چکیدهدر این پایان نامه دو روش مختلف کنترلی برای کنترل مد تحریک یک ژیروسکوپ محور z طراحی می شود. روش اول یک کنترلر PD است که با استفاده از روش زیگلر- نیکولز طراحی می گردد و به این شکل تخمین سرعت دورانی ورودی ممکن می شود. این تخمین با استفاده از روش حداقل مربعات بازگشتی انجام می پذیرد. به این صورت یک راه ساده تر برای طراحی کنترلر ارائه می کند و می تواند در مواقعی که اغتشاشات خارجی و نویز کوچکی در سیستم وجود دارد، مورد استفاده قرار گیرد. روش دوم یک کترلر تطبیقی مدل مرجع بهبود یافته است که پاسخ گذرای هموارتری را ایجاد می کند و رفتار مقاومی در برابر اغتشاشات خارجی، نویزهای اندازه گیری و نامعینی های مدل از خود نشان می دهد. کنترلر تطبیقی مدل مرجع پیشنهادی برای ژیروسکوپ MEMS محور z تخمین همزمانی از سرعت زاویه ای حاصل می آورد و به صورت همزمان پارامترهای نامعین ژیروسکوپ شامل ضرایب فنریت و میرایی را تخمین می زند. بنابراین عیوب حاصل از ساخت و نویز ها و اغتشاشات متغیر با زمان قابل جبرانسازی خواهد بود. این تخمین ها با استفاده از خطای ردگیری بین خروجی مدل مرجع و خروجی واقعی تجدید[1] می گردد. مدل مرجع می بایست طوری طراحی شود تا شرایط تحریک پایا را فراهم سازد تا پارامترهای تخمین زده شده بتوانند به مقادیر واقعی خود همگرا شوند. کلمات کلیدی: ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS ؛ کنترل فرآیند تحریک؛ کنترل تطبیقی؛ کنترل PD ؛ روش حداقل مربعات بازگشتی. فهرست مطالب صفحهچکیده ..................................................................................................................................................................... 1فصل اول : ژیروسکوپهای میکرو الکترومکانیکی(میکرو ژیروسکوپها)MEMS1-1- مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS .............................................................122-1 - گام های توسعه در تکوین ژیروسکوپ های ارتعاشی ........................................................153-1- تعریف مفاهیم بایاس، ضریب تبدیل، ضریب کیفیت و پهنای باند ...................................184-1- اصول عملکرد میکرو ژیروسکوپ ارتعاشی .............................................................................5-1- ساختارهاي معمول ميكروجايروها ..........................................................................................6-1- تقسيم بندي ساختاري ميكروجايروها ....................................................................................1-6-1- ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي (جرم متمركز) ..............................................................2-6-1- ميكروجايروی ارتعاشي ديسكي ..........................................................................................3-6-1- ميكروجايروی موجي حلقوي ...............................................................................................4-6-1- ميكرو جايروهاي ارتعاشي شاخه‌اي ....................................................................................1-4-6-1- میکرو جایروی دیاپازونی .................................................................................................5-6-1- ميكروجايروهاي اپتيكي (نوري MOEMS) ..................................................................1-5-6-1- ميكروجايروهاي نوري (ليزري) ...................................................................................... 20232424252728293132فصل دوم : تبیین فرآیند تحریکدر ژیروسکوپ های ارتعاشی1-2- مقدمه ..........................................................................................................................................362-2- تحریک پارامتری ........................................................................................................................393-2- معادله ماتئو .................................................................................................................................414-2- ویژگی های خاص تحریک .......................................................................................................435-2- اصول