SECM微纳米定位建模及控制器设计

为适应扫描电化学显微镜(SECM)常规应用中100nm左右的微定位精度需求,同时降低其微定位控制器的成本,在分析SECM压电工作台运动定位数学模型的基础上,结合SECM实际应用中的特点,将压电工作台数学模型进行了合理的简化,并在此基础上设计了算法简单且易于实现的开环微定位控制器。以CHI900B型扫描电化学显微镜的三维压电工作台为实验对象进行建模和控制器设计,实验结果表明,压电工作台运动定位平均跟踪误差和最大跟踪误差分别为0.093、0.115μm,误差约0.1μm,可满足SECM常规应用中的微定位精度需求。建模过程和控制器设计简单易行且无须额外的微定位传感器,适于SECM的常规应用。     

STM微位移工作台的遗传神经网络控制技术

为了提高扫描隧道显微镜微位移工作台的定位精度,提出了一种基于遗传算法的神经网络PID控制方案。微位移工作台以压电陶瓷为驱动器、柔性铰链为导向机构,在分析工作原理的基础上,建立了工作台的数学模型。神经网络PID控制器对工作台进行闭环控制,能够在线调整网络加权值,实时改变PID控制器的系数,减小工作台的位移误差。利用遗传算法的全局搜索能力对BP网络的初始权值进行学习优化,有效消除了神经网络对初始权值敏感和容易局部收敛的缺陷,改善了控制器的控制效果。性能测试表明,12μm阶跃参考输入下的稳态误差从3.24%减小到2.55%,稳态时间从1.7 s缩短到1.1 s。     

一维压电式微定位机构的设计研究

针对精密工作台高速、低精度的矛盾,以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器,研究、设计了一种一维高分辨率压电式微定位机构。由于精密工作台高速运动产生的运动惯量较大,欲实现亚微米级的定位精度是很困难的,因而在精密工作台运行到位后,由微定位机构对检测装置所检测出的定位误差进行补偿,以提高工作台的定位精度;由于压电陶瓷微位移器件输出位移过小,因此提出了一种单自由度对称式柔性铰链放大机构来提高微定位行程。给出了机构的动力学模型,并结合光栅尺检测装置,设计并研制了数字闭环定位控制系统,对微定位机构的定位特性进行了测试。实测结果表明,此微定位系统可实现高分辨率、长行程定位,定位分辨率达0.01μm。     

气压式血液循环驱动器预防骨科术后下肢深静脉血栓

为提高压电陶瓷驱动的微定位工作台的模型精度,提出了一种基于动态递归神经网络的建模方法.压电陶瓷具有极高的位移分辨率,但存在着迟滞非线性.分析了压电陶瓷驱动器的结构和特性,利用动态神经网络的自反馈结构和自学习能力,建立起工作台的网络模型,通过在线调整模型结构和参数,减小了工作台的建模误差.测量工作台的定位数据对网络模型进行了训练,实验结果表明,当工作台最大行程为80 μm时,平均定位误差0.07 μm,最大误差0.09 μm,比采用静态网络模型有了一定的提高.     

精密工作台扰动观测器的设计

针对直线电机驱动、气浮导轨支撑的精密工作台没有阻尼、抗扰性能差的特点,为了抑制各种线缆扰动和直线电机推力波动的影响,提高工作台的定位精度、减小轨迹跟踪误差,采用扰动观测方法,基于直线电机精密工作台设计了前馈 反馈 扰动观测的控制器.详细讨论了扰动观测器的设计方法.实验结果表明,采用扰动观测器后,实现了±0.15μm 的静态定位精度,以150 mm/s匀速运动时轨迹跟踪精度保持在±1.5 μm 的误差带范围内.扰动观测器能够有效地抑制低频噪声和克服参数变化的不利影响.     

自适应控制在纳米加工微驱动器中的应用研究

为提高扫描隧道显微镜微驱动器的响应速度和定位精度,提出了一种基于自适应理论的控制方法。微驱动器采用压电陶瓷驱动,在分析其结构的基础上,建立了驱动器的简化运动模型,利用最小二乘法对驱动器参数进行了在线辨识。把自适应控制理论引入到微驱动器的控制中,在参数自校正PID控制律的作用下,实现了PID控制器参数的自动整定。采用专用的压电陶瓷驱动电源,进行了位移的测试实验。结果表明,参考位移量为12.39μm时,相对于传统PID控制,动态响应时间由3 s缩短到1.4 s,稳态位移误差由3.2%减小到2.7%。     

