面向纳米栅格扫描的时滞压电微动平台耦合补偿

张志名; 闫鹏

doi:10.37188/OPE.20233111.1641

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

面向纳米栅格扫描的时滞压电微动平台耦合补偿

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2023-07-08

- 面向纳米栅格扫描的时滞压电微动平台耦合补偿
- Coupling compensation for nano raster scanning of piezoelectric nano-stages with delays
- 光学精密工程 2023年31卷第11期页码：1641-1651
- 作者机构：
  
  1.山东大学机械工程学院，山东济南 250061
  2.高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南 250061
- 作者简介：
  
  [ "张志名（1993-），男，山东滕州人，博士研究生，2016年于山东大学获得学士学位，主要从事柔性机构学、超精密机电系统的建模与控制等方面的研究。E-mail： jimmyzhangsdu@126.com" ]
  [ "闫鹏（1975-），男，山东济南人，教授，博士生导师，1997年、1999年于东南大学分别获得学士、硕士学位，2003年于俄亥俄州立大学获得博士学位，主要从事微纳测量/控制与制造、超精密机电系统的设计与控制、微纳智能系统等方面的研究。E-mail： yanpeng@sdu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  山东省自然科学基金重大基础研究项目(ZR2019ZD08)
- DOI：10.37188/OPE.20233111.1641
  中图分类号： TP273;TH113
- 收稿日期：2023-01-10，
  
  修回日期：2023-02-01，
  
  纸质出版日期：2023-06-10
- 稿件说明：
移动端阅览
张志名,闫鹏.面向纳米栅格扫描的时滞压电微动平台耦合补偿[J].光学精密工程,2023,31(11):1641-1651.

ZHANG Zhiming,YAN Peng.Coupling compensation for nano raster scanning of piezoelectric nano-stages with delays[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1641-1651.
张志名,闫鹏.面向纳米栅格扫描的时滞压电微动平台耦合补偿[J].光学精密工程,2023,31(11):1641-1651. DOI： 10.37188/OPE.20233111.1641.

ZHANG Zhiming,YAN Peng.Coupling compensation for nano raster scanning of piezoelectric nano-stages with delays[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1641-1651. DOI： 10.37188/OPE.20233111.1641.

摘要

针对栅格纳米扫描特别是高速扫描应用中，带测量滞后的压电纳米平台轴间周期耦合补偿的问题，提出一种无需复杂逆模型求解的鲁棒周期干扰观测控制策略。建立压电平台的机电耦合多扰动模型用以描述平台系统的动力学行为。在此基础上，构建周期干扰观测控制结构。通过推导的性能优化函数和鲁棒稳定性条件，将最优控制器参数求解问题转化为延时系统的混合灵敏度优化问题，并通过无穷维

∞

控制方法进行求解。最后，在压电纳米平台上进行综合的实验探究。结果表明，建立的动力学模型能够有效拟合平台的实验响应；相较于无干扰观测器的方法和传统的周期干扰观测控制方法，提出的鲁棒优化方法在基频的抗干扰性能分别有超过99%和50%的提升。提出的鲁棒周期干扰控制方法有优越的抗干扰和不确定补偿性能。

Abstract

Aiming to compensate for the cross-periodic coupling of piezoelectric nano-stages with measurement delays in raster nano-scanning， particularly in high-speed scanning applications， this paper presents a robust periodic disturbance observer （PDOB） control strategy that does not require solving complex inverse models. First， an electromechanical multi-perturbation model is developed to describe the dynamic behavior of piezoelectric stage systems. Then， a PDOB control structure based on the model is constructed. The problem of optimal controller parameter solution is transformed into a mixed sensitivity optimization problem for time-delay systems with the formulated performance optimization function and robust stability condition， which is solved via the infinite-dimensional

∞

control method. Finally， comprehensive experimental investigations are conducted on the piezoelectric nano-stage. The results indicate that the developed dynamic model can effectively fit the experimental response of the stage and that the proposed robust periodic disturbance control method has superior anti-disturbance and uncertainty compensation performance to the method without disturbance observer and the conventional PDOB control method， with improvements of

99% and

50%， respectively， in the anti-disturbance performance at the fundamental harmonic frequency.

关键词

Keywords

references

NIKOOIENEJAD N ， MAROUFI M ， MOHEIMANI S O R . Iterative learning control for video-rate atomic force microscopy ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2021 ， 26 （ 4 ）： 2127 - 2138 . doi: 10.1109/tmech.2020.3032565 http://dx.doi.org/10.1109/tmech.2020.3032565

赵阳，黄强先 . 多模态原子力显微镜的空气压膜阻尼效应［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 19 ）： 2362 - 2369 . doi: 10.37188/OPE.20223019.2362 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223019.2362

ZHAO Y ， HUANG Q X . Damping effect of air pressure film in multimode atomic force microscope ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2022 ， 30 （ 19 ）： 2362 - 2369 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223019.2362 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223019.2362

王根旺，管延超，王扬，等 . 纳米操作技术研究及应用进展［J］. 中国激光， 2021 ， 48 （ 8 ）： 0802018 . doi: 10.3788/cjl202148.0802018 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202148.0802018

WANG G W ， GUAN Y CH ， WANG Y ， et al . Research and application progress of nano-manipulation technology ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2021 ， 48 （ 8 ）： 0802018 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl202148.0802018 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202148.0802018