مربوط به فرآیند تحریک ...............................................................................................446-2- اصول مربوط به تحریک در ژیروسکوپ دیاپازونی ...............................................................447-2- طراحی و تفهیم مدار تحریک حلقه بسته .............................................................................468-2- سنسورها و مکانیزم های تحریک ............................................................................................509-2- مدل دینامیکی ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS انتخابی در این پروژه ........................... 54فصل سوم : طراحی کنترلر PDمد تحریک یک ژیروسکوپ MEMS برای تخمین سرعت دورانی1-3- مقدمه ...........................................................................................................................................592-3- کنترلر PID................................................................................................................................593-3- طراحی کنترلرPD برای کنترل موقعیت دو محوره یک ژیروسکوپ ارتعاشی MEMS................................................................................................................................................. 614-3- تخمین پارامتر ها به روش حداقل مربعات بازگشتی ..........................................................625-3-قضیه تحریک پایا ....................................................................................................................... 65فصل چهارم :کنترلر تطبیقی مدل مرجع بهبودیافته برای کنترل ژیروسکوپ MEMS1-4-مقدمه ...........................................................................................................................................672-4-کنترلر تطبیقی ...........................................................................................................................711-2-4- کنترلرتطبیقیمدل مرجع(MRAC) .............................................................................743-4- کنترلر تطبیقی مدل مرجع بهبود یافته ................................................................................فصل پنجم : نتایج شبیه سازی761- 5- کنترلر PD ................................................................................................................................852-5- کنترلر تطبیقی مد لغزشی با استفاده از صفحه لغزنده تناسبی و انتگرالی ....................933-5- کنترلر تطبیقی مدل مرجع بهبودیافته ................................................................................. 97فصل ششم : جمع بندی مطالب و نتیجه گیری و پیشنهاداتی برای مطالعات آینده1- 6- جمع بندی مطالب و نتیجه گیری ........................................................................................1042-6- پیشنهاداتی برای مطالعات آینده ............................................................................ 106مراجع .................................................................................................................................................107 فهرست اشکال صفحهشکل 1-1- پهنای باند در سیگنالهای آنالوگ ...................................................................................19شکل 2-1- اثر کوریولیس .......................................................................................................................20شکل3-1- رزوناتور تیری شکل با مقطع مثلثی و المانهای پیزوالکتریک .....................................22شكل 4-1-يك نمونه ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي ...................................................................25شكل 5-1- مدل ديناميكي ميكروجايروي ارتعاشي نقطه‌اي ...........................................................25شكل-a6-1- ميكروجايروي ارتعاشي ديسكي ..................................................................................26شكلb-6-1- ميكروجايروي ارتعاشي