高性能微纳米扫描定位系统的建模与控制研究

原子力显微镜（AFM）是微纳米显微成像和微纳米操控的主要设备。由于压电器件固有的迟滞非线性特性和振动特性致使系统带宽较窄，AFM成像速率不高，无法获得生物样本或者化学反应过程的全部瞬态信息，严重限制了AFM的应用范围。基于以上原因，本课题拟从系统和控制的角度解决AFM快速成像问题：首先在水平方向上，同时考虑迟滞非线性特性和振动特性建立压电扫描器的动态模型，分别采用自适应变结构控制和自适应逆控制对水平方向的光栅扫描进行位移控制，以期实现高速扫描；然后在竖直方向上，采用频域分析法辨识压电定位器的动态模型，结合AFM微悬臂梁的动态特性，设计样品形貌观测器，基于此分别提出前馈反馈综合控制和主辅控制的两步骤控制策略，有效地提高AFM定位系统的带宽和定位精度，同时减小对样品和探针的损伤。本课题的研究将为AFM系统快速准确成像的实现提供一种切实可行的途径，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

压电陶瓷扫描器是原子力显微镜(AFM)进行微纳米成像和微纳米操控的关键执行器件，项目组对其内在的非线性-迟滞和蠕变的模型和抑制方法进行了大量的研究，得到了许多积极的成果。研究内容分为压电陶瓷驱动器的建模和控制两方面，在建模方面的主要工作为：1）针对压电陶瓷扫描器的迟滞非线性，建立了描述迟滞现象迟滞抛物线模型、双Sigmoid激活函数的神经网络在线辨识模型；2）针对迟滞非线性的非局部记忆特性，提出了记忆算子来补偿历史极值更新带来的建模误差；3）研究了压电陶瓷扫描器在台阶电压作用下的蠕变规律，初步分析了蠕变分离点的变化情况，描述了动态蠕变的产生及影响规律；4）在对经典蠕变模型分析的基础上，使用反比例函数对其进行建模并分析了参数变化规律。在控制方面的主要工作为：1）设计实现了基于PI迟滞模型的压电驱动器自适应逆跟踪控制方案；2）使用迭代学习算法获取压电驱动器前馈控制电压实现了迟滞的满意控制；3）实现了在神经网络模型的基础上的压电工作台的自适应控制方案；4）设计并实现了带前馈的模糊PI对动态蠕变的进行抑制方案、构造了分数阶PI控制器并成功用于动态蠕变的抑制。本项目的研究结果对原子力显微镜向更精细、更高速操控等方面有重要推动作用。