适于纳米定位的反馈控制技术的研究

论文摘要

随着纳米技术新时代的到来,微小位移量及微小物体几何形状测量已经进入了纳米、埃米量级,同时,现代精密加工技术的发展要求位移测量技术能在比较宽的量程上有极高的分辨率和很高的精度,研发新的纳米级定位及控制技术已成为众多尖端科技的迫切要求。为解决实验室中常用的SPM仪器易受环境中的干扰,进行了高精度纳米定位技术的研究。特别针对STM系统在扫描隧道状态下的纳米级测量及反馈控制的特性进行详细的分析,设计信号采集和控制硬件电路,选择合适的反馈控制方法,以减小干扰对定位稳定性的影响,提高定位精度。本论文主要阐述了以下几方面的内容:1.深入了解纳米定位技术的内容和发展情况,并以隧道效应的反馈控制技术为典型应用,研究有效的纳米级定位控制技术。2.设计了反馈控制系统的实验装置模型,并通过实时的反馈作用保证在隧道状态下精确定位,使整个系统工作时具有较高的稳定性。3.针对于纳米级高精度定位要求,设计了以DSP为核心的信号采集和控制硬件电路。电路板以TI公司的浮点型DSP为核心处理单元,通过CPLD完成逻辑运算,控制18位的AD,20位DA,外部存储器等部件协调工作。4.对于压电式微位移台的控制算法进行研究,讨论了传统的数字PID算法,智能控制中模糊控制算法的各自特点,并通过Matlab仿真进行了参数的分析。5.利用积分分离式PI控制算法进行了纳米定位的反馈控制实验,结果表明装置可以达到纳米级的位移分辨率,并且对干扰下的测量结果进行实时补偿,提高了工作于隧道状态的稳定性。此外,分析了该实验系统中干扰的来源,提出后续需要改进和解决的方面,为纳米定位研究奠定基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米定位技术的研究内容和现状
• 1.2 STM 仪器与隧道效应
• 1.3 本课题研究的内容和意义
• 第二章 反馈控制系统的整体构建
• 2.1 测头部分
• 2.2 微位移驱动装置
• 2.3 控制执行装置
• 2.4 信号采集及反馈控制硬件和软件
• 第三章 控制模型和算法的研究
• 3.1 控制模型的建立
• 3.2 PID 控制思想
• 3.3 针对压电元件的控制方法
• 第四章 反馈控制电路的硬件和软件设计
• 4.1 控制系统硬件的设计
• 4.2 控制系统的软件部分
• 第五章 实验及数据处理
• 5.1 系统硬件调试
• 5.2 积分分离式PI 控制算法的分析
• 5.3 试验系统的搭建
• 5.4 反馈控制系统实验
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