ديسكي و تقدم محورها ....................................................27شکل 7-1- انواع ساختارهاي جايروهاي ارتعاشي حلقوي...............................................................28شكل 8-1- دياپازون سه‌شاخه و نحوه ارتعاش آن .............................................................................29شكل 9-1- كواپازون چهار شاخه ..........................................................................................................29شكل10-1- ميكروجايرو دياپازوني .......................................................................................................30شكل 11-1- نماي بالاي يك ميكروجايروي پيزوالكتريك ..............................................................31شكل12-1-تير با دو تكيه‌گاه مفصلي .................................................................................................31شكل 13-1- نماي شماتيك ژيروسكوپ ارتعاشي نوري ميكروماشين شده ................................33شكل 14-1- نماي شماتيك ژيروسكوپ MOEM.........................................................................34شکل 1-2- طبقه بندی رزونانس خارجی ..........................................................................................شکل 2-2- طبقه بندی رزونانس داخلی .............................................................................................شکل3-2- تحریک عمودی متناوب در نتیجه نوسان آونگی میله یکنواخت .............................شکل5-2- شماتیک میکرو ژیروسکوپ ................................................................................................38394245شکل6-2A-- مدار رابط سیگنال سنس و درایو B- مدار معادل ..................................................48شکل 7-2- سنسور پیزوالکتریک ...........................................................................................................50شکل 8-2- سنسور پیزو رزیستور .........................................................................................................51شکل 9-2- مکانیزم خازنی ....................................................................................................................52شکل10-2-مکانیزم تحریک الکترومغناطیسی .................................................................................54شکل 11-2- نمای شماتیک از یک ژیروسکوپ MEMS محور z ............................................56شکل1-4- شمای کلی MRAC.........................................................................................................74شکل 1-5- شماتیک شبیه سازی انجام شده در نرم افزار سیمولینک .........................................87شکل 2-5- ردگیری پارامتر موقعیت در برابر .........................................................................87شکل 3-5- ردگیری پارامتر سرعت در برابر ...........................................................................88شکل 4-5- ردگیری پارامتر موقعیت در برابر .........................................................................88شکل 5-5- ردگیری پارامتر سرعت در برابر ...........................................................................89شکل 6-5- تخمین و مقدار واقعی ...................................................................................................90شکل 7-5- خطای تخمین ................................................................................................................90شکل 8-5- تخمین و مقدار واقعی ...................................................................................................91شکل 9-5- خطای تخمین ................................................................................................................91شکل 10- 5- تخمین و مقدار واقعی ...........................................................................................92شکل 11- 5- تخمین و مقدار واقعی در حضور یک نویز سفید با میانگین صفر .................93شکل 12- 5- شماتیک شبیه سازی انجام شده در نرم افزار سیمولینک .....................................94شکل 13- 5-(الف) خطای موقعیت در راستای محور x . (ب) خطای موقعیت در راستای محور y . (ج) خطای سرعت در راستای محور x . (د) خطای سرعت در راستای محور y ...... 