压电陶瓷驱动器迟滞建模方法研究

压电陶瓷驱动器是原子力显微镜(AFM)的关键组件。AFM在生物、材料及半导体等领域应用广泛,而利用AFM获得高精确的测试结果依然面临诸多挑战。其中,压电陶瓷驱动器具有迟滞、非线性等特点,在大范围高频工作状态下,对定位精度的影响更显著,这严重限制了AFM的进一步应用。本文围绕大范围压电陶瓷驱动器的迟滞性展开研究,设计一种基于改进型多项式拟合算法的迟滞建模方法,使得拟合模型可随输入信号频率的变化而变化,充分提高压电陶瓷迟滞模型的准确性。实验表明,该方法可为压电陶瓷驱动器建立准确的迟滞模型,建模过程简单,通过设计基于该迟滞逆模型的前馈控制算法,可使驱动范围在100μm的压电陶瓷驱动器的线性度提高至1.5%。     

一种基于临近点集数据融合的AFM动态成像方法

原子力显微镜(Atomic force microscopy, AFM)是纳米技术和纳米操作领域中最重要的研究工具之一. 本文针对扫描成像的原子力显微镜, 提出了一种改进的AFM动态成像方法, 该方法分析了AFM系统中样品与针尖之间的非线性力对成像精度的影响, 通过对扫描过程中获得的成像数据进行融合滤波, 有效地提高了快速AFM的成像精度. 具体而言, 论文首先分析了原子力显微镜当前成像方法存在的主要问题, 然后针对在高速扫描或者样品形貌高度有突变时, 因AFM系统中非线性因素而引起的成像误差, 提出了一种基于临近点集数据融合的改进动态成像方法, 以提高AFM对于样品表面形貌的成像精度. 最后分别利用原子力显微镜仿真平台数据和实验数据, 验证了本文提出的改进成像方法的性能.     

AFM压电陶瓷驱动器类Hammerstein建模与参数辨识

AFM( Atomic Force Microscope,原子力显微镜)中的压电陶瓷驱动器具有率相关迟滞非线性特性,这会影响AFM的扫描和定位精度。针对传统静态迟滞模型不能反映系统率相关动态迟滞特性的缺陷,提出Hammerstein模型以描述压电陶瓷驱动器的静态和动态迟滞特性。利用最小二乘支持向量机结合奇异值分解法对模型中的参数进行辨识。实验结果表明,模型能体现压电陶瓷驱动器的率相关迟滞特性,精度高于传统静态迟滞模型,建模方法对此类系统具有较好的应用价值。     

基于原子力显微镜动力学模型的新型接触式扫描成像策略

面向高速高精度原子力显微镜的扫描成像策略是当今微纳米控制领域的热点问题。本文设计了一种新型的原子力显微镜接触式扫描算法,该算法充分挖掘了AFM压电陶瓷运动平台和微悬臂的动力学特性,通过对微悬臂偏转角进行跟踪控制以达到AFM高速高精度成像的目的。在动力学建模方面,本文提出了一种新颖的基于AFM压电陶瓷运动平台动态方程及微悬臂动态特性的复合动力学模型,该模型所构建的动力学系统可以通过压电陶瓷的输入电压对微悬臂偏转角进行精确控制。在此基础上,本文设计了一种新型的图像融合算法,利用AFM正反向扫描得到的两幅图像进行融合匹配,能够较好地消除AFM控制周期暂态特性所带来的图像畸变,提高AFM扫描成像准确度。本文所提出扫描成像策略的有效性在AFM实验平台上进行了验证,实验结果表明此成像策略能够在较高扫描频率下得到较为理想的成像效果。最后通过对比实验将这种方法与传统接触式扫描算法的成像效果进行了比较,结果表明对比传统方法本文所提出的AFM成像策略可以更好地保证成像速度和精确度。     

压电微定位平台神经网络与专家模糊复合控制方法

为了消除压电微定位平台的迟滞非线性特性,实现高精度定位控制,采用具有两个隐含层的BP神经网络建立压电微定位平台的迟滞模型,以精确描述驱动电压与输出位移的迟滞关系;设计一种基于BP神经网络迟滞逆模型的前馈控制器,对迟滞非线性进行补偿,将迟滞非线性近似线性化.为进一步提高定位系统的精度,提出基于迟滞逆模型前馈补偿和专家模糊控制的复合控制方法.仿真结果表明,该复合控制方法可以将压电微定位平台的定位误差控制在0.091μm以内,从而有效地消除迟滞非线性对压电微定位平台定位精度的影响.     

