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《上海大学》 2004年
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扫描探针显微镜智能自动化策略研究及应用

黄自元  
【摘要】:纳米科技已经成为二十一世纪最核心的技术之一,而纳米科技的竞争,很大程度上体现在纳米表征和纳米操纵仪器的竞争。提高作为纳米科技的“眼”和“手”的扫描探针显微镜(SPM)的测量和定位精度,是纳米仪器界始终追求的目标。本文就扫描探针显微镜自动化关键技术—压电执行器的滞后补偿控制和非线性、非正交误差校正以及SPM标定等问题,进行了深入分析和应用研究,主要成果如下: (1).针对扫描探针显微镜控制系统中包括z方向执行器、探针和被测样品在内的广义被控对象存在的大滞后问题,设计了鲁棒自整定Smith预估控制器,使得闭环系统不仅具有在过程增益、滞后时间和时间常数等动态性能参数变化时的鲁棒稳定性,而且具有良好的动态特性,如小超调、快响应速度和强抗干扰能力等等。 (2).针对传统DNA计算中存在的设计变量编码长度与计算精度之间的矛盾,提出了自适应范围DNA(ARDNA)软计算方法,将设计变量取值范围自适应机制引入DNA软计算,给出了基于标准正态分布表计算分位数Pr的简化公式,通过有限长的DNA编码实现了预定的计算精度。函数优化应用实例表明了ARDNA对设计变量的取值范围无需先验知识,且具有较强的全局搜索能力。 (3).针对扫描探针显微镜中x、y压电执行器的回滞非线性问题,提出了回滞非线性在线辨识和实时校正策略。该策略中,首先基于对x、y压电执行器的非线性特性分析,建立了其回滞非线性参数化模型结构,采用ARDNA软计算方法,同时优化模型结构和模型参数,获取压电执行器最优回滞非线性模型。接着,将所获得的回滞非线性模型作为参考模型,通过设计增量式反馈控制器,构建压电执行器回滞伪逆模型。然后,为消除压电执行器回滞非线性建模误差,采用递推最小二乘法(简称RLS),在线辨识压电执行器,实时修正其参考模型,以确保所构建伪逆模型逼近其逆模型。最后,压电执行器与其伪逆模型串连,实现了回滞 非线性校正.数字仿真结果验证了算法的有效性。 (4).智能校正和标定的实现策略研究。为获取x、y压电执行器的输入一输出 数据,以建立其模型,给出了基于一维或二维标准光栅SPM图像的特征数据测量 算法。根据sPM扫描机理并考虑压电执行器回滞非线性影响,提出了x、y压电 执行器双向多项式模型,给出了相应的非线性校正算法。基于经非线性校正的二 维标准光栅的sPM图像,给出了x、y压电执行器夹角测量算法和非正交误差校 正算法.另外,基于本文引入的压电执行器标定因子的概念,提出了相应的标定 算法. (5).基于上海爱建纳米科技发展有限公司研制的AJ一I等系列产品的系统框 架,将系统辨识、Smith预估和PI控制相结合,开发了Smith在线辨识预估+PI 控制算法,并嵌入到AJ一I型扫描隧道显微镜(sTM)注’的DsP控制器中,获得 良好的控制效果,基本满足了STM对恒流的要求。将x、y压电执行器非线性、 非正交误差校正和sPM标定算法编制到AJ一m型原子力显微镜(AFM)注2的 DsP控制器中,并开发了一套SPM中压电执行器模型参数与x、y方向压电执行 器夹角和标定因子等参数的获取软件,以配合实现非线性、非正交误差校正和sPM 标定。实验结果表明:l)仅需用户点击几次鼠标,即可得到压电执行器模型参数 以及x、y方向压电执行器夹角和标定因子等参数,实现非线性和非正交误差校正, 基本消除了图像特征扭曲;2)仅仅通过设定和修改x、y方向压电执行器标定因 子,即可实现扫描探针显微镜的标定,在降低了标定复杂度的同时,提高了标定 精度,从而增强了SPM自动化和智能化程度。
【学位授予单位】:上海大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TH742

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前3条
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2 周兵;孙鑫;黄敏锐;王枫;;基于人工神经网络的SPM自动标定[J];光学技术;2007年01期
3 胡素红;方建安;;大滞后系统的Smith在线辨识预估控制的研究[J];机电工程;2012年03期
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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10 张晋,杨智;不确定时滞过程Smith预估鲁棒H_∞控制器的设计[J];甘肃工业大学学报;2001年01期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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2 李会军;王启刚;季刚;马增良;;一种基于M序列的噪声模型辨识方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 张红良;吴文启;胡小平;;一种新的里程计刻度因子在线辨识算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 侯志祥;;基于混合遗传算法的连续系统参数辨识[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 陈慧波;丁锋;;基于输出快采样数据的确定性系统最小二乘盲辨识方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