95شکل 14-5-(الف) ترم لغزشی اول () . (ب) ترم لغزشی دوم () (ج) سیگنال کنترلی محور x (د) سیگنال کنترلی محور y ................................................................................................... 96شکل 15- 5- مقدار حاصل شده برای ........................................................................................97شکل16- 5- شماتیک شبیه سازی انجام شده در نرم افزار سیمولینک .......................................98شکل17- 5- خطای موقعیت در راستای محور x .............................................................................99شکل 18- 5- خطای موقعیت در راستای محور y ...........................................................................99شکل 19- 5- خطای سرعت در راستای محور x ..............................................................................100شکل 20- 5- خطای سرعت در راستای محور y ..............................................................................100شکل21- 5- تلاش کنترلی در راستای محور x ................................................................................101شکل22- 5- تلاش کنترلی در راستای محور y ................................................................................101شکل23- 5- ورودی واقعی و تخمین زده شده برای سرعت دورانی .............................................102 فهرست جداول صفحهجدول1-3: تنظیمبهرهکنترلرPID ...............................................................................................60جدول2-3: قوانین تنظیم دستی کنترلرPID ..............................................................................60جدول1- 5: پارامترهای ژیروسکوپ MEMS .............................................................................86 فصل اول ژیروسکوپهای میکرو الکترومکانیکی(میکرو ژیروسکوپها) MEMS1- 1- مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMSمیکروژیروسکوپها، ژیروسکوپ های بسیار کوچک یک و یا دو محوره هستند که با تکنولوژی نیمه هادی ها و مدارات مجتمع ساخته می شوند. از لحاظ ساختاری شامل تراشه هائی هستند با زیر لایة کوارتزی با ابعاد از چند میلیمتر مربع تا میکرون، که به روش فتولیتوگرافی و روش های مشابه آن به صورت سازه های ارتعاشی صفحه ای تهیه می شوند.به دلیل عدم امکان استفاده از ساختارهای یاتاقانی و موتورهای محرک از نوع ژیروسکوپ های کلاسیک (به خاطر ابعاد و اندازه های کوچک)، در ژیروسکوپ های MEMS از ساختارهای ارتعاشی با تکیه گاههای الاستیک یک سرگیردار یا دو سرگیردار استفاده می گردد. وجه مشترک این نوع ژیروسکوپ ها با اسلاف خود، استفاده از اندازه حرکت المان حساس(proof mass) و نیروی کوریولیس برای آشکار سازی سرعت زاویه ای پاية حامل ژیروسکوپ می باشد. در سالهای اخیر توجه بسیاری به میکروژیروسکوپها معطوف شده و کارهای علمی و فنی فراوانی توسط محققین در این زمینه انجام پذیرفته است و اصولا زمینه ژیروسکوپ های MEMS زمینه علمی جوانی محسوب می شود. آنچه که توجه گسترده ای را به ژیروسکوپ های MEMS جلب کرده نه تنها رسیدن به دقت بهتر و کاربردهای هوا- فضایی آن، بلکه قیمت فوق العاده پائین آنها و درجة بعدی ابعاد و اندازه های کوچک آنها می باشد. همین پايین بودن قیمت است که زمینه های کاربرد جدید بسیاری برای میکروژیروسکوپها مهیا کرده که از جمله آنها می توان به کاربرد آن در صنایع خودروسازی و کنترل خودرو، روباتیک، کنترل دوربین های فیلم برداری و دوربین های دو چشمی، تلسکوپ ها و دسته های بازی های کامپیوتری و حتی اسباب بازی ها اشاره کرد.بعضی مزایای مهم ژیروسکوپهای MEMS که باعث شده محققین در زمینه های موشکی و هوا- فضایی به دنبال عملیاتی کردن این ژیروسکوپها در زمینه کاری خود باشند عبارتند از :1- دارای زمان کوتاه راه اندازی هستند. 