移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统的设计

建立了移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统以提高全息光栅槽型对比度并降低由外部环境造成的曝光干涉条纹相位移动。根据系统的组成原理,分析了相位测量系统中莫尔条纹的产生条件及其与干涉条纹相位变化的关系,给出了探测器的选择方法。根据系统精度要求计算了A/D转换位数,自行设计了数字控制系统。提出采用光束移频方法来调整条纹相位,应用声光调制器对干涉条纹移动进行实时校正。实验结果表明,该系统采样频率可以达到5kHz,对干涉条纹漂移和10Hz以下的低频振动都有较好的抑制作用,相位变化3σ值小于0.12rad,即相位变化小于±0.02个干涉条纹周期。该系统可以实时有效地锁定曝光干涉条纹,较好地满足全息曝光的要求。     

扫描干涉光刻机的超精密移相锁定系统

扫描干涉光刻机移相锁定是实现大面积高精度全息光栅曝光拼接的关键之一。为了实现大面积高精度全息光栅高精度曝光拼接,针对扫描干涉光刻机步进扫描拼接轨迹,重点开展了移相锁定系统的研究。在零差移频式相位锁定分系统和外差利特罗式光栅位移测量干涉仪的基础上,阐述了扫描干涉光刻机的新型移相锁定系统原理。针对新型的移相锁定系统原理,构建了移相锁定控制系统实验装置。最后,基于移相锁定控制实验装置,针对移相锁定定位性能,开展了移相锁定定位控制实验以及影响控制精度的因素分析,实现了±3.27nm (3σ,Λ=251nm)的定位控制精度;针对移相跟踪控制性能,在移相跟踪控制精度实验分析的基础上,利用陷阱滤波PID控制实现了±4.17nm(3σ,Λ=251nm)的跟踪控制精度。     

干涉条纹相位锁定系统

干涉曝光系统中干涉条纹的相位漂移会导致曝光对比度降低,为了有效抑制相位漂移,利用声光调制器对干涉光频率进行实时调制。分析了条纹漂移的特点,指出了主要干扰源是0~5 Hz的空气扰动。应用数值分析法得到了条纹漂移量与曝光对比度的关系曲线,并以此为依据提出了条纹锁定精度的目标值。针对所要达到的锁定精度,给出了系统硬件的选型方法,搭建了基于RTX的干涉条纹相位锁定系统。利用闭环辨识的方法得到了系统的参数模型,完成了反馈控制器的设计,最终实现了实时锁定条纹相位的功能。实验结果表明,在400Hz的控制频率下,干涉锁定系统能够有效抑制0~5Hz的低频扰动,干涉条纹相位漂移的3σ值可以控制在±0.04个条纹周期内,满足干涉光刻的曝光对比度要求。     

四步数字相移全息干涉术三维变形测量

针对目前相移控制器件费用高、操作复杂等不足,提出了一种数字相移方法.并将其与全息干涉术相结合,进行了相移全息干涉术的实验研究.应用MATLAB软件,结合图像处理方法,通过对全息干涉条纹精确控制使其定向移动,实现了四步相移,获得4个干涉图.应用四步相移法原理和相位去包裹方法,最终成功求得物体变形引起的三维位相差,实现物体变形的三维测试.实验表明,该方法不仅简化了全息干涉测试的光学装置,避免传统相移器件相移精度低、容易造成相移误差的缺点,且操作简单,测试精度高,其精度容易达到1/10波长.     

非最小相位系统自适应模型逆技术研究

针对非最小相位系统中的轨迹跟踪控制问题,基于非最小相位系统的闭环注入体系结构,对非最小相位系统的前馈控制器设计方法、模型逆技术以及自适应控制进行了研究。首先,采用非最小相位零点忽略技术、零相位误差跟踪控制技术和零幅度误差跟踪控制技术设计了系统的前馈控制器,并对3种模型逆技术进行了分析;在此基础上针对系统中非最小相位零点的偏移问题,采用遗忘因子最小二乘法实现了前馈控制器的自适应;最后进行了仿真和试验。研究结果表明:相对于使用零相位误差跟踪控制技术和非最小相位零点忽略技术,采用零幅度误差跟踪控制技术设计的前馈控制器能够更有效地提高非最小相位系统的跟踪精度,系统的轨迹跟踪误差分别减少了61.45%和56.27%;使用自适应算法能够实现对系统参数变化的自适应控制,提高了系统的抗干扰性能。     

