原子力顯微鏡水平方向閉環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建與控制.pdf

1、21世紀(jì)，隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，具備納米測量與操作功能的原子力顯微鏡(AFM)，得到了國內(nèi)外自動控制領(lǐng)域很多專家、學(xué)者的關(guān)注。本文主要從AFM水平方向系統(tǒng)的定位、跟蹤控制角度出發(fā)，利用搭建的AFM水平x方向閉環(huán)系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)了對期望軌跡的快速、精確跟蹤控制。主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴借助于高精度的電容位移傳感器，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有AFM平臺----本原CSPM4000 AFM系統(tǒng)之上，基于RTLinux操作系統(tǒng)搭建了AFM在水平x方向

2、的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該方向上反饋信號的實(shí)時(shí)獲取。重點(diǎn)解決了電容傳感器在壓電掃描器x方向的安裝問題，并通過內(nèi)核與界面編程，完成了友好的系統(tǒng)交互功能。該閉環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成功搭建，為各種控制算法的實(shí)現(xiàn)與測試，提供了良好的應(yīng)用平臺。
　　 ⑵針對壓電掃描器在高頻率、大幅值輸入信號作用下容易被擊穿的特點(diǎn)，本文采用一種振幅逐漸衰減的分段式掃頻信號，利用N4SID算法建立了系統(tǒng)的動態(tài)模型;同時(shí)，考慮到傳感器測量環(huán)節(jié)存在的非線性特性，利用多項(xiàng)式擬合

3、進(jìn)一步獲得系統(tǒng)的變增益改進(jìn)模型。另外，基于預(yù)測模型能夠預(yù)測系統(tǒng)未來動態(tài)行為，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，而建立在最優(yōu)控制基礎(chǔ)上的滾動優(yōu)化策略能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)魯棒性，將DMPC算法應(yīng)用到該系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，可以實(shí)現(xiàn)對期望軌跡的快速跟蹤控制。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于通常的PI控制，基于模型的DMPC策略更適用于系統(tǒng)在高頻掃描下的精確跟蹤控制。
　　 ⑶針對壓電掃描器的遲滯非線性以及動態(tài)特性，本文結(jié)合N4SID算法，進(jìn)一步建立了基于改進(jìn)Pr