基于自整定分数阶PI λ D μ 的原子力显微镜运动控制研究
发布时间：2021-08-01 14:23
随着纳米技术的不断发展,对纳米尺度的检测和加工提出了更高的要求,原子力显微镜（AFM）作为一种具有纳米检测和纳米操作功能的实验仪器,因其体积小、精度高、制造成本低及易于推广等优点被广泛应用于物理、化学、生物、材料、电子等领域。原子力显微镜作为一个复杂的系统,其性能受硬件设备、控制算法、成像策略等因素的影响,而目前AFM系统性能已无法满足高精密运动场景下的性能需求,传统PID控制由于算法本身具有的局限性已成为限制AFM系统性能的主要因素。本文针对传统PID控制中存在的控制性能不足和参数整定复杂的问题,设计了二自由度分数阶PIλDμ控制器以提高控制精度,并在此基础上通过引入BP神经网络以实现控制器参数自整定。本文的主要研究内容如下:1.通过所设计的基于xPC target的半实物仿真平台,研究了原子力显微镜的系统特性以及存在的控制问题,并对压电陶瓷执行器的迟滞非线性特性进行建模。2.针对在传统整数阶PID控制下AFM系统控制精度不足的问题,研究了基于二自由度分数阶PIλDμ的AFM运动控制方法。对于控制...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AFM的系统结构图
，进而产生的电流会发生改变，光电检测器将该电流信号传送给计算机以获得样品表面形貌信息。2.2原子力显微镜的成像2.2.1原子力显微镜的成像原理AFM工作原理是利用探针针尖原子与样品表面原子在纳米尺度内产生的相互作用的原子力进行工作[40]。AFM利用探针-微悬臂系统来探知探针针尖原子与样品表面原子间的相互作用力，AFM的探针-微悬臂系统对微小的力极为敏感，系统的微悬臂部分一端固定，另一端与探针相结合，探针一端为自由端，随着AFM对样品表面的扫描，微悬臂会随着样品表面的起伏而发生不同程度的偏折，其示意图如图2-2所示。(a)(b)图2-2微悬臂受力变化示意图。(a)探针无受力，保持自由状态；(b)探针受排斥力，发生形变，向上弯曲在纳米尺度内，两个原子间的作用力会随着原子间距离的变化而变化。当两个原子间的距离较远时，原子间的相互吸引力起主要作用，此时两个原子呈相互吸引状态。当两个原子间的距离减小到一定值后再减小时，此时原子间的相互排斥力起主要作用，两个原子呈相互排斥状态，AFM探针针尖原子与样品表面原子间相互作用力与距离的关系如图2-3所示。当压电陶瓷执行器受控制器作用在水平面x轴方向、y轴方向产生形变，进而带动压电陶瓷执行器上样品产生偏移，此时探针与样品产生相对运动，在控制器的控制下，可以获得待测样品所有区域的样品表面信息。随着样品表面的起伏，探针和样品在z轴方向的距离会发生改变，探针针尖原子和样品表面原子间的相互作用力会发生改变，此时探针-微悬臂系统部分的微悬臂会产生不同程度的偏折，通过光电检测器单元对其进行检测。
第二章原子力显微镜简介9图2-3AFM探针针尖原子与样品表面原子间相互作用力与距离的关系图AFM在恒流扫描模式下，探针针尖原子与样品表面原子间的距离需保持恒定，该过程通过AFM的控制和信号处理系统实现。当样品表面发生起伏时，此时原子间的距离发生改变，为保持原子间的距离恒定，此时需控制压电陶瓷执行器在z轴方向产生偏折，该偏移量用于抵消样品表面形貌改变带来的探针针尖原子和样品表面原子间距离的改变，从而维持探针针尖原子和样品表面原子间距离恒定。同时，控制和信号处理系统将控制量经数据采集卡A/D转换后传输到计算机，用于样品表面形貌成像。从上述可以看出，控制和信号处理系统在AFM的成像中扮演着重要角色，其中控制系统部分不仅用于调节压电陶瓷执行器来维持原子间距离恒定，同时所获取的控制信息还将用于样品表面形貌成像，控制系统性能的优劣直接决定了AFM系统的性能。2.2.2原子力显微镜的成像模式AFM根据探针与样品接触方式和距离的不同，分为接触模式、非接触模式和轻敲模式，三种模式下AFM的工作原理存在一定的区别，所适用的样品特性也存在不同[41]。（1）接触模式接触模式是早期AFM成像时主要的成像模式，其主要利用原子间相互作用力中的排斥力。AFM在接触模式下，其探针针尖始终与样品表面接触，原子间的相互作用力较大，检测系统的信噪比较高，可以获得较高的分辨率。接触模式下AFM的成像速度很快，适合硬度较大的材料，尤其是在竖直方向起伏明显的材料，不适合用于检测样品表面起伏较小的材料。在接触模式下探针针尖始终与样品表面接触，在控制器的作用下，探针针尖与样品表面发生相对运动，对于软性材料来说，例如生物样品中的细胞，该模式下可能会对样品和探针针尖造成损伤。（2）非接触模式