误差补偿技术在相位偏移干涉测量中的应用

在研究泰曼—格林相位偏移干涉仪测量原理基础上，分析了位移驱动器移相误差对五幅移相计算结果的影响，一阶线性误差和二阶非线性误差是相位偏移干涉测量技术中产生相位误差的主要因素；提出了五幅算法移相误差补偿技术，该方法直接从相位偏移干涉图中计算移相过程中存在的一阶及二阶移相误差，对五幅算法结果进行误差修正；采用玻璃平晶为测试对象，建立了泰曼一格林干涉仪移相误差补偿原理试验系统。试验结果表明在同时存在一阶移相误差及二阶移相误差情况下，采用提出的移相误差补偿方法可以将位移测量精度提高6倍，相当于采用氦氖激光器的倍程干涉仪中位移精度达到1．0nm。     

相位偏移干涉测量波面的一种新算法

本文分析了利用相位依稀干涉的相位计算方法对测量结果准确程度的影响,提出了一种利用相位偏移干涉原理测量波面的新算法（四幅改进算法）。考虑到移相误差是导致相位偏移干涉测量法产生误差的主要因素,本文着重讨论相位偏移干涉测量算法对移相误差的敏感程度。根据对实验测试机构所进行的测量与分析,以实际的数据为基础得出在相位人多干涉测量算法对移相误差的敏感程度,根据实验测试机构所进行的测量与分析,以实际的数据为基础得出在相位偏移干涉测量中新算法的优秀品质。该新算法对移相误差有良好的抑制作用,无论是理论分析速 是实际测量效果都很好。     

基于BSO晶体反射式全息光栅的振动测量系统

以光折变晶体硅酸铋(BSO)为记录介质,构建了基于反射式全息光栅零差干涉振动测量系统。系统中的参考光与被振动信号调制的信号光以反射式记录全息的方式射入BSO晶体,在晶体内干涉形成反射式动态全息并实时衍射,通过对信号光的透射光和参考光的衍射光所形成的干涉信号进行解调即可得到所测的振动信号。研究了两入射光束夹角、光强比、晶体晶向等测量条件对系统测量灵敏度的影响,分析了耦合增益与测量灵敏度的关系。结果表明,以压电陶瓷(PZT)为被测对象时,系统最高可探测到频率为360kHz的振动信号。分析显示:由于反射式全息降低了布拉格光栅的空间周期,提高了入射晶体的信号光和参考光的耦合效率,故其测量灵敏度高于透射式全息光栅振动测量系统。     

阀控非对称缸非线性系统高精度位置跟踪鲁棒控制研究

针对阀控非对称缸电液位置伺服系统的非线性和不确定因素,采用试验方法建立了等效的线性不确定模型,并在理论线性化模型的基础上确定了抗负载干扰指标,设计了定量反馈(QFT)鲁棒控制器。在发现相位误差较大的情况下,采用零相差跟踪控制器代替前置滤波器,并用设计的零相移低通滤波器来抑制零相差跟踪控制器的高频增益。试验结果证明:改进后的定量反馈控制能够获得更高的曲线跟踪精度。     

高频相位式激光测距频率源分析与改进

为优化相位式激光测距的频率源设计,提高测距准确度,通过建立频率源的相位噪声和频差在电路中的传递模型,分析二者对测量误差的影响程度,得出频差是影响测距误差的主要因素,提出通过混频器改进锁相环频率源的方法.该方法采用混频器替代传统锁相环反馈同路的分频器,缩短锁相环的锁定时间,从而提高相位式激光测量的准确度.实验结果表明,在测量频率达每秒百万次时,改进后频率源引起的误差降低了39％,该方法能有效提高相位式激光测量性能.     

基于自抗扰控制的无刷直流电机换相转矩脉动抑制的研究

针对无刷直流电机在运动中会产生转矩脉动且转矩脉动会影响无刷直流电机运行的稳定性和可靠性的问题,结合现代控制理论,研究了无刷直流电机的数学模型,设计了一种基于自抗扰控制器的无刷直流电机换相转矩脉动抑制的方法。通过降低无刷直流电机的转矩脉动并且结合DSP高速运算处理器实现了其算法的控制,更好地提高了其稳态性能。采用自抗扰控制技术对无刷直流电机的换相转矩脉动进行了抑制。通过消除转速响应的超调,扩张状态观测器检测系统的相电流脉动以及用非线性状态反馈控制率对检测到的电流脉动误差值进行补偿抵消,以达到了抑制相电流脉动的效果,从而抑制了转矩的脉动。通过实验验证,自抗扰控制器比PI控制能够较好的抑制直流电机的换相转矩脉动,从而能够提高电机在运动中的稳定性。     

高精度非球面加工双轴动平衡监控技术研究

提出一个智能型双轴动平衡监控系统, 针对高精度加工中工件和工具的振动会相互作用而影响加工效果,该系统同时对砂轮主轴和工件主轴进行平衡,集中处理工具和工件的振动数据,综合分析整个加工系统的平衡效果及工件的表面误差情况,从而达到减少工件加工误差,降低设备磨损,提高磨削加工精度的目的。实验结果表明,对振动数据的分析是正确的, 可实现高精度的非球面加工。     

