納米操作平臺(tái)柔性微懸臂的模糊控制研究.pdf

1、碩士學(xué)位論文納米操作平臺(tái)柔性微懸臂的模糊控制研究TheFuzzyControlofF1exibleCantileVerinAFM：龍運(yùn)棟：機(jī)械電子工程：機(jī)電工程學(xué)院：李涵雄教授論文答辯日期蘭里!圭：三!!答辯委員會(huì)主席中南大學(xué)2012年6月1O日名業(yè)所師姓專(zhuān)豕教者科皖導(dǎo)作學(xué)學(xué)指中南大學(xué)碩士論文摘要摘要原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscope)作為現(xiàn)代納米科學(xué)研究的基本工具，已廣泛應(yīng)用于納米科技的各個(gè)研究領(lǐng)域中。原子力顯微

2、鏡的微懸臂主要用于納米操縱等。由于AFM微懸臂是微納米級(jí)的，具有柔性特征，微懸臂的探針與樣品間的原子作用力會(huì)導(dǎo)致微懸臂發(fā)生彎曲變形，影響AFM的控制性能；而微懸臂易受到外界擾動(dòng)的影響，會(huì)導(dǎo)致微納米級(jí)懸臂和探針的損壞，并可能會(huì)降低AFM在納米掃描、操縱等的控制精度，所以柔性微懸臂的控制精度對(duì)AFM納米探測(cè)和操縱非常重要。常規(guī)的控制方法需要微懸臂精確的數(shù)學(xué)模型，但由于微懸臂的非線性，時(shí)空耦合，擾動(dòng)等影響，在實(shí)際系統(tǒng)中，很難獲得微懸臂精確的數(shù)

3、學(xué)模型，并很難達(dá)到理想的控制要求。而模糊控制作為智能控制器，最大的優(yōu)點(diǎn)是具有較強(qiáng)的魯棒控制效果而且不依賴(lài)被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。因此，本文以原子力顯微鏡的微懸臂為研究對(duì)象，建立了AFM柔性微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型，提出了基于時(shí)空變量分離的模糊控制策略，并開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。論文主要研究工作包括一些幾個(gè)方面：(1)建立了AFM柔性微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型和壓電陶瓷的動(dòng)力學(xué)模型。首先，根據(jù)柔性微懸臂的動(dòng)態(tài)振蕩特性，并結(jié)合微懸臂針尖與樣本的

4、原子作用力模型，運(yùn)用歐拉一伯努利理論建立了微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型。然后，針對(duì)AFM壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的遲滯、非線性等特點(diǎn)，采用系統(tǒng)辨識(shí)方法建立其動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)分析微懸臂與驅(qū)動(dòng)的相互關(guān)系，建立了其整體動(dòng)力學(xué)模型，最后對(duì)微懸臂的分布參數(shù)系統(tǒng)模型，運(yùn)用時(shí)空變量分離的方法進(jìn)行低維近似。(2)設(shè)計(jì)了AFM微懸臂的基于時(shí)空變量分離的模糊控制策略。由于AFM柔性微懸臂的振蕩特性、復(fù)雜性和魯棒性等特點(diǎn)，結(jié)合模糊邏輯控制器不需要被控對(duì)象的精確模型和魯棒性