【参考文献】：
期刊论文
[1]采用改进模糊神经网络PID控制的移动机器人运动误差研究[J]. 许洋洋,王莹,薛东彬. 中国工程机械学报. 2019(06)
[2]基于变论域模糊PID的血透机温度控制方法[J]. 曾丽蓓,张海涛,涂亚庆,王飞. 自动化与仪器仪表. 2019(11)
[3]模糊自适应整定PID控制在纸浆浓度中的应用[J]. 曾德斌,许江淳,张矿伟,杨杰超,陆万荣,李玉惠. 自动化仪表. 2019(11)
[4]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（英文）[J]. 刘存桓,方勇纯,樊志,王超,武毅男. 控制理论与应用. 2019(11)
[5]基于原子力显微镜的颗粒间表面力研究[J]. 邢耀文,刘敏,桂夏辉,曹亦俊,高志勇,孙伟. 中国矿业大学学报. 2019(06)
[6]基于小波神经网络PID的永磁同步电机转速控制[J]. 霍召晗,许鸣珠. 电机与控制应用. 2019(11)
[7]原子力显微镜在细菌黏附力学研究中的应用[J]. 王蕊,盖阔,刘梦齐,蒋丽. 国际口腔医学杂志. 2019(06)
[8]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[J]. 徐子睿,许素安,富雅琼,洪凯星,徐红伟. 传感技术学报. 2019(08)
[9]压电陶瓷执行器的动态迟滞非线性特性建模[J]. 潘云凤,潘海鹏,赵新龙. 传感器与微系统. 2019(09)
[10]新景矿无烟煤纳米级孔隙结构特征的原子力显微镜研究[J]. 王晓东. 煤矿安全. 2019(08)
博士论文
[1]基于分数阶的交流伺服驱动系统控制参数整定方法研究[D]. 郑世祺.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]三探针原子力显微镜成像系统研究[D]. 葛增辉.长春理工大学 2019
[2]原子力显微镜纳米级定位平台设计与测试技术研究[D]. 武兴盛.中北大学 2019
[3]基于神经网络的压电驱动器非线性迟滞效应的建模与校正[D]. 刘鑫.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[4]基于BP神经网络的PID控制系统研究与设计[D]. 李捷菲.吉林大学 2019
[5]改进的分数阶PID控制算法及其应用[D]. 陈刚.合肥工业大学 2019
[6]压电陶瓷驱动器多段改进动态PI模型研究与精度控制[D]. 韩少鹏.杭州电子科技大学 2019
[7]基于分数阶PIλDμ的压电叠堆控制方法研究[D]. 付云博.吉林大学 2016
[8]分数阶PID控制器的设计与实现[D]. 王飞.东北大学 2012
本文编号：3315690
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AFM的系统结构图
，进而产生的电流会发生改变，光电检测器将该电流信号传送给计算机以获得样品表面形貌信息。2.2原子力显微镜的成像2.2.1原子力显微镜的成像原理AFM工作原理是利用探针针尖原子与样品表面原子在纳米尺度内产生的相互作用的原子力进行工作[40]。AFM利用探针-微悬臂系统来探知探针针尖原子与样品表面原子间的相互作用力，AFM的探针-微悬臂系统对微小的力极为敏感，系统的微悬臂部分一端固定，另一端与探针相结合，探针一端为自由端，随着AFM对样品表面的扫描，微悬臂会随着样品表面的起伏而发生不同程度的偏折，其示意图如图2-2所示。(a)(b)图2-2微悬臂受力变化示意图。(a)探针无受力，保持自由状态；(b)探针受排斥力，发生形变，向上弯曲在纳米尺度内，两个原子间的作用力会随着原子间距离的变化而变化。当两个原子间的距离较远时，原子间的相互吸引力起主要作用，此时两个原子呈相互吸引状态。当两个原子间的距离减小到一定值后再减小时，此时原子间的相互排斥力起主要作用，两个原子呈相互排斥状态，AFM探针针尖原子与样品表面原子间相互作用力与距离的关系如图2-3所示。当压电陶瓷执行器受控制器作用在水平面x轴方向、y轴方向产生形变，进而带动压电陶瓷执行器上样品产生偏移，此时探针与样品产生相对运动，在控制器的控制下，可以获得待测样品所有区域的样品表面信息。随着样品表面的起伏，探针和样品在z轴方向的距离会发生改变，探针针尖原子和样品表面原子间的相互作用力会发生改变，此时探针-微悬臂系统部分的微悬臂会产生不同程度的偏折，通过光电检测器单元对其进行检测。