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8 邓忠华;李曦;叶小萌;;凹版套色印刷系统的模型控制研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
9 吴彭江;孙明轩;;两种离散时变系统的迭代学习辨识算法[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
10 王旭光;孙衢;;基于模糊免疫控制的PI调速器设计[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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1 张宏瀚;高性能U型减摇水舱系统设计与控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 高晓阳;甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究[D];甘肃农业大学;2010年
3 包兴先;基于模型定阶和信号消噪的海洋平台结构模态参数识别研究[D];中国海洋大学;2010年
4 汪木兰;神经网络硬化实现的共性技术在电力传动中应用研究[D];合肥工业大学;2010年
5 王淑珍;基于白光干涉超精密表面形貌测量方法与系统研究[D];华中科技大学;2010年
6 吴云良;扫描近场光学显微镜若干关键技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
7 韩丽丽;多率多输入系统的辨识[D];江南大学;2010年
8 高京广;非线性随机系统的稳定、镇定与优化[D];华南理工大学;2010年
9 王前;开关电源的协同控制理论及脉宽调制应用技术研究[D];华南理工大学;2010年
10 付永忠;基于AFM和硫系相变材料的超高密度数据存储机理研究[D];江苏大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 马爱清;真空差压铸造系统加压模型建立与控制算法设计[D];南昌航空大学;2010年
2 陈少华;基于Hopfield神经网络控制系统的研究[D];山东科技大学;2010年
3 张萍;激光合成波长干涉技术的信号处理方法研究[D];浙江理工大学;2010年
4 赵云;心律失常的心电监护与辅助诊断系统[D];郑州大学;2010年
5 王垚;液体离心机控制方案设计与实现[D];郑州大学;2010年
6 杨书显;基于PSO算法的氧乐果合成过程建模与控制研究[D];郑州大学;2010年
7 娄玉冰;基于“最优激励轨迹”的工业机器人动力学参数辨识研究[D];郑州大学;2010年
8 潘胤卓;舰炮自动化弹库交流伺服系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 房淋淋;基于DSP的纳米定位平台控制器的应用研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 徐达;柴油发电机组非线性鲁棒控制器研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【同被引文献】
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1 王玲;黄凤华;;基于内模控制的PID参数整定在车牌半成品生产线反光膜张力控制中的应用[J];电气技术;2009年05期
2 郭瑞青;程启明;杜许峰;郑勇;;大时滞过程的控制方法[J];上海电力学院学报;2008年03期
3 胡志强,胡志敏,李永丰,孙洁林,胡钧,李民乾;数字扫描探针显微镜中的DSP技术[J];电子显微学报;2000年01期
4 吴春富,肖海荣;一种改进型Smith预估补偿控制方案[J];山东交通学院学报;2004年02期
5 宋仁杰;王云宽;范国梁;;一种改进的Smith预估控制器[J];控制工程;2007年S1期
6 张津,李博,杨勇,张玉莉;图像处理技术在SPM系统中的应用(英文)[J];Transactions of Tianjin University;2001年03期
7 张晋,李平,杨智;无自衡大时滞过程Sm ith预估鲁棒控制方法[J];浙江大学学报(工学版);2002年05期
【二级引证文献】
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1 侯锡立;靳鹏云;;PI参数自整定扫描探针显微镜控制器的设计[J];微细加工技术;2008年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 侯锡立;基于DSP的PI参数自整定SPM控制器的设计[D];中国科学院研究生院(电工研究所);2008年
2 田玉梅;连续小波变换在FTIR分析中的应用研究[D];浙江师范大学;2009年
【二级参考文献】
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2 白瑞林,梁宏,刘尧猛;前馈网络控制器的研究[J];电子测量与仪器学报;1999年04期
