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原子力显微镜定位系统控制策略及误差补偿方法研究

作　者: 刘坤
导　师: 谢平
学　校: 燕山大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 原子力显微镜定位系统动态特性补偿开闭环PID型迭代学习律 “无模型”迭代学习律同态自适应滤波
分类号: TH742
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

当前，原子力显微镜(AFM)在微笑电子学、微机械学和新型材料学、电磁学、化学和生物医学以及纳米制造和纳米操作等领域具有广泛的应用。然而，AFM的工作速度和测量精度已经成为AFM技术的瓶颈，主要原因是现有控制技术无法克服AFM工作中工作速度慢和窄带限制的问题。本文从控制的角度出发，重点研究高速AFM定位系统中的控制及补偿方法。论文具体工作如下：首先，深入研究以压电驱动器为核心的AFM定位系统及其控制问题，并指出当前限制AFM工作速度的关键问题：工作速度慢和窄带限制的问题。为解决高速AFM定位问题，讨论传统控制方法及其局限性，研究先进控制方法及其应用的必要性。其次，针对纳米测量过程中AFM定位系统的工作速度慢和窄带的问题，分别对AFM定位系统中横向和纵向动态特性非线性进行补偿，提出基于开闭环PID型迭代学习控制方法，提高探针横向扫描定位精度；提出基于逆系统的“无模型”迭代学习控制策略，补偿AFM定位系统中纵向动态特性非线性影响，增大系统的带宽，提高系统跟踪能力。通过期望信号轨迹跟踪仿真实验，分别验证了AFM定位系统中横向和纵向的控制算法的适用性。最后，将所研究的基于逆系统“无模型”迭代学习控制方法，用于材料粘弹性进行纳米测量中。通过补偿AFM定位系统中z轴向动态特性非线性影响，在一定带宽内对期望输入信号进行轨迹跟踪，使激励力(通过悬臂梁)无失真地施加在被测材料样品上，达到材料粘弹性准确测量的目的。此外，针对耦合在测量数据中的AFM自身残余动态特性影响，设计一种同态自适应滤波器，进一步提高了AFM纳米测量精度。通过在一定带宽范围对二甲基硅氧烷(PDMs)的蠕变柔量的测量，验证了算法的适用性和有效性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 扫描探针显微镜概述  10-13
    1.1.1 扫描探针显微镜分类  10-11
    1.1.2 原子力显微镜结构及工作原理  11-13
  1.2 课题研究背景  13-15
  1.3 国内外研究现状分析  15-18
  1.4 课题研究内容和论文结构  18-20
第2章高速AFM系统定位问题及控制策略研究  20-38
  2.1 引言  20
  2.2 AFM系统中定位问题研究  20-28
    2.2.1 AFM定位系统描述  20-21
    2.2.2 AFM 定位系统动态误差因素分析  21-27
    2.2.3 AFM系统工作速度的限制  27-28
  2.3 AFM定位系统控制方法分析  28-37
    2.3.1 传统控制方法研究  28-31
    2.3.2 基于逆系统的前馈控制方法  31-33
    2.3.3 迭代学习控制  33-37
  2.4 本章小结  37-38
第3章高速AFM定位系统控制方法研究  38-56
  3.1 引言  38
  3.2 AFM 定位系统x轴向控制策略研究  38-45
    3.2.1 x轴向控制方案设计  38-39
    3.2.2 开闭环迭代学习控制算法  39-44
    3.2.3 控制方法仿真分析  44-45
  3.3 AFM 定位系统z轴向控制策略研究  45-54
    3.3.1 z轴向控制方案设计  45-46
    3.3.2 基于逆的“无模型”学习控制算法  46-52
    3.3.3 实验结果分析  52-54
  3.4 本章小结  54-56
第4章基于AFM的材料粘弹性纳米测量  56-72
  4.1 引言  56-57
  4.2 基于AFM材料粘弹性测试方法  57-65
    4.2.1 基于AFM的力曲线测量  57
    4.2.2 材料粘弹性纳米测量方法  57-59
    4.2.3 基于逆的“无模型”迭代控制的材料粘弹性纳米测量  59-65
  4.3 基于自适应滤波的材料粘弹性纳米测量补偿方法研究  65-70
    4.3.1 材料粘弹性纳米测量的残余动力学耦合影响  65-66
    4.3.2 同态自适应滤波补偿  66-69
    4.3.3 补偿结果分析  69-70
  4.4 本章小结  70-72
结论  72-74
参考文献  74-81
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  81-82
致谢  82-83
作者简介  83

原子力显微镜定位系统控制策略及误差补偿方法研究

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