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毕业论文-精密扫描台运动控制与实验，共138页，49348字
中文摘要
由瑞利原理可知，传统的光学度量技术无法进行纳米尺度的划痕度量。相
比之下，原子力显微镜由于其微探针针尖半径处于纳米尺度范围，监测系统在
横向与纵向分辨率都能达到纳米级，可以在原子尺度上研究样品表面特性，实
现快速测量。压电陶瓷位移驱动技术由于其良好的控制特性和超高分辨率，广
泛应用在原子力显微镜中。
本论文首先对压电陶瓷的特性进行了分析，并采集数据进行验证。在重点
对压电陶瓷迟滞进行分析基础上，介绍了压电陶瓷迟滞建模的国内外研究现
状。采用 Preisach 模型对实验所用的压电陶瓷进行迟滞建模。同时，基于实验
数据规律建立了多项式拟合迟滞模型。
针对现有条件的不足，设计精密微调机构，能够很好地完成实验的数据采
集和精密扫描运动控制。
完成了扫描台驱动控制软件。利用软件的不同模块，实现对压电陶瓷特性
数据采集、开环控制、闭环控制等功能。实验中，基于 Preisach 模型的多项式
拟合逆模型对压电陶瓷进行开环控制实验，开环控制精度达到 40nm；同时利
用电容位移传感器，结合单神经元 PID 控制算法，实现了对压电陶瓷的闭环控
制，定位精度达 1nm。实验结果表明，本闭环控制方法能够实现精密扫描台的
快速、稳定与高精度运动控制。
关键词：原子力显微镜；压电陶瓷；迟滞；Preisach 模型；单神经元 PID

目录
第 1 章 绪论 ....... 1
1.1 课题背景和研究意义 ..... 1
1.1.1课题背景 ... 1
1.1.2研究意义 ... 1
1.2 原子力显微镜 ........ 2
1.2.1 概述及工作原理 ... 2
1.2.2 扫描成像模式分类 ....... 4
1.3 精密扫描系统研究现状 . 7
1.3.1扫描方式分类及发展 . 7
1.3.2驱动方式分类及发展 . 9
1.4 压电扫描台结构 .. 14
1.4.1驱动原理 . 14
1.4.2Z 向扫描台结构 ........ 15
1.4.3 X-Y 平面扫描台结构 ........ 16
1.4.4三维扫描台结构 ....... 18
1.4.5控制系统 . 19
1.5 本章小结及各章内容介绍 .... 19
1.5.1 本章小结 ... 19
1.5.2 各章内容介绍 .... 20
第 2 章 压电陶瓷材料及特性 .... 21
2.1概述 .. 21
2.1.1 研究历史 ... 21
2.1.2 应用 ... 21
2.2 压电材料及其机电耦合效应 23
2.2.1 机电耦合效应 ..... 23
2.2.2 压电材料 ... 24
2.3 压电特性分析 ...... 25
2.3.1 位移特性 ... 25
2.3.2 迟滞特性 ... 26
2.3.3 输出力-位移特性 ........ 27
2.3.4 温度特性 ... 27
2.3.5 蠕变 .. 28
2.4 压电陶瓷迟滞非线性建模 .... 29
2.4.1 建模研究现状 .... 29
2.4.2 标量迟滞模型的研究概况 ... 30
2.4.3 矢量迟滞模型的研究概况 ... 31
2.4.4 Preisach 模型 ....... 31
2.4.5 多项式拟合迟滞模型 . 35
2.4.6 建模存在的问题及展望 ...... 37
2.5 本章小结 ..... 38
第 3 章 单神经元 PID 控制与仿真分析 ...... 39
3.1 控制算法研究现状 ....... 39
3.2 系统控制算法及其仿真 ........ 40
3.2.1 控制算法分析 .... 40
3.2.2 控制仿真、参数优化及分析 ....... 47
3.3 本章小结 ..... 68
第 4 章 实验系统设计与分析 .... 69
4.1 实验系统 ..... 69
4.1.1 样品扫描系统 .... 70
4.1.2 数据反馈系统 .... 72
4.2 精密微调机构设计 ....... 75
4.3 软件设计 ..... 76
4.3.1 模块软件说明 .... 76
4.3.2 模块软件功能及流程 . 79
4.4 本章小结 ..... 82
第 5 章 扫描台运动控制实验 .... 83
5.1 实验步骤及测试注意事项 .... 83
5.2 压电陶瓷特性实验 ....... 83
5.3 基于多项式拟合迟滞模型的开环控制实验 ... 84
5.4 闭环控制实验 ...... 86
5.4.1 简单算法的闭环控制实验 .. 86
5.4.2 基于单神经元 PID 控制的闭环控制实验 ..... 87
5.5 实验分析 ..... 91
5.6 本章小节 ..... 91
第 6 章 总结 ..... 92
6.1 论文工作主要内容及贡献 .... 92
6.2 对下一步研究工作的建议 .... 93
插图索引 .. 94
表格索引 .. 97
参考文献 .. 98
致 谢 ...... 101
声明 ........ 103
附录 A：精密位移扫描台加工图 ..... 105
附录 B：书面翻译 ... 107