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10 张鸿海,李文菊,师汉民,陈日曜;nm级制造用三维微定位的扫描探针显微镜[J];华中理工大学学报(社会科学版);1996年04期
【相似文献】
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1 张浩,卞永明,MalcolmC.Good;基于H_∞鲁棒控制的高楼主动振动控制策略[J];同济大学学报(自然科学版);1999年01期
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4 卢宏亮;袁世鹰;;永磁直线同步电动机垂直提升系统的鲁棒H_∞控制[J];矿山机械;2010年13期
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7 毕贞福,刘岩!250002;鲁棒控制与H_∞最优化简述[J];山东电力技术;2000年01期
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10 周武能,苏宏业,褚健;不确定时滞系统α-鲁棒输出反馈控制[J];浙江大学学报(工学版);2005年09期
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1 韩京清;张文革;高志强;;模型配置自抗扰控制器[A];1998年中国控制会议论文集[C];1998年
2 董文杰;贾英民;;H_2/H_∞混合控制的凸最优化设计[A];1996年中国控制会议论文集[C];1996年
3 张永春;霍伟;;串并联微动机器人的鲁棒控制[A];1999中国控制与决策学术年会论文集[C];1999年
4 叶庆凯;;鲁棒控制工具箱的研制[A];1995年中国控制会议论文集(上)[C];1995年
5 李响;郝继飞;苗见阳;;MIMO系统的广义误差反馈控制[A];1998中国控制与决策学术年会论文集[C];1998年
6 徐道义;钟守铭;;大系统分散控制与鲁棒控制的几个结果[A];1994年中国控制会议论文集[C];1994年
7 刘建军;何玉敖;;基于人工神经网络(ANNs)的结构振动鲁棒控制[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册[C];2003年
8 赵林坤;樊绍胜;;基于闭环增益成形的风力发电转速鲁棒控制[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 周东涛;兰维瑶;陈亚陵;;球形贮液箱液体晃动的H_∞控制器设计[A];1999中国控制与决策学术年会论文集[C];1999年
10 李树荣;田学民;张利洲;;热炉系统鲁棒控制器的设计[A];1997年中国控制会议论文集[C];1997年
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1 通讯员 张章 记者 冯珍;世界著名软计算专家玄光男教授到黄冈师院讲学[N];黄冈日报;2007年
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6 姜恩 记者 张丽辉;燕山大学关新平教授获2006年度高校自然科学一等奖[N];河北日报;2007年
7 赵红梅;我省培育成功小麦新品“衡观35”[N];河北日报;2007年
8 郭子明;多功能微波治疗仪的适应范围[N];农村医药报(汉);2007年
9 王乐民曹政;除药害要盯紧新苗头[N];健康报;2008年
10 本报特约记者  王握文 本报记者 龙军;一位数学教授的生命不等式[N];光明日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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6 丛佩超;空间机械臂抓取目标的碰撞前构型规划与控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
7 冯伟;超小型无人直升机飞行姿态的鲁棒控制研究[D];上海大学;2009年
8 常胜;半挂汽车列车动态特性分析与鲁棒控制[D];吉林大学;2011年
9 周国华;生产作业调度问题的软计算方法研究[D];西南交通大学;2003年
10 姜培刚;不确定时变时延系统的鲁棒控制及其在网络通信系统中的应用[D];清华大学;2004年
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1 王莹;新型汽车主动悬架系统及其鲁棒控制研究[D];广东工业大学;2005年
2 卜劭华;液压伺服驱动位置系统的鲁棒控制[D];燕山大学;2002年
3 秦岭;具有区域极点约束的不确定系统鲁棒控制[D];武汉科技大学;2003年
4 邹治军;基于模糊控制的Smith预估器的改进研究和设计[D];合肥工业大学;2005年
5 李勇;基于观测器的非线性系统鲁棒自适应模糊控制[D];大连理工大学;2006年
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9 安明伟;机床用磁悬浮系统悬浮高度的鲁棒控制研究[D];沈阳工业大学;2010年
10 陆磊;电动轮椅的建模与轨迹控制的仿真研究[D];上海交通大学;2010年
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