压电陶瓷迟滞神经网络建模与线性补偿控制

针对压电陶瓷的迟滞非线性,本文首先进行实验测量得到压电陶瓷的位移迟滞数据;通过分析实验数据,引入线性方程实现压电陶瓷输入电压与输出位移关系的线性化,并建立了基于多项式拟合算法的神经网络迟滞模型;根据迟滞模型设计前馈控制器,分别采用了前馈开环和前馈结合PID的方法对压电陶瓷迟滞非线性进行补偿控制实验.实验结果表明,采用前馈开环控制,压电陶瓷位移主环迟滞减小了91.84%,位移次环迟滞减小了85.67%,位移跟踪的平均相对误差为2.97%;采用前馈结合PID控制,压电陶瓷位移主环迟滞减小了96.42%,位移次环迟滞减小了88.44%,位移跟踪的平均相对误差为2.04%.证明了该控制方法能有效地抑制压电陶瓷的迟滞非线性.     

基于Duhem前馈逆补偿的压电陶瓷迟滞非线性 自适应滑模控制

针对压电陶瓷的动态迟滞非线性,研究了基于Duhem逆模型前馈补偿的滑模自适应控制策略。首先,利用多项式逼近Duhem模型中的未知分段函数ｆ(.)和ｇ(.),采用递推最小二乘法进行系统辨识,并求取逆模型,将其作为前馈控制器,考虑压电陶瓷迟滞非线性随输入信号频率变化,且难以完全抵消,模型参数存在不确定性等问题,设计一种自适应滑模控制律。利用Lyapunov稳定性定理及仿真实验证明了该控制律可以使系统全局渐进稳定。最后,进行了压电陶瓷迟滞补偿实验和位移跟踪实验。实验结果表明,前馈逆补偿控制下的压电陶瓷位移迟滞量减小了96.1％,与直接控制相比,前馈逆补偿控制下位移跟踪的最大绝对误差减小了27.0％,平均绝对值误差减小了17.9％,具有更好的跟踪精度和动态性能。     

基于几何特征相似度评价的跨尺度显微图像配准

原子力显微镜能够在光学显微镜的协助下, 克服自身成像范围的限制获得更大的成像视野, 同时保证纳米 级的成像精度. 该方法需要实现原子力显微镜成像结果在光学视野中的精确定位, 而解决该问题的关键是进行两种 显微图像之间的准确配准. 因此, 本文提出了一种基于几何特征相似度评估的跨尺度图像配准算法, 为进一步在原 子力/光学显微镜共焦系统中实现精确定位和成像提供了基础. 具体而言, 本文首先利用原子力显微镜的探针在样 品表面进行压印, 刻画出固定尺寸的几何图案,用以标定原子力显微镜和光学显微镜成像尺度之间的比例, 为图像 配准提供先验知识. 随后, 本文设计了一种先进的图像处理算法, 分别提取原子力/光学显微镜图像中几何图案的特 征, 并将其存储为内角向量和边长向量. 最后, 基于成像尺度比例和几何特征, 提出了一种新型的几何特征相似度 评价函数, 通过对内角特征相似度和边长特征相似度进行加权融合, 实现高精度的跨尺度显微图像配准. 实验部分 针对四种不同几何图案进行图像配准, 并对实验结果进行详细分析, 验证了本文方法的良好性能.     

压电作动器的动态迟滞建模与H∞鲁棒控制

压电作动器具有率相关动态迟滞非线性特性,给传统建模和控制技术提出了挑战.本文针对压电作动器,提出了一种基于Bouc-Wen的Hammerstein率相关迟滞非线性模型,其中Bouc-Wen模型和线性动态模块分别用于描述系统的静态迟滞非线性特性和率相关特性.同时,构造了一个基于Bouc-Wen模型的迟滞补偿器,将迟滞补偿器与被控对象串联使系统线性化;并建立了不确定性系统模型,提出了一种H∞鲁棒跟踪控制方案,可以实现给定频率范围内单频率和复合频率参考信号的良好跟踪.实验结果表明,所建动态模型具有良好的泛化能力,跟踪控制相对误差小于8%,证明了所提出方法的有效性.     

微位移系统中压电陶瓷驱动器迟滞建模

针对超精密微位移系统中压电陶瓷驱动器的迟滞非线性问题,提出了一种基于遗传反向传播(BP)神经网络的压电陶瓷迟滞非线性建模方法.通过电涡流位移传感器获取压电陶瓷驱动器不同电压值下所对应的位移值;利用六次多项式拟合获得迟滞的数学模型,从而建立基于遗传BP神经网络的迟滞,模型.实验结果显示:该迟滞模型在神经网络测试下的最大误差为0.082 1 μm,平均绝对误差为0.0158 μm.表明,所建的迟滞模型能够较精确地反映出压电陶瓷驱动器的迟滞特性,同时为微位移控制系统设计提供了一定的理论基础.