超高速扫描探针显微镜中的L1自适应控制理论研究

新一代超高速扫描探针显微镜（SPM）的研制是当今纳米技术领域中的一项难题，而超高速纳米定位系统更是其中的关键技术。本项目拟从理论和实验应用两个方面对其中的一些基本控制问题进行研究，采用L1自适应控制理论的方法改善纳米定位系统，从而提高显微镜的成像速度以及纳米推动的可靠性。具体研究内容包括：研究L1自适应控制理论，并将之扩展到非仿射高阶多输入多输出非线性不确定系统；利用Lyapunov方法保证系统的瞬态和稳态响应；根据Preisac框架原理，建立压电陶瓷驱动器中的蠕变、磁滞等强非线性环节的输入输出关系并利用在线逼近单元加以补偿；实现L1算法与显微镜控制系统的嵌入式集成；建立显微镜探针与纳米颗粒之间作用力的多维度、非稳态物理模型，使用新的控制器设计进行初步的全自动纳米推动实验。本项目研制成功后，将提高显微镜的成像速度10倍以上，并为实现纳米生产奠定理论基础。

新一代超高速扫描探针显微镜（SPM）的研制是当今纳米技术领域中的一项难题，而超高速纳米定位系统更是其中的关键技术。本项目从理论和实验应用两个方面对其中的一些基本控制问题开展了研究工作，采用系统辨识技术、L1自适应控制理论、计算机图形学等方法改善纳米定位系统，从而提高显微镜的成像速度以及纳米推动的可靠性。具体完成的研究内容包括：提出了一种新的L1自适应控制理论，扩展到非仿射高阶多输入多输出非线性不确定系统，通过严格的数学证明保证了系统的瞬态和稳态响应；针对压电陶瓷驱动器中的磁滞效应，研究了基于非对称高斯函数的多模型线性参数变化模型辨识方法，并搭建了一套基于L1自适应控制理论的纳米平台控制系统，实验结果表明该平台比传统的PID控制具有更高的控制精度；面向纳米操纵，设计了一种大范围高精度显微镜图像拼接算法，应用结果表明该方法能有效降低扫描探针显微镜图像中的畸变现象。.总体上，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，超额完成了预期的研究成果，实现了各项研究目标。本项目已发表/录用学术论文23篇，其中，SCI检索国际著名期刊学术论文8篇（包括IEEE系列期刊5篇，Automatica 1篇），EI检索论文15篇（包括自动控制领域国际顶级会议ACC，CDC等会议论文3篇）。此外，还申请了发明专利3项。