压电式微定位工作台及其控制系统

为了提高机床的定位精度，研究、设计了一种以柔性铰链为导向元件、压电陶瓷为驱动器的微定位工作台。微定位工作台在滚珠丝杠副驱动的基础上，对工作台进行了二次精定位。给出了工作台的设计简图，并对其动力学模型进行了分析，结合检测装置和微机控制系统，设计了基于前馈控制同数字PID反馈控制相结合的复合控制的微定位控制系统。实测表明，微定位工作台定位分辨率可达到0．01μm，可满足精密、超精密加工的需要。     

基于压电驱动的纳米级精密定位系统的研究

利用压电陶瓷致动器作为驱动元件设计了X-Y两自由度精密定位工作台,并利用有限元分析法对机构进行了优化设计,采用电阻应变片作为微位移检测传感器,在此基础上设计了闭环控制器,该控制器包括压电陶瓷驱动单元、微位移传感器检测单元和中央处理单元,最后利用PID控制法进行了闭环控制实验研究。实验结果表明,本系统具有较好的控制品质和优异的动态性能,在对10μm×10μm两自由度工作台的控制中,闭环控制精度达10nm,阶跃响应的稳定时间小于8ms。     

直线电机精密工作台运动控制器设计

为了提高精密工作台的轨迹跟踪精度和动态响应性能,基于辨识出的控制对象离散化模型,利用极点配置方法设计了精密工作台运动控制器的前馈环节和反馈环节,构成具有两自由度结构的精密工作台运动控制系统.通过实验,与PD＋加速度前馈的控制方式相比较,精密工作台静态定位误差提高了0.5 μm;当精密工作台以120 mm/s匀速运动时,轨迹跟踪精度提高了3 μm;定位建立时间缩短了10 ms.结果表明,采用极点配置方法设计的运动控制器具有较好的动态响应和轨迹跟踪性能.     

基于PI迟滞模型的压电陶瓷复合控制算法研究

为减小压电陶瓷的迟滞非线性对系统跟踪精度的影响,该文采用经典的存在逆解析的PI迟滞模型对压电陶瓷的迟滞特性进行建模,将PI模型的逆模型用于压电陶瓷的前馈控制算法中,然后设计了神经元比例、积分、微分(PID)反馈控制算法,将前馈控制算法与神经元PID反馈控制算法结合得到了压电陶瓷的复合控制算法。将仅含前馈的控制算法和复合控制算法在压电陶瓷的控制器上执行,实验结果表明,仅含前馈的控制算法的跟踪误差为1.256μm,而复合控制算法的跟踪误差仅为0.092μm,该复合控制算法使跟踪精度提高了1.164μm。     

人工全膝关节置换术后早期感染的治疗

设计一种以压电陶瓷为驱动,通过柔性机构放大输出位移的精密定位工作台.给出了该精密定位工作台的结构模型,建立了精密定位工作台的位置输入输出方程,分析和计算了柔性铰链微位移放大机构的位移放大倍数.通过仿真确定工作台各自由度的变形量与压电陶瓷驱动器伸缩量之间的关系与运动特性.结果表明,该精密定位工作台能实现定位误差为0.1 μm的高精度定位.通过与3点支撑微位移放大机构工作台的比较,显示出4点支撑微位移放大机构工作台可减小交叉耦合的影响.     

基于钝化微分的压电微动平台PID控制

为避免压电微动平台在工作过程中受到扰动或冲击,采用改进比例、积分、微分(PID)控制器对其进行控制。首先,在平台的PID控制器中引入低通滤波器,以降低微分环节对扰动或冲击的敏感性(即使微分环节对扰动或冲击产生钝化效应),进而设计出了压电微动平台的改进PID控制器;接着,基于所搭建的压电微动平台位移测量系统,实验验证了所设计的钝化微分PID控制器的效果。实验结果表明,在钝化微分PID控制作用下,平台具有较快的响应,达到5μm阶跃目标的响应时间为0.3s,无超调;平台的定位误差显著减小,在跟踪最大值为15.25μm的变幅值三角波时,定位误差中线由无控制时的-0.7～1.2μm减小为-0.1～0.1μm。     

空间组网光通信粗跟踪系统的模型预测控制

针对一对多组网光通信粗跟踪伺服控制系统,通过解析法和正弦扫频辨识建立了粗跟踪系统的模型,然后依据数学模型设计了模型预测控制器(MPC),进行了与比例-积分-微分(PID)控制器的对照实验。实验结果表明MPC控制器能以10μrad的误差跟踪0.1 Hz的正弦信号,跟踪精度是PID控制器的两倍。在叠加了50 Hz,幅值1.8 m随机噪声的情况下,MPC控制器的最大稳态跟踪误差为55μrad,只有PID控制器最大稳态跟踪误差的一半。并且在运动平台的粗跟踪实验中,MPC控制器的稳态误差最大为15μrad,PID控制器的稳态误差最大为25μrad。表明MPC控制器可以有效提高一对多光通信粗跟踪控制效果。     

