mems多域耦合非线性宏建模的轨迹分段线性化方法研究

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1、－学校代码１０６９９Ｉ分类号ＴＨ７０１一密学号２００８１００２９７题目ＭＥＭＳ多域親合非线性宏建模的轨迹分段线性化方法研究作者刘奎学科、专业微机电系统及纳米技术指导教师苑伟政申请学位曰期２０１５年４月西北工业大学博±学位论文（学位研究生）ＭＥＭＳ多域稱合非线性宏建模的轨迹分段线性化方法研究作者：刘董学科专业：微机电系统及纳米技术指导教师：苑伟政西北工业大学机电学院２０１５年４月ＭｅｔｌｉｏｄｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＮｏｎｌｉｎｅａｒＭｏｄｅｌＯ

2、ｒｄｅｒＲｅｄｕｃｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＴｒａｅｃｔｏｒＰｉｅｃｅｗｉｓｅＬｉｎｅａｒｉｚａ村ｏｎｆｏｒＭｕ村ｄｏｍａｉｎｊｙＣｏｕｐｌｉｎｇＭＥＭＳＢｙＬｉｕＹｉｎｇＵｎｄｅｒｔｈｅＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎｏｆＰｒｏｆｅｓｓｏｒＷｅｉｚｈｅｎｇＹｕａｎＡＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＳｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｙＩｎａｒｔｉａｌｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｄｅｒｅｅｏｆｐｑｇＤｏｃ

3、ｔｏｒｏｆＰｈｉｌｏｓｏｐｈｙｉｎＭＥＭＳａｎｄＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ’ＸｉａｎＲＲ．ＣｈｉｎａＡｐｒｉｌ２０１５摘要摘要航空、航天等国防科技领域对高端ＭＥＭＳ产品的需求，给ＭＥＭＳ产品的性能指标提出了更高要求，这使得ＭＥＭＳ产品的设计和开发面临新的挑战。而ＭＥＭＳ器件的微型化和多学科交叉的特性，使得ＭＥＭＳ的建模和仿真通常被及多物理场稱合，相应的动态行为方程具有非线性特性。因此在高端ＭＥＭＳ与１Ｃ联合仿真中，如何建立ＭＥＭＳ器件及非线性电路的非线性宏模型一，加速高端ＭＥＭＳ系统级设计与优化成为个

4、重要的研究课题。本文针对ＭＥＭＳ与１Ｃ联合仿真对具有高精度、高效率和良好扩展性的非线性宏模型的需求，研究了基于轨迹分段线性化（ＴＰＷＬ）方法的非线性宏建模方法，并利用非线性传输线电路、柔性热敏传感器、微机械开关、柔性微热执行器、平板式微热执行器和静电微粟隔膜对方法的有效性进行了分析验证：。主要研究工作如下１）针对目前非线性热电稱合问题宏建模研究的不足，利用ＴＰＷＬ方法解决了复杂结构的热电稱合ＭＥＭＳ器件的宏建模问题。ＷＭＥＭＳ柔性热敏传感器为例，分析了局部降阶阶数和线性化点个数对宏模型精度、阶数和运行时间的影响。研究结果表明，利

5、用ＴＰＷＬ方法生成的热电稱合宏模型在具有很高的仿真效率和近似精度的同时，还具有良好的可扩展性，可用于ＭＥＭＳ热电器件的优化设计和系统级仿真。２ＴＰＷＬ方法（ＴＰＷＬ－）提出了基于全局最大误差控制的改进ＧＭＥＣ方法），解决了ＴＰＷＬ方法难于选取高质量线性化点的问题。通过非线性传输线ＲＣ电路、非线性传输线ＲＬＣ电路和微机械开关验证了ＴＰＷ＾ＧＭＥＣ方法的有效性。相比于其他线性化点选择算法，本文方法既适用于单轨迹情形又适用于多轨迹情形，所生成的宏模型具有更小的阶数、更少的局部线性模型个数、更高的近似精度和更好的可扩展性。３）为了更好地实现Ｍ

6、ＥＭＳ热电器件的系统级仿真、减少其优化设计过程中的仿真工作量，Ｗ两个ＭＥＭＳ热微执行器为例，介绍了ＴＰＷ＾ＧＭＥＣ方法在ＭＥＭＳ热电器一件宏建模中的应用，进步展示了ＴＰＷ＾ＧＭＥＣ方法在提取非线性热电稱合宏模型时具有仿真精度高、降阶效果好、加速比高和扩展性好等优点。４）针对ＴＰＷ＾ＧＭＥＣ方法提取宏模型的计算花费略大于其他方法的不足，通过缩小线性化点选择范围和改变投影矩阵生成方式，提出了结合ＰＯＤ的二次选点ＴＰＷ＾ＧＭＥＣ方法－。该方法在保证精度的前提下，将ＴＰＷＬＧＭＥＣ方法的宏建模效率提高了数倍，从而弥补了其在宏建模效率方面的不足

7、。最后，Ｗ平板式热微执行器、微机械开关和静电微粟隔膜Ｈ个ＭＥＭＳ器件为例，展示了方法的实用性和有效性。关键词，，，，：微机电系统宏模型非线性降阶方法轨迹分段线性化－１－ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒｈｉ－ａｉｔＭＥＭＳｉｎａｖｉａｔｉｏｎａｅｒｏｓａｃｅａｎｄｏｔｅｒｉ－ｔｅｃｅｓｇｈｑｕｌｙ，ｐｈｈｇｈｈｆｉｌｄｌｅａｄｓｔｏｈｉｈｅｒｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｉｓｍａｋｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆｇｐｑ，