納米操作平臺柔性微懸臂的模糊控制研究.pdf

1、碩士學位論文納米操作平臺柔性微懸臂的模糊控制研究TheFuzzyControlofF1exibleCantileVerinAFM：龍運棟：機械電子工程：機電工程學院：李涵雄教授論文答辯日期蘭里!圭：三!!答辯委員會主席中南大學2012年6月1O日名業(yè)所師姓專豕教者科皖導作學學指中南大學碩士論文摘要摘要原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope)作為現(xiàn)代納米科學研究的基本工具，已廣泛應(yīng)用于納米科技的各個研究領(lǐng)域中。原子力顯微

2、鏡的微懸臂主要用于納米操縱等。由于AFM微懸臂是微納米級的，具有柔性特征，微懸臂的探針與樣品間的原子作用力會導致微懸臂發(fā)生彎曲變形，影響AFM的控制性能；而微懸臂易受到外界擾動的影響，會導致微納米級懸臂和探針的損壞，并可能會降低AFM在納米掃描、操縱等的控制精度，所以柔性微懸臂的控制精度對AFM納米探測和操縱非常重要。常規(guī)的控制方法需要微懸臂精確的數(shù)學模型，但由于微懸臂的非線性，時空耦合，擾動等影響，在實際系統(tǒng)中，很難獲得微懸臂精確的數(shù)

3、學模型，并很難達到理想的控制要求。而模糊控制作為智能控制器，最大的優(yōu)點是具有較強的魯棒控制效果而且不依賴被控對象的精確數(shù)學模型。因此，本文以原子力顯微鏡的微懸臂為研究對象，建立了AFM柔性微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型，提出了基于時空變量分離的模糊控制策略，并開展了相關(guān)的實驗研究。論文主要研究工作包括一些幾個方面：(1)建立了AFM柔性微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型和壓電陶瓷的動力學模型。首先，根據(jù)柔性微懸臂的動態(tài)振蕩特性，并結(jié)合微懸臂針尖與樣本的

4、原子作用力模型，運用歐拉一伯努利理論建立了微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型。然后，針對AFM壓電陶瓷驅(qū)動器的遲滯、非線性等特點，采用系統(tǒng)辨識方法建立其動力學模型。通過分析微懸臂與驅(qū)動的相互關(guān)系，建立了其整體動力學模型，最后對微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型，運用時空變量分離的方法進行低維近似。(2)設(shè)計了AFM微懸臂的基于時空變量分離的模糊控制策略。由于AFM柔性微懸臂的振蕩特性、復雜性和魯棒性等特點，結(jié)合模糊邏輯控制器不需要被控對象的精確模型和魯棒性