Projeto de controle robusto de alta precisão da plataforma de nanoposicionamento piezoelétrico

Dec 05, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10357 (2022) Citar este artigo

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A plataforma de nanoposicionamento piezoelétrico requer rastreamento extremamente preciso durante a tarefa, enquanto a incerteza do modelo causada por variações de carga requer forte robustez do sistema. A alta precisão e robustez no projeto de controle estão acopladas, dificultando a obtenção de ambos de forma otimizada ao mesmo tempo. Além disso, o próprio sistema possui um modo ressonante fracamente amortecido, o que torna extremamente difícil controlar a plataforma de nanoposicionamento piezoelétrico enquanto suprime a ressonância inerente do sistema, além de atender aos requisitos de robustez e alta precisão. Para o problema de controle integrado multidesempenho da plataforma de nanoposicionamento piezelétrico, este artigo fornece dois tipos de projetos de controle (controle de ressonância integral (IRC) e controle H∞) satisfazendo os requisitos de precisão e robustez, e realiza estudo de simulação e análise comparativa com posição positiva controle de feedback (PPF). Os resultados da simulação mostram que a estratégia de controle H∞ fornecida neste artigo tem o menor erro de rastreamento em comparação com PPF e IRC sob sinais de varredura de grade de entrada de 5, 10 e 20 Hz, embora tenha uma ordem superior, com melhor robustez a variações de carga mecânica e perturbações do sinal de alta frequência na faixa de carga de 0–1000 g.

Com a introdução do primeiro microscópio de tunelamento de varredura (STM), microscópio de força atômica (AFM) e microscópio de sonda de varredura (SPM), o desenvolvimento da nanotecnologia entrou em uma nova era, e a humanidade começou a explorar e inovar continuamente no mundo microscópico , tudo graças ao desenvolvimento de sistemas de nanoposicionamento piezoelétricos. Atualmente, esse sistema de posicionamento tem sido amplamente utilizado em campos de alta precisão, como microrobótica, micromontagem, micromontagem, microlitografia, microusinagem e microvarredura1,2,3,4,5. Cerâmicas piezoelétricas são comumente usadas para acionar esses nanoposicionadores devido às suas vantagens de cinética rápida, alta força de saída e alta resolução subnanométrica6. Em estudos de controle anteriores para sistemas de nanoposicionamento acionados por piezoelétricos, a largura de banda operacional dos sistemas de nanoposicionamento acionados por piezoelétricos era geralmente limitada a 10 a 100 vezes menor que a frequência ressonante intrínseca mais baixa do sistema porque o sistema tem um modo ressonante fracamente amortecido. No entanto, com o rápido desenvolvimento da nanotecnologia, aplicações práticas exigem velocidade e precisão cada vez maiores para sistemas de nanoposicionamento piezoelétricos. Como nas ciências da vida, algumas amostras biológicas a serem digitalizadas têm comportamentos dinâmicos muito leves, como moléculas de proteína, células vivas e assim por diante, que normalmente mudam em milissegundos7, portanto, não é possível suprimir a vibração ressonante do sistema por limitando o sinal de entrada. Além disso, na prática de modelagem e controle do sistema, existem várias incertezas, como distúrbios externos, mudanças ambientais, atrasos de tempo e outros fatores que podem afetar seriamente a precisão do posicionamento do sistema se não forem tratados adequadamente. Diferentes métodos de controle baseados em cibernética e teoria de modelagem são propostos para problemas de vibração ressonante, rastreamento de alta largura de banda e robustez de sistemas piezelétricos de nanoposicionamento. Métodos de controle baseados em arquiteturas realimentadas são amplamente utilizados devido à sua robustez a distúrbios externos e incertezas de modelo8, como controle adaptativo9 e controle linear quadrático gaussiano10 proposto para reduzir erros de rastreamento em tarefas de varredura de alta velocidade. No entanto, esses métodos só conseguem encontrar controladores com boa robustez quando o fator Q (representa a frequência de ressonância do sistema em relação à largura de banda) do sistema é baixo. Como a taxa de amortecimento do sistema torna-se menor se o fator Q do sistema aumenta, é difícil para os métodos acima alcançar alto desempenho de amortecimento do controlador, o que não pode garantir a robustez e precisão do sistema11. Para dar atenção prioritária e resolver o problema de amortecimento de sistemas de nanoposicionamento acionados por piezoelétricos, estratégias de controle baseadas em modelos são propostas, como o uso de realimentação recursiva de posição atrasada12 para atenuar os modos ressonantes dos estágios de nanoposicionamento no loop de realimentação interna, resultando em um neutro -tipo sistema de atraso de tempo; usando amortecedores de massa robustos13 para melhorar significativamente o amortecimento do modo ressonante da plataforma no projeto de plataforma de movimento industrial de alta precisão; e usando controle referenciado por modelo14 na forma de configurações de pólo, combinado com efeitos integrador e de filtragem para reduzir a sensibilidade a distúrbios e incertezas para obter um bom desempenho de rastreamento, etc.