高速扫描探针显微镜中的控制技术研究

扫描探针显微镜（SPM）在微电子学、微机械学、新型材料、电磁学、化学和生物医学、纳米技术、 纳米制造和纳米操作等领域具有广泛的应用和巨大的应用前景。然而，SPM的工作速度已经成为SPM技术的瓶颈。当前的超高速SPM存在着明显的局限，主要是由于现有控制技术无法克服超高速成像中的一些关键问题。本项目将重点研究超高速SPM中的控制问题，研究具有足够带宽的前馈反馈双自由度控制系统和能够充分利用控制器带宽的自适应采样成像方法，以及研究充分考虑压电驱动器的非线性磁滞动态和悬臂时变动态的控制系统。通过这些关键理论的突破，以期能够实现适用于大尺寸和大粗糙度样本的超高速SPM。本项目以取得具有现实应用前景的原创性的理论成果为目标，对推动促进我国SPM技术的发展及其在上述前端领域的应用具有重要意义。

项目组按照资助项目计划书中的既定研究计划开展了研究工作，取得了预期的研究成果，实现了各项研究目标。迄今为止，本项目已在国内外控制领域主要学术期刊发表论文7篇，其中SCI收录4篇，EI检索3篇, 包括在控制领域主要学术期刊Automatica上发表论文一篇，在控制领域主要学术期刊IET Control Theory and Applications发表学术论文两篇；参加国际和国内学术会议并作口头报告4次(含即将参加的学术会议一次),包括参加控制领域主要学术会议American Control Conference（ACC）两次(含即将参加的2013年ACC)，在2012年第31届中国控制会议上牵头组织了“扫描探针显微镜中的先进建模与控制技术”专题邀请组，先后发表会议论文4篇（含已录用1篇），被EI检索3篇。. 对SPM X-Y平面的轨迹跟踪控制问题，本项目组提出了基于系统鲁棒逆前馈和混合灵敏度反馈的二自由度多输入多输出控制方法以及基于鲁棒开环解耦的系统逆控制方法，实验结果表明这两种方法能够有效地提高SPM 水平扫描的跟踪控制性能；对于SPM竖直方向控制问题，本项目组提出了基于内模的鲁棒系统逆前馈反馈二自由度控制方法，应用结果表明该方法具有更好的抗干扰能力和控制性能；同时，本项目组创新地将数值计算理论中的样条插值理论应用于SPM的扫描控制中，取得了较好的应用效果；对于SPM扫描轨迹切换问题，本项目组提出了一种基于系统逆和预览（Preview-based）的输出跟踪方法，该方法可以应用于非最小相位系统中，能够有效地处理跟踪非周期信号时的过渡切换问题；项目组还对与SPM控制相关的控制理论进行了研究，包括自适应跟踪采样控制器设计、非线性系统的采样输出反馈控制理论、线性时变系统的自适应观测器设计等。此外，三年来，项目组密切关注SPM控制领域的最新研究进展，对该领域未来的发展方向进行了系统的分析和研究，这些结果已整理成综述论文并已发表，为未来的相关研究与应用奠定了良好的基础。