《高性能微納米掃描定位系統的建模與控制研究》是依託山東大學，由張承進擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高性能微納米掃描定位系統的建模與控制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張承進
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
原子力顯微鏡（AFM）是微納米顯微成像和微納米操控的主要設備。由於壓電器件固有的遲滯非線性特性和振動特性致使系統頻寬較窄，AFM成像速率不高，無法獲得生物樣本或者化學反應過程的全部瞬態信息，嚴重限制了AFM的套用範圍。基於以上原因，本課題擬從系統和控制的角度解決AFM快速成像問題：首先在水平方向上，同時考慮遲滯非線性特性和振動特性建立壓電掃描器的動態模型，分別採用自適應變結構控制和自適應逆控制對水平方向的光柵掃描進行位移控制，以期實現高速掃描；然後在豎直方向上，採用頻域分析法辨識壓電定位器的動態模型，結合AFM微懸臂樑的動態特性，設計樣品形貌觀測器，基於此分別提出前饋反饋綜合控制和主輔控制的兩步驟控制策略，有效地提高AFM定位系統的頻寬和定位精度，同時減小對樣品和探針的損傷。本課題的研究將為AFM系統快速準確成像的實現提供一種切實可行的途徑，具有重要的理論意義和廣闊的套用前景。
結題摘要
壓電陶瓷掃描器是原子力顯微鏡(AFM)進行微納米成像和微納米操控的關鍵執行器件，項目組對其內在的非線性-遲滯和蠕變的模型和抑制方法進行了大量的研究，得到了許多積極的成果。研究內容分為壓電陶瓷驅動器的建模和控制兩方面，在建模方面的主要工作為：1、針對壓電陶瓷掃描器的遲滯非線性，建立了描述遲滯現象遲滯拋物線模型、雙Sigmoid激活函式的神經網路線上辨識模型；2、針對遲滯非線性的非局部記憶特性，提出了記憶運算元來補償歷史極值更新帶來的建模誤差；3、研究了壓電陶瓷掃描器在台階電壓作用下的蠕變規律，初步分析了蠕變分離點的變化情況，描述了動態蠕變的產生及影響規律；4、在對經典蠕變模型分析的基礎上，使用反比例函式對其進行建模並分析了參數變化規律。在控制方面的主要工作為：1、設計實現了基於PI遲滯模型的壓電驅動器自適應逆跟蹤控制方案；2、使用疊代學習算法獲取壓電驅動器前饋控制電壓實現了遲滯的滿意控制；3、實現了在神經網路模型的基礎上的壓電工作檯的自適應控制方案；4、設計並實現了帶前饋的模糊PI對動態蠕變的進行抑制方案、構造了分數階PI控制器並成功用於動態蠕變的抑制。本項目的研究結果對原子力顯微鏡向更精細、更高速操控等方面有重要推動作用。
