纳米操控系统的控制方法:超精密运动关键技术实现
2017-09-28
 
纳米操控系统在完成超高精度的运动任务中扮演了重要的角色,并被广泛应用于原子力显微镜、纳米装配与制造、半导体装备等新兴工业领域。
纳米操控系统之所以能够实现纳米级的运动精度,压电微执行器和柔性机构在其中起着至关重要的作用。一方面,压电微执行器具有高带宽、高分辨率、体积小等优点;另一方面,基于柔性机构的放大与导向等机械设计有效避免了摩擦力的影响。然而,这类伺服系统也不可避免的带来了迟滞非线性和柔性高阶模态等复杂动力学问题,造成系统模型的复杂性,再加上纳米操控系统对高性能运动的极限精度要求,使得这类系统的高精密运动控制极具挑战。
针对上述问题的控制系统设计,目前一条被广泛认可的研究思路是先对纳米操控系统中的迟滞特性部分和机电特性部分进行建模,再通过迟滞前馈补偿和反馈控制方法相结合,对迟滞非线性、建模误差和高频未建模动力学进行有效的抑制和消除。从反馈控制设计的层面来说,现有的工作注重研究闭环控制系统的稳定性问题,但是缺乏对建模误差和高频未建模动力学所引起运动误差的定量分析和精确消除。
 
 
 
1 纳米操控系统的实验搭建
 
为了进一步提升纳米操控系统的运动精度,并兼顾系统的暂态性能,北京航空航天大学闫鹏教授课题组提出了一种基于率相关Prandtl-IshlinskiiPI)迟滞模型补偿的自适应积分反推控制方法,通过迟滞补偿与基于干扰观测器的反馈控制方法相结合,更有效解决纳米操控系统中的迟滞非线性、模型不确定以及高频未建模动力学问题。
 
 
 
2 实验测量的迟滞环与率相关PI迟滞模型在X轴和Y轴的比较
 
该方法对压电纳米移定位平台中的不对称和率相关的迟滞非线性进行了更为精确的建模和补偿,并考虑了由系统建模误差所引起的逆补偿误差,进而通过滑模干扰观测器和自适应积分反推控制方法相结合,对逆补偿误差进行了精确的估计和消除,从而为这类系统的高精度运动控制提供了一个有效的途径。
 
 
 
3 圆轨迹跟踪和跟踪误差
 
 
 
4 基于纳米伺服技术的高精度SPM扫描系统
 
在本研究中,我们还开展了所提控制方法的综合实验研究。通过将控制方法以嵌入式实时算法形式用于自行设计搭建的纳米伺服系统(见图1),我们不仅验证了率相关PI模型对纳米操控系统中迟滞特性的成功描述(见图2),也验证了所提控制方法具有极好的跟踪性能,如图3所示,双轴极坐标跟踪误差大约在30纳米以内,相对误差低于0.6%
这种高精密运动控制技术,和现有纳米定位方法相比,具有更强的轨迹跟踪能力和更高的瞬态性能,因此在以动态精密扫描为关键技术的原子力显微镜(AFM)和扫描探针显微镜(SPM)等应用中更具潜力,见图4
 
 
闫鹏,自动化科学与电气工程学院,教授,青年千人,E-mail:yanpeng@buaa.edu.cn
 
 
参考文献
[1]Y. Zhang and P. Yan*, Sliding mode disturbance observer-based adaptive integral backstepping control of a piezoelectric nano-manipulator, Smart Materials and Structures, vol.25, no.12, pp. 125011-1-125011-12, 2016.
[2]Y. Zhang, P. Yan*, and Z. Zhang, Robust adaptive backstepping control for piezoelectric nano-manipulating systems, Mechanical Systems and Signal Processing, vol.83, pp.130-148, 2017.