第二章原子力显微镜简介9图2-3AFM探针针尖原子与样品表面原子间相互作用力与距离的关系图AFM在恒流扫描模式下，探针针尖原子与样品表面原子间的距离需保持恒定，该过程通过AFM的控制和信号处理系统实现。当样品表面发生起伏时，此时原子间的距离发生改变，为保持原子间的距离恒定，此时需控制压电陶瓷执行器在z轴方向产生偏折，该偏移量用于抵消样品表面形貌改变带来的探针针尖原子和样品表面原子间距离的改变，从而维持探针针尖原子和样品表面原子间距离恒定。同时，控制和信号处理系统将控制量经数据采集卡A/D转换后传输到计算机，用于样品表面形貌成像。从上述可以看出，控制和信号处理系统在AFM的成像中扮演着重要角色，其中控制系统部分不仅用于调节压电陶瓷执行器来维持原子间距离恒定，同时所获取的控制信息还将用于样品表面形貌成像，控制系统性能的优劣直接决定了AFM系统的性能。2.2.2原子力显微镜的成像模式AFM根据探针与样品接触方式和距离的不同，分为接触模式、非接触模式和轻敲模式，三种模式下AFM的工作原理存在一定的区别，所适用的样品特性也存在不同[41]。（1）接触模式接触模式是早期AFM成像时主要的成像模式，其主要利用原子间相互作用力中的排斥力。AFM在接触模式下，其探针针尖始终与样品表面接触，原子间的相互作用力较大，检测系统的信噪比较高，可以获得较高的分辨率。接触模式下AFM的成像速度很快，适合硬度较大的材料，尤其是在竖直方向起伏明显的材料，不适合用于检测样品表面起伏较小的材料。在接触模式下探针针尖始终与样品表面接触，在控制器的作用下，探针针尖与样品表面发生相对运动，对于软性材料来说，例如生物样品中的细胞，该模式下可能会对样品和探针针尖造成损伤。（2）非接触模式
【参考文献】：
期刊论文
[1]采用改进模糊神经网络PID控制的移动机器人运动误差研究[J]. 许洋洋,王莹,薛东彬. 中国工程机械学报. 2019(06)
[2]基于变论域模糊PID的血透机温度控制方法[J]. 曾丽蓓,张海涛,涂亚庆,王飞. 自动化与仪器仪表. 2019(11)
[3]模糊自适应整定PID控制在纸浆浓度中的应用[J]. 曾德斌,许江淳,张矿伟,杨杰超,陆万荣,李玉惠. 自动化仪表. 2019(11)
[4]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（英文）[J]. 刘存桓,方勇纯,樊志,王超,武毅男. 控制理论与应用. 2019(11)
[5]基于原子力显微镜的颗粒间表面力研究[J]. 邢耀文,刘敏,桂夏辉,曹亦俊,高志勇,孙伟. 中国矿业大学学报. 2019(06)
[6]基于小波神经网络PID的永磁同步电机转速控制[J]. 霍召晗,许鸣珠. 电机与控制应用. 2019(11)
[7]原子力显微镜在细菌黏附力学研究中的应用[J]. 王蕊,盖阔,刘梦齐,蒋丽. 国际口腔医学杂志. 2019(06)
[8]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[J]. 徐子睿,许素安,富雅琼,洪凯星,徐红伟. 传感技术学报. 2019(08)
[9]压电陶瓷执行器的动态迟滞非线性特性建模[J]. 潘云凤,潘海鹏,赵新龙. 传感器与微系统. 2019(09)
[10]新景矿无烟煤纳米级孔隙结构特征的原子力显微镜研究[J]. 王晓东. 煤矿安全. 2019(08)
博士论文
[1]基于分数阶的交流伺服驱动系统控制参数整定方法研究[D]. 郑世祺.华中科技大学 2016
硕士论文
[1]三探针原子力显微镜成像系统研究[D]. 葛增辉.长春理工大学 2019
[2]原子力显微镜纳米级定位平台设计与测试技术研究[D]. 武兴盛.中北大学 2019
[3]基于神经网络的压电驱动器非线性迟滞效应的建模与校正[D]. 刘鑫.中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 2019
[4]基于BP神经网络的PID控制系统研究与设计[D]. 李捷菲.吉林大学 2019
[5]改进的分数阶PID控制算法及其应用[D]. 陈刚.合肥工业大学 2019
[6]压电陶瓷驱动器多段改进动态PI模型研究与精度控制[D]. 韩少鹏.杭州电子科技大学 2019
[7]基于分数阶PIλDμ的压电叠堆控制方法研究[D]. 付云博.吉林大学 2016
[8]分数阶PID控制器的设计与实现[D]. 王飞.东北大学 2012
本文编号：3315690
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