2- بدلیل نداشتن محور گردنده نیاز به یاتاقان ندارند.3- نیاز به موتور ندارند.4- در صورت طراحی موثر طول عمر بسیار طولانی داشته و به نگهداری وتعمیرات نیاز ندارند.5- بسیار کوچکتر و سبکتر از ژیروسکوپها ی سنتی می باشند.6- ارزان بودن از مزایای بسیار مهم این ژیروسکوپهاست.7- پروسه ساخت راحت تری دارند.8- مصرف انرژی بسیار کمی دارند. همانطور که اشاره شد، ژیروسکوپ های MEMS داری مزایای متعددی از جمله هزینه پائین، اندازه کوچک و وزن ناچیز در مقایسه با ژیروسکوپ های میکروماشینی رایج هستند. بعضی از اشکالات ژیروسکوپ MEMS شامل دقت پایین به علت دامنه ارتعاش خیلی کوچک، پهنای باند باریک و مسائل ساخت چالش های باقیمانده ای هستند که می بایست بر طرف گردد. یزدی، ایاذی و نجفی [1]جزء اولین محققانی بودند که تحقیقاتی را در مورد ژیروسکوپ های ارتعاشی میکرو ماشینی ارائه داده اند.ژیروسکوپ از نظر ساختمان به دو دسته یک درجه آزادی و دو درجه آزادی تقسیم می شود که منظور از درجه آزادی قابلیت اندازه گیری سرعت زاویه ای یا زاویه حول یک محور می باشد. اکثر ژیروسکوپ های MEMS یک درجه و از نوع سرعتی ( Rate ) هستند، ولی انواع دو محوره نیز وجود دارند، که دارای دو محور اندازه گیری هستند.ژیروسکوپ عضو اصلی سیستم های هدایت اینرسی است ، وعمدتا برای اندازه گیری مقدار دوران، سرعت دوران و ایجاد محورهای مختصات مرجع در وسایل نقلیه هوایی، فضایی، دریایی و زمینی مورد استفاده قرار می گیرد. محور مطالعه در بسیاری ازگروه های تحقیقاتی(که روی مکانیزم های پرنده کار می کنند)مکانیزم هایی با ابعاد یک تا پنج سانتی متر است. بنابراین مشکلی که طراحان با آن مواجه اند پایداری پرواز است. وسایل پرنده بزرگ (نظیر هواپیما) به طور آیرودینامیکی پایدارند و به علت حجم زیاد امکان بهره مندی از سیستم های تعیین موقعیت را دارند، اما زمانی که مکانیزم پرنده کوچک و نیازمند توقف درفضا باشد (مشابه پرواز بالگرد، ولی در ابعاد بسیار کوچکتر) خاصیت مذکور کارایی خود را از دست می دهد. در طبیعت، حشرات الگوی واقعی این مکانیزم هستند. این موجودات که باتوجه به جثه، چالاکی ،سرعت و مصرف انرژی عملکرد موثری از خود نشان می دهند، از اصولی بهره می برند که با اکثر ساخته های دست بشر تفاوت اساسی دارد. آنها دوران بدنشان را در فضا بوسیله ارگان های مخصوصی موسوم به هالتر حس می کنند. این ارگان یک جفت زائده صلب است که در دو طرف بدن حشره با فرکانسی درحدود 130Hzدر فاز مقابل بال ها ارتعاش می کند. هنگام دوران در فضا، یک نیروی کوریولیس تناوبی به نوک هالترها اعمال می شود که حشره آنرا حس می کند. مکانیزم مذکور، الگوی طبیعی ژیروسکوپ های ارتعاشی است. این نوع ژیروسکوپ ها ابزار اندازه گیری سرعت زاویه ای هستند که اساس عملکردشان (مشابه ژیروسکوپ های مکانیکی با جرم دوار) اصل کوریولیس است. اما تفاوت اصلی در آن است که به جای جرم دوار (اصل بقای اندازه حرکت زاویه ای) از اندازه حرکت یک جسم الاستیک مرتعش (اصل بقای اندازه حرکت خطی) استفاده می شود. ماهیت عملکرد این دسته از ژیروسکوپ ها، ویژگی منحصر به فردی را ممکن می سازد. به عنوان مثال به علت نداشتن قطعه متحرک بی نیاز از موتور و یاتاقانند و بنابراین نسبت به اکثر متغیرهای تاثیرگذار محیطی غیر حساس و دارای کارکرد طولانی بدون نیاز به تعمیر و نگهداری هستند. از امتیازات دیگر، می توان به زمان کوتاه پاسخگویی (کمتر از یک ثانیه)، دریفت و نویز کم ( 0.1o/h ) دقت و حساسیت عالی، مصرف ناچیز انرژی ( 3Watt>) و کاهش فوق العاده حجم با استفاده از فن آوری میکروماشین کاری اشاره کرد.بنابراین در مقایسه با ژیروسکوپ های مکانیکی و نوری (که گران و حجیم هستند) بسیار ارزان ترند وحجم بسیار کمی را اشغال می کنند. تلاش اولیه در طراحی این نوع ژیروسکوپ در مواردی نظیرپایداری و هدایت موشک ها و مهمات هوشمند از صنایع نظامی آغاز شد، اما اخیرا در صنایع غیر نظامی نظیر اتومبیل سازی (سیستم ترمز پیشرفته برای جلوگیری از لغزیدن خودرو) و دوربین های دستی (برای پایداری تصویر) و صنعت روباتیک کاربرد پیدا کرده است. در مجموع هر چه تکنولوژی پیشرفت کند امکان ساخت ژیروسکوپ های ارتعاش کوچک تر، ارزانتر و دقیقتر فراهم می شود و استفاده ازآنها گسترش بیشتری می یابد. فصل اول همراه با مقدمه ای بر ژیروسکوپ های ارتعاشی MEMS، سیر تاریخی و تکامل این نوع ژیروسکوپ و کاربرد های مختلف آن را ارائه می کند و سپس مبانی عملکرد و رفتار رزوناتورهای مختلف را مورد بررسی قرار می دهد. دراین فصل نشان داده خواهد شدکه اصول عملکرد ژیروسکوپ های ارتعاشی با انواع رزوناتورها ، مبتنی براثرکوریولیس است.