自由度微陀螺为研究对象,研究主共振和1:1内共振条件下刚度非线性对系统响应幅值和固有频率飘移的影响机理,以及时滞速度、位移反馈控制对含刚度非线性的四自由度微陀螺动态性能的控制作用,研究成果可为控制或消除刚度非线性对多自由度微陀螺动态性能及稳定性的影响提供理论依据。为对比立方非线性刚度和线性刚度对双驱动双检测微陀螺输出信号的影响规律,首先采用复指数法对微陀螺动力学方程进行求解;其次采用多尺度法对微陀螺高维非线性动力学方程进行摄动分析,探究刚度非线性以及系统参数对共振幅频曲线、共振频率、灵敏度和输出带宽的影响规律;最后通过局部分岔理论分析环境和结构参数扰动对系统动态性能的影响。研究发现,非线性导致的幅值跳跃、多稳态解等不稳定现象均发生在输出带宽外,对带宽内灵敏度影响很小;不同主共振参数下,检测模态的能量转移情况与驱动二类似,内共振参数的改变会对系统幅值的响应情况产生较大的影响;对微陀螺非线性系统的局部分岔研究发现,连接解耦框架的微梁的刚度系数和静电驱动力幅值对参数扰动起着主要作用。对含有刚度非线性的四自由度微陀螺系统进行了时滞速度反馈控制下的动力学行为研究,通过多尺度法对微陀螺受控系统的动力学方程进行摄动求解,分析了速度反馈增益和时滞参数对微陀螺输出响应的影响。研究发现,速度反馈增益在零时滞量时对系统输出响应幅值仅有调频作用;时间滞后为半周期时,反馈增益对响应幅值具有调阻作用,且与无时滞时的情况相反;时间滞后在半周期和整周期之间时,反馈增益对响应幅值同时具有调频调阻作用。提出了一种利用速度反馈增益调阻作用来控制微陀螺响应幅值的方法,该方法通过协调静电力幅值和速度负反馈增益在稳定微陀螺响应灵敏度的同时提高其灵敏度稳定性削弱非线性影响。对含有刚度非线性的四自由度微陀螺系统进行了时滞位移反馈控制下的动力学行为研究,从频域和时域两个不同角度分析了位移反馈增益和时滞参数对微陀螺输出响应幅值的影响。研究发现,位移反馈增益在无时滞量时,对幅频响应的影响主要表现在对共振频率的调整上;当时间滞后量为半个激励周期时,反馈增益对响应幅值的影响与无时滞量时相反。当时滞量为四分之一个周期或四分之三个周期时,反馈增益对幅频响应的影响主要表现为对幅值大小的影响。时滞参数对微陀螺输出响应在时域范围内的影响直观地表现在对响应时间上,根据增益的取值来控制响应达到稳态振幅所需的时间,位移反馈增益的作用直观地表现在对响应振幅的影响。反馈控制参数的出现可能导致系统原本存在多稳态振幅处的响应变成单稳态响应,但也可能出现类似混沌的复杂周期运动以及概周期运动等新的运动情况。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH824.3
【图文】：

第一章 绪论题研究背景及意义机电系统（MEMS）是微型机械电子系统（Micro-Electro-Mechanical Sys，是指微型化器件与电路的组合，把电子功能与机械的、光学的或其他的合的综合集成系统[2]。MEMS 均采用微型结构，旨在使器件在极小的空间的功效；主要包括微型传感器、微型执行器和相关的处理电路部分。系统是自然界的各种信息，输入的信号通过微型传感器转化为相应的电信号，处理单元对信号进行转换和处理，最后通过微型执行器将处理后的电信号物理信号并作用于外部环境[3]。MEMS 系统与外界相互作用的关系如图 1

第一章 绪论件中最为重要的传感器之一，被广泛应用于汽车导航、消费电子和移动应以及航空航天等高端科技领域，具有广阔的发展和市场前景[8]。根据微陀同，可分为科氏效应微振动陀螺仪、固体微陀螺仪、流体微陀螺仪、悬浮、光学陀螺仪和原子陀螺仪。微振动陀螺仪是最早使用的微陀螺仪，同时上使用最多且相对较成熟的陀螺仪[14]。

图 2-1 双驱动双检测微陀螺结构示意图图 2-2 双驱动双检测微陀螺集总参数模型向：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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本文编号：2787367