原子力顯微鏡自動控制算法研究.pdf

1、原子力顯微鏡(AFM)是一種廣泛應(yīng)用在納米科技領(lǐng)域的表征與操作儀器。其發(fā)明及技術(shù)的革新在推動化學(xué)、材料、生物等納米相關(guān)學(xué)科發(fā)展方面起了非常重要的作用。然而，AFM成像模式帶來的缺陷，如成像速度低，對樣品損傷大，操作不靈活等，卻阻礙了其進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展。因此，近年來，研究人員在提升和擴(kuò)展AFM的功能方面做出了大量的努力和嘗試。而在涉及物理、機(jī)械、自動控制等多個學(xué)科的研究中，AFM的控制系統(tǒng)又因存在諸多復(fù)雜問題而給控制算法的設(shè)計帶來新的挑

2、戰(zhàn)。簡言之，這些問題主要包括：壓電掃描器的遲滯非線性影響定位精度；壓電掃描器較低的振動模態(tài)以及逐行掃描的成像模式限制了掃描成像的速度；系統(tǒng)模型參數(shù)未知導(dǎo)致控制器參數(shù)調(diào)節(jié)繁瑣等。針對這些問題，本文對AFM的控制算法展開研究，旨在通過設(shè)計先進(jìn)控制器進(jìn)一步提升AFM的成像性能。具體而言，本文的主要工作包括以下四個方面：
　　 首先，提出了兩種基于圖像的遲滯建模與控制算法。遲滯非線性存在于包括壓電掃描器在內(nèi)的多種機(jī)電系統(tǒng)中，因其輸入輸出

3、之間存在極其復(fù)雜的多重映射關(guān)系，所以對遲滯的建模與控制一直是自動控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。在本項(xiàng)研究中，借助AFM圖像，并利用已知準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，完成了對Preisach與變比兩種遲滯模型的參數(shù)辨識。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于逆的遲滯前饋補(bǔ)償算法，將補(bǔ)償方法用于實(shí)驗(yàn)室自行搭建的AFM開放式平臺上并對多種樣品進(jìn)行測試，結(jié)果表明該算法對遲滯引起的圖像畸變有明顯的抑制作用。此外，和傳統(tǒng)方法相比，該方法避免了納米級位移傳感器的使用，且針對AFM的

4、特點(diǎn)，降低了算法的復(fù)雜度，更利于在AFM實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用。
　　 第二，設(shè)計了一種基于學(xué)習(xí)策略的壓電掃描器遲滯與振動控制方法。傳統(tǒng)的AFM通常工作在較低的掃描頻率下，因此，相對于遲滯效應(yīng)，壓電掃描器的振動模態(tài)并未對AFM圖像質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響。但當(dāng)前的科學(xué)研究迫切需要提高AFM掃描成像的速度。在這種情況下，壓電掃描器的動態(tài)特性將被激發(fā)，并且與其遲滯非線性耦合在一起，從而增加了控制器設(shè)計的難度。本文考慮到AFM逐行掃描的特點(diǎn)，設(shè)計

5、了雙環(huán)學(xué)習(xí)控制策略對系統(tǒng)中的動態(tài)不確定性和遲滯非線性環(huán)節(jié)分別學(xué)習(xí)，并利用滑模和自適應(yīng)控制器處理以上部分的學(xué)習(xí)誤差。通過李雅普諾夫方法對所設(shè)計的控制器進(jìn)行了嚴(yán)格的穩(wěn)定性分析。仿真結(jié)果表明，該算法能明顯增加控制系統(tǒng)的帶寬，提升跟蹤周期性軌跡的性能，從而抑制高頻輸入下壓電掃描器振動模態(tài)的影響。
　　 第三，提出了一種用于輕敲式AFM的輸出反饋魯棒自適應(yīng)控制算法。在實(shí)際AFM運(yùn)行時，由于更換樣品、掃描器或探針均會改變系統(tǒng)模型的參數(shù)，因而

6、需要重新調(diào)整控制器的增益，而這對測試人員來說是非常繁瑣的工作。為此，本文首先詳細(xì)分析了輕敲式AFM的工作過程，提出了一種簡化的系統(tǒng)模型，在該模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了K-濾波器以用于輸出反饋控制。進(jìn)而，針對系統(tǒng)中的未知參數(shù)和樣品擾動，分別設(shè)計了自適應(yīng)環(huán)節(jié)和魯棒控制器加以處理。此外，由于AFM探針檢測系統(tǒng)的測量范圍有限，有可能發(fā)生輸出飽和問題，因此，本文還對算法在輸出飽和情況下的性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，計算得出飽和問題的吸引域，算法的穩(wěn)定性通過李雅

7、普諾夫方法進(jìn)行了證明。
　　 第四，針對AFM逐行掃描的特點(diǎn)，提出了用于慢變期望軌跡的迭代學(xué)習(xí)控制算法。在AFM成像過程中，由于控制系統(tǒng)需要在每個掃描點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以保證較好的圖像質(zhì)量，這一方面將增加調(diào)節(jié)時間，另一方面還會加劇對探針和樣品的損傷。為減弱這兩方面的影響，本文將學(xué)習(xí)控制算法用于AFM成像控制系統(tǒng)中。但輸出飽和問題的存在以及在迭代域內(nèi)期望軌跡逐漸變化，使得分析學(xué)習(xí)控制器的收斂性更加困難。因此，本文針對這兩個方面分別展開