原子力顯微鏡水平方向閉環(huán)系統(tǒng)的構建與控制.pdf

1、21世紀，隨著納米技術的飛速發(fā)展，具備納米測量與操作功能的原子力顯微鏡(AFM)，得到了國內外自動控制領域很多專家、學者的關注。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，實現(xiàn)了對期望軌跡的快速、精確跟蹤控制。主要內容包括：
　　 ⑴借助于高精度的電容位移傳感器，在實驗室現(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)，實現(xiàn)了該方向上反饋信號的實時獲取。重點解決了電容傳感器在壓電掃描器x方向的安裝問題，并通過內核與界面編程，完成了友好的系統(tǒng)交互功能。該閉環(huán)實驗系統(tǒng)的成功搭建，為各種控制算法的實現(xiàn)與測試，提供了良好的應用平臺。
　　 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，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，考慮到傳感器測量環(huán)節(jié)存在的非線性特性，利用多項式擬合

3、進一步獲得系統(tǒng)的變增益改進模型。另外，基于預測模型能夠預測系統(tǒng)未來動態(tài)行為，提高系統(tǒng)響應速度，而建立在最優(yōu)控制基礎上的滾動優(yōu)化策略能夠進一步提高系統(tǒng)魯棒性，將DMPC算法應用到該系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，可以實現(xiàn)對期望軌跡的快速跟蹤控制。仿真與實驗結果表明，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，本文結合N4SID算法，進一步建立了基于改進Pr