采用变间隔阈值PI模型的压电平台前馈控制

为提高压电微动平台在运动过程中的定位精度,设计前馈控制器来控制平台输出位移。首先,根据压电微动平台迟滞曲线的特点,在不降低模型精度要求的前提下,对迟滞曲线非线性较大区域进行细密划分,对线性较好区域进行稀疏划分,进而建立了变间隔阈值的平台Prandtl-Ishilinskii(PI)迟滞模型;接着,通过对所建平台迟滞模型求逆,给出了平台的前馈控制算法;最后,将所设计的前馈控制器作用于平台,对其进行了实际控制。结果表明,在4μm的目标阶跃激励下,平台的响应时间为0.01s,无超调,稳态误差中线从无控制时的0.4~0.5μm减小为0~0.2μm;在最大值为20.7μm的幅值衰减三角波输入作用下,平台定位误差中线的最大正负差值从无控制时的3.82μm减小到1.15μm。所设计的控制器可有效减小压电微动平台的迟滞误差。     

压电微夹钳的迟滞及蠕变补偿

为提高压电微夹钳的操作精度,对其迟滞及蠕变误差进行补偿。基于压电材料迟滞曲线的非对称性,为提高微夹钳迟滞模型的精度,采用升回程分别建模的方法,建立了微夹钳的Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型,对迟滞误差进行了补偿。在综合考虑模型简单且具有较高精度的前提下,采用二阶惯性环节建立了微夹钳的蠕变模型,设计出无需求蠕变逆模型的补偿器,对蠕变误差进行了补偿。实验结果表明,在最大位移为120μm时,钳指位移的迟滞误差由补偿前的-11.8～10.7μm减小为-1.7～1.0μm;在900 s作用时间内,钳指位移的蠕变由补偿前的4μm几乎减小为0。     

基于神经网络的精密定位工作台建模方法

压电陶瓷的迟滞非线性使得难以用传统方法获取精确而且实时的数学模型,为了提高精密定位工作台的模型精度,提出了一种基于神经网络的建模方法.分析了定位系统的结构和特性,利用神经网络的自学习能力,建立起能够在线调整的网络模型.在最大行程80μm范围内进行了实验测试,与Preisach模型相比,网络模型的平均误差和最大误差均有所减小,与实际工作台有着更好的拟合性.     

基于单神经元PSD压电微驱动系统控制的研究

压电式微驱动器具有灵敏度高，响应快，易于控制，性能稳定等特点，由于压电陶瓷复杂的机理．它存在着迟滞、蠕变和非线性的压电误差，且受环境温度、外力振动等因素影响。在高精度定位时存在较大误差，为了消除压电陶瓷迟滞、蠕变、非线性及其他外部因素对定位精度的影响，采用了单神经元比例、求和、微分（PSD）功能的控制算法。实现微驱动定位工作台的实时控制。实验证明该控制算法对系统定位控制很有效。     

西宁地区去白细胞混合辐照手工血小板输注效果观察

提出一种以柔性铰链结构为导向机构、压电陶瓷为驱动器的三维超微定位平台,建立了压电陶瓷迟滞非线性模型,提出基于神经网络模型和模糊PI反馈控制的混合闭环控制器方法以提高系统的定位精度,对三维超微定位平台的阶跃响应和和跟踪误差进行了研究.实验研究表明,混合控制器方法消除了定位平台的残余振荡,提高了其定位速度和定位精度.     

基于率相关迟滞模型的压电微动平台前馈控制

为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响,该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先,在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型;其次,在经典Prandtl-Ishilinskii(PI)模型的基础上加以改造,得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型,并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联,得到分离式率相关MPI模型,进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器;最后,对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明,所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能,可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。     

电化学扫描探针显微镜在表面微/纳米加工的应用

概述了在固/液界面微/纳米加工中经常采用的三种电化学扫描探针显微镜(EC-SPM)技术,分别讨论了电化学扫描隧道显微镜(EC-STM)、电化学原子力显微镜(EC-AFM)和扫描电化学显微镜(SECM)在应用于微/纳米加工时的基本原理和各种方法,并综合比较和分析了这三种技术的优缺点.