靜電微機電系統的動力學與魯棒控制研究

《靜電微機電系統的動力學與魯棒控制研究》是依託北方工業大學，由何廣平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：靜電微機電系統的動力學與魯棒控制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：何廣平
• 依託單位：北方工業大學

項目摘要

本申請項目旨在基於約束力學的理論方法，研究靜電微機電系統(MEMS) 的動力學性質，探索非完整約束靜電MEMS器件的動力學最佳化設計和魯棒控制的新原理、新方法及其套用。擬通過動力學分析，提出和證明靜電MEMS器件中存在非完整約束的一般條件，分析非完整約束靜電MEMS器件的幾何相位運動特徵；通過動力學綜合研究，探索非完整約束靜電MEMS器件動力學最佳化設計的新原理和魯棒穩定控制的新方法；通過對非完整約束靜電MEMS器件幾何相位運動的檢測和分析，研究靜電MEMS器件中微尺度動力學效應的作用機理，為靜電MEMS器件的動力學實驗研究提供新的有效技術途徑。相關研究成果對推動MEMS技術發展具有重要的學術和套用價值。

結題摘要

本項目以發展靜電MEMS器件的動力學分析、綜合與控制理論為目標，經過四年的研究，課題組在靜電MEMS器件的機電耦合動力學建模方法、靜電驅動諧振式微致動器動力學中非完整約束的存在性證明、靜電微致動器的非線性“吸合”效應分析、消除靜電微致動器“吸合”效應的輸出反饋魯棒控制器設計方法、用於實現靜電微致動器片上閉環控制的魯棒觀測器設計方法、MEMS微致動器（包括靜電驅動、壓電驅動）動態特性的光學測量方法、基於都卜勒測振儀的諧振式靜電微致動器的幾何相位運動檢測方法、基於雙穩態柔順機構的靜電驅動梳齒電容精密裝配方法、欠驅動三自由度微機械陀螺的設計與控制方法等方面進行了研究，並獲得了重要研究進展。核心研究結果表明，諧振式多自由靜電微機電系統通常是欠驅動動態系統；可控欠驅動系統通常是非完整約束系統；基於動力學綜合，一定條件下欠驅動非完整約束靜電微機電系統的機電耦合動力學模型可以通過微分同胚變換，轉化為高階線性系統，從而使複雜的多自由度MEMS器件可以通過線性狀態反饋進行全局穩定閉環控制；基於這一重要發現，克服了靜電MEMS器件的非線性“吸合”效應，實現了靜電微驅動器的全行程穩定控制；以靜電驅動器的全局穩定閉環控制為基礎，提出了兩種欠驅動三自由度柔順機構MEMS陀螺角速度感測器的設計方案，揭示了這種單驅動模態雙敏感模態MEMS陀螺感測器具有更好的測量穩定性的動力學原理，並通過計算仿真和試驗測試得到驗證。通過本項目，課題組建立起了以都卜勒測振儀為核心的MEMS器件動態特性測量平台，對靜電驅動MEMS諧振器、壓電驅動MEMS諧振器、柔性襯底壓電敏感觸覺感測器等多種動態MEMS器件得動態特性進行了測量分析，取得了較多新的發現。通過本項目研究獲得的以上成果，為發展複雜MEMS器件動力學分析與控制理論做出了貢獻。