在无容器处理领域,超声驻波悬浮是通过高强驻波场产生声辐射力来悬浮目标物体,具有稳定性好、抗干扰能力强等优点,因此被广泛应用。由于传统的驻悬浮装置是由发射端和反射端组成,导致悬浮目标局限于静态,大大限制了驻波悬浮的可移动性,而且由于反射端材料的不规则性、粘滞性和热传导会造成超声波的散射和衰减,束缚了驻波声场的稳定性。同时在无容器处理中温度场的引入会导致悬浮目标失稳,严重的影响了实验的可行性。因此,研究新型的超声驻波悬浮装置和温度变化下悬浮目标的稳定性控制方法,实现悬浮目标的移动和驻波声场的悬浮稳定性是无容器处理领域的研究焦点。本文对凹球面超声阵列驻波悬浮系统设计及驱动控制方法进行了研究,具体工作内容如下所示:1.针对驻波声场特性,分析了声场声压,声辐射力和时间平均势理论,并在该理论基础上,讨论了温度对悬浮稳定性的影响因素,描述了温度对介质的影响和温度对声传播速度的影响,分析了温度和声辐射力的变化规律。2.分析了超声相控阵的工作频率、阵元数量、阵元间距和阵元大小等参数。研究了超声相控阵的动态聚焦,推导了相控阵的延时计算方法,运用MATLAB和3D声场软件仿真了阵列的延时时间和聚焦点位置,并对延时方法进行验证。3.设计了超声阵列悬浮系统。从阵列结构入手,分别对平面超声阵列和凹球面超声阵列进行结构设计和优化分析。通过将两个阵列的悬浮能力和超声凝聚性能进行分析对比,得到了凹球面阵列的性能明显优于平面,因此选择了凹球面作为本文的超声阵列结构。然后设计了电控部分的硬件部分和软件部分。随后搭建了超声悬浮系统,仿真分析了悬浮系统的悬浮能力和动态操纵,并进行了实验验证。4.研究了声场中悬浮物体的稳定性,主要研究包括常温和温度变化下的声场变化情况和悬浮物体的振动幅度。首先分析了悬浮物体的振动频率与温度变化的关系,并绘制了关系曲线。其次利用COMSOL建立声场与温度场仿真模型,仿真了不同温度下的声压值得到声压与温度变化的曲线。然后搭建了实验平台对悬浮物体的稳定性进行了研究,分析并验证了常温下悬浮物体的稳定性和温度变化下悬浮物体的稳定性。5.针对声场内温度的变化影响悬浮物体振动的问题,提出了基于模糊PID的控制策略。为了控制温度对悬浮物体振动状态的影响,建立了关于温度的非线性传递函数,设计了模糊PID作为控制器,制定了隶属函数和模糊规则,然后搭建了基于模糊PID算法的悬浮物体的稳定控制系统,仿真了温度变化下的控制效果,从仿真结果可看出模糊模糊算法能够很好地实现悬浮目标的稳定性控制。