TEO Y R ， YONG Y E ， FLEMING A J . A comparison of scanning methods and the vertical control implications for scanning probe microscopy ［J］. Asian Journal of Control ， 2018 ， 20 （ 4 ）： 1352 - 1366 . doi: 10.1002/asjc.1422 http://dx.doi.org/10.1002/asjc.1422

HABIBULLAH H . 30 Years of atomic force microscopy： creep， hysteresis， cross-coupling， and vibration problems of piezoelectric tube scanners ［J］. Measurement ， 2020 ， 159 ： 107776 . doi: 10.1016/j.measurement.2020.107776 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2020.107776

YONG Y K ， LIU K X ， MOHEIMANI S O R . Reducing cross-coupling in a compliant XY nanopositioner for fast and accurate raster scanning ［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology ， 2010 ， 18 （ 5 ）： 1172 - 1179 . doi: 10.1109/tcst.2009.2033201 http://dx.doi.org/10.1109/tcst.2009.2033201

FENG Z ， LING J ， MING M ， et al . Data-based double-feedforward controller design for a coupled parallel piezo nanopositioning stage ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers ， Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2017 ， 231 （ 10 ）： 881 - 892 . doi: 10.1177/0959651817732502 http://dx.doi.org/10.1177/0959651817732502

LI L L ， HUANG W W ， WANG X Y ， et al . Periodic-disturbance observer using spectrum-selection filtering scheme for cross-coupling suppression in atomic force microscopy ［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering ， 2022 （ 99 ）： 1 - 12 . doi: 10.1109/tase.2022.3193116 http://dx.doi.org/10.1109/tase.2022.3193116

王海风，冯兴伟，李青，等 . 压电微动杆迟滞动力学建模与鲁棒控制研究［J］. 电光与控制， 2022 ， 29 （ 7 ）： 114 - 118， 125 . doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2022.07.021 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-637X.2022.07.021

WANG H F ， FENG X W ， LI Q ， et al . Dynamic hysteresis modeling and robust control of piezoelectric micro-motion rod ［J］. Electronics Optics & Control ， 2022 ， 29 （ 7 ）： 114 - 118， 125 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1671-637X.2022.07.021 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-637X.2022.07.021

ZHANG Z M ， YAN P . Enhanced robust nanopositioning control for an X - Y piezoelectric stage with sensor delays： an infinite dimensional H ∞ optimization approach ［J］. Mechatronics ， 2021 ， 75 ： 102511 . doi: 10.1016/j.mechatronics.2021.102511 http://dx.doi.org/10.1016/j.mechatronics.2021.102511

胡逸凡，章海军，倪凯佳 . 三角放大型压电陶瓷微纳米驱动机构［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 17 ）： 2094 - 2099 . doi: 10.37188/OPE.20223000.0223 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223000.0223

HU Y F ， ZHANG H J ， NI K J . Mini-piezo-element drive microactuator based on triangular amplification ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2022 ， 30 （ 17 ）： 2094 - 2099 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223000.0223 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223000.0223

黄涛，罗治洪，陶桂宝，等 . 压电定位平台Hammerstein建模与反馈线性化控制［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 14 ）： 1716 - 1724 . doi: 10.37188/OPE.20223014.1716 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223014.1716

HUANG T ， LUO ZH H ， TAO G B ， et al . Hammerstein modeling and feedback linearization control for piezoelectric positioning stage ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 14 ）： 1716 - 1724 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223014.1716 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223014.1716

WANG S ， YANG Y L ， LI G P ， et al . Microscopic vibration suppression for a high-speed macro-micro manipulator with parameter perturbation ［J］. Mechanical Systems and Signal Processing ， 2022 ， 179 ： 109332 . doi: 10.1016/j.ymssp.2022.109332 http://dx.doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109332

KIM J R ， YUN J N . A design of disturbance observer in frequency domain for robust control of time delay system ［J］. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing ， 2022 ， 36 （ 10 ）： 2620 - 2639 . doi: 10.1002/acs.3477 http://dx.doi.org/10.1002/acs.3477

PATRA S ， LANZON A . Stability analysis of interconnected systems with “mixed” negative-imaginary and small-gain properties ［J］. IEEE Transactions on Automatic Control ， 2011 ， 56 （ 6 ）： 1395 - 1400 . doi: 10.1109/tac.2011.2122670 http://dx.doi.org/10.1109/tac.2011.2122670

ÖZBAY H . Survey an operator theoretic approach to robust control of infinite dimensional systems ［J］. TWMS Journal of Pure and Applied Mathematics ， 2013 ， 4 （ 1 ）： 3 - 19 .

GUMUSSOY S . Coprime Inner/outer Factorization of SISO Time-delay Systems and FIR Structure of Their Optimal H-infinity Controllers ［EB/OL］. 2020 ： arXiv ： 2003 . 10044 . https：//arxiv.org/abs/2003.10044 https://arxiv.org/abs/2003.10044 .

IONESCU T C ， IFTIME O V ， ZHONG Q C . Model reduction by moment matching： case study of a FIR system ［C］. 2019 18th European Control Conference （ECC） . June 25-28， 2019 ， Naples ， Italy . IEEE ， 2019 ： 2319 - 2324 . doi: 10.23919/ecc.2019.8795745 http://dx.doi.org/10.23919/ecc.2019.8795745

浏览量

177

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

球面5R并联机构的动力学建模及动载分配优化

具有耦合补偿功能的大行程二维柔性平台

基于动力学模型的快速反射镜设计