气动仿生机械中热致动微型气动先导阀的结构原理与控制策略研究

气动仿生机械进一步促进机械学与仿生学的融合，对机械元件提出尺寸小、重量轻、功耗低的要求，研究动态响应快、压力流量大、温度范围宽的热致动微型气动先导阀显得更加迫切。热致动微型气动先导阀可利用MEMS成熟制造工艺，具有驱动电压低、大规模生产成本低、易与电路集成等诸多优点。但是，压力流量范围与功耗、预应变、挠度变形、膜片材质及厚度之间的复杂关系需仔细分析；散热不通畅与降温较慢导致响应时间较长、对环境温度变化非常敏感引起压力流量曲线漂移、动态数学模型存在强非线性与大滞后等问题有待深入研究。本项目将通过构建冷却回路、选取膜片材质、优化膜片厚度，来提高热致动微型气动先导阀的响应速度；通过设计致动器行程与预应变、分析双金属片挠度变形机理，来提高热致动微型气动先导阀的压力流量范围；并通过优化敏感腔的机械结构、选取加热电阻元件、设计自适应鲁棒控制器补偿温度，来增强热致动微型气动先导阀的工作温度范围与可靠性。

本课题提出一种以加热致动方式驱动的双金属膜片的结构原理与设计方法，以及基于此膜片结构的气动微型先导阀的设计原理和特性分析，以期获得适合于气动仿生机械的高动态响应、较大压力流量、较宽温度范围的控制元件。课题的主要研究内容和成果有：（1）研究了Si-SiO2和Si-Al热致动双金属膜片的工作原理和结构设计，基于材料变形机理和ANSYS仿真技术分析了结构设计参数对膜片变形量、功率消耗以及动静态响应的影响关系，给出了参数最优化的设计原理。（2）给出了实现热致动双金属膜片温度补偿的电流反馈型驱动电路设计方法和自适应鲁棒温度控制方法。控制方法的基本思路是：通过基于物理动力学模型的在线参数自适应来补偿较大的缓变不确定；通过有效的线性与非线性反馈控制来保证系统的稳定性。（3）进行了Si-SiO2双金属膜片样机的试验研究，验证了采用MEMS工艺进行内置热源设计的必要性。提出了热致动微型阀原型样机的机械结构设计原理和基于MEMS技术以Pt-Ti金属作为电阻层的Si-Al双金属膜片的主要加工工艺设计方法与掩膜版设计方法。所研究热致动膜片及气动微型阀的原型可为气动仿生机械系统的实际应用提供基础元件，也可为基于MEMS技术的复杂机电系统在紧凑化与微型化方面提供设计范例，具有重要的现实意义。