超精密环境温度控制及温度测量技术研究

分析在超精密加工环境中进行高精度温度测量与控制的原理及方法。在分层次逐步实现的原则下,依据传热学原理,规则并初步建成了一个超精密的加工环境。     

ZERO PHASE ERROR REAL TIME CONTROL FOR FLIGHT SIMULATOR SERVO SYSTEM

Flight simulator is an important device and a typical high performance position servo system used in the hardware-in-the-loop simulation of flight control system. Without using the future desired output, zero phase error controller makes the overall system's frequency response exhibit zero phase shift for all frequencies and a very small gain error at low frequency range can be achieved. A new algorithm to design the feedforward controller is presented, in order to reduce the phase error, the design of proposed feedforward controller uses a modified plant model, which is a closed loop transfer function, through which the system tracking precision performance can be improved greatly. Real-time control results show the effectiveness of the proposed approach in flight simulator servo system.     

基于电流变阻尼超精密气浮工作台建模及控制研究

随超精密装备加工精度和生产率的不断提高,直线气浮系统得到广泛重视和研究。为解决直线气浮系统抗干扰能力较差等问题,针对已开发的超精密直线气浮工作台,设计了电流变剪切模式阻尼器;建立了气浮工作台整体模型并基于屈服前后平滑过渡的Eyring连续本构模型通过辨识得出电流变剪切阻尼器类稳态模型;分别对零电场线性及高电场非线性电流变阻尼2种情况下的气浮工作台应用误差积分LQR控制器;为达到综合最优,进一步提出开关及滑模控制器,实验证实这2种控制策略均能同时提高系统的响应速度、减少建立时间,降低跟踪误差及纹波。     

Model predictive control based on reduced order models applied to belt conveyor system

In the paper, a model predictive controller based on reduced order model is proposed to control belt conveyor system, which is an electro-mechanics complex system with long visco-elastic body. Firstly, in order to design low-degree controller, the balanced truncation method is used for belt conveyor model reduction. Secondly, MPC algorithm based on reduced order model for belt conveyor system is presented. Because of the error bound between the full-order model and reduced order model, two Kalman state estimators are applied in the control scheme to achieve better system performance. Finally, the simulation experiments are shown that balanced truncation method can significantly reduce the model order with high-accuracy and model predictive control based on reduced-model performs well in controlling the belt conveyor system.     

Intersatellite laser ranging with homodyne optical phase locking for Space Advanced Gravity Measurements mission

In this paper, we present the scheme and the preliminary results of an intersatellite laser ranging system that is designed for the Earth's gravity recovery mission proposed in China, called Space Advanced Gravity Measurements (SAGM). The proposed intersatellite distance is about 100 km and the precision of inter-satellite range monitoring is 10 nm/Hz(1/2) at 0.1 Hz. To meet the needs, we designed a transponder-type intersatellite laser ranging system by using a homodyne optical phase locking technique, which is different from the heterodyne optical phase-locked loop used in GRACE follow-on mission. Since an ultrastable oscillator is unnecessary in the homodyne phase-locked loop, the measurement error caused by the frequency instability of the ultrastable oscillator need not be taken into account. In the preliminary study, a heterodyne interferometer with 10-m baseline (measurement arm-length) was built up to demonstrate the validity of the measurement scheme. The measurement results show that a resolution of displacement measurement of about 3.2 nm had been achieved.     

基于定量反馈理论的液压机器人单关节鲁棒控制器

液压机器人单关节性能直接影响机器人整体控制性能,液压系统参数的不确定性和时变性降低了机器人单关节控制精度和响应速度,因此要求机器人单关节控制器具有鲁棒性。建立了伺服阀控制摆动液压缸数学模型,分析了系统参数的不确定性,应用定量反馈理论 (QFT)设计了单关节鲁棒控制器。仿真表明,该控制器对斜坡干扰和正弦干扰都具有较强的鲁棒性,实验验证了控制算法的正确性。     

KDP晶体单点金刚石飞切轨迹波纹误差辨识研究

频率辨识是消除或抑制KDP晶体超精密金刚石飞切轨迹波纹误差的重要前提。针对该问题,提出了一种基于空间频率变换的飞切轨迹波纹误差辨识方法。该方法通过提取表面飞切轨迹上的轮廓幅值,计算其波纹误差的空间频率,然后采用飞切线速度进行转换,获得时间域上的频率值,实现波纹误差特征频率的准确分离。将误差特征频率与切削振动频率、机床气浮主轴系统的固有频率进行对比分析,明确了气浮主轴在断续切削力作用下产生的自激振动和来自电机的受迫振动是导致KDP晶体金刚石飞切波纹误差的根本原因。在此基础上,通过对主轴驱动及结构的优化,工艺实验结果表明,大口径KDP晶体飞切后的PSD1(2.5~33mm)频段内波纹误差RMS值由53nm降低至12nm。