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微机电系统作为一个交叉新兴学科,自上世纪八九十年代到本世纪初,引起了大量学者的广泛关注。微机电器械小型化,易集成,低功耗,可批量生产等特点使其在国防、航天、电子、医疗器械等领域获得了广泛的应用。微机电系统中的电磁微镜由于具有扫描范围广,驱动电压低,偏转角度大等特点成为近年来的研究热点,而超声微电容传感器(CMUT)也因具有高机电转化率,大发射声压等特点而被广泛关注。随着微机电技术的不断发展,微机电器件性能的提升成为研究的重中之重。不同于传统基于工艺改造的办法,通过控制器设计来提高闭环微机电系统性能的方法不仅不改变微器件原有参数,而且可以提高其动态性能。本文以MEMS微镜为主体,通过微镜的建模分析到微镜实验平台的搭建再到微镜控制问题的研究,形成了一套完整的研究体系,把这套体系引入到CMUT的研究中,将CMUT等效为平行板电容器模型建立CMUT1-D集总等效模型,通过建模、设计控制器、仿真及实验分析等步骤,全面的对微机电系统进行了研究,具体的研究工作包括以下几个方面:1.根据MEMS电磁微镜偏转时的能量传递过程,基于有限元分析法(FEM)以及电磁学理论对MEMS电磁驱动微镜进行建模分析,建立了可用于FEM分析的通用电线圈模型以及适用于非均匀磁场的磁驱动器模型。运用COMSOL Multiphysics仿真软件对微镜进行仿真测试,得到驱动电流与微镜偏转角度的关系。在此基础上搭建了MEMS微镜激光扫描实验平台,通过机理法获得微镜模型及参数,通过仿真与实验结果验证了MEMS微镜数学模型的有效性。2.MEMS电磁微镜在实际应用中需要具备切换准确以及快速响应等特点,基于此本文通过MEMS微镜实验平台设计了PID、改进PID,滑模以及二阶滑模闭环控制算法提高MEMS微镜的动态性能满足微镜在实际应用中的需求。仿真和实验结果表明,对于定点控制,PID滑模算法优于前几种算法,并且有效的抑制了滑模控制器的抖振,微镜系统的响应能够达到快速性和准确性的应用要求。3.基于MEMS电磁微镜实验平台,结合模型的不确定性以及微镜的非线性问题,提出了反步滑模控制算法。仿真和实验结果表明,对于定点跟踪控制与正弦信号动态跟踪控制问题,反步滑模控制算法鲁棒性强,具有抗干扰的能力,满足微镜应用的快速性和有效性要求,而实现正弦信号的跟踪也为之后微镜光开关、条形码扫描等应用打下了坚实的基础。4.利用MEMS超声微电容传感器的顶部薄膜与空腔单位量纲数量级的不同,将CMUT顶部薄膜等效为刚性极板,建立等效1-D集总CMUT模型,结合模型的强非线性设计了滑模复合非线性控制算法,有效的解决了在输入饱和条件下CMUT的pull-in问题,上极板稳定运行范围达到整个空腔的90%,有效降低了控制器的切换频率以及切换幅度,最终达到小范围渐进稳定,为之后的CMUT实验研究打下了基础。