PI 控制部分.ppt

用虚拟仪器实现扫描隧道显微镜（STM）的控制,物理系 林亮 宋真 指导老师 张朝晖,背景1. 扫描隧道显微镜（STM）简介,扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope） 1982年由诺贝尔物理学奖得主葛-宾尼（Ged Binning）和海-罗雷尔（Heinrich Rohrer)等人研制成功。是一种具有原子级（A，埃）分辨率的表面分析仪器。在金属和半导体表面以及生命科学的研究中有着广泛的应用。,2. STM工作原理简介,控制部分,控制分为三部分：粗逼近、扫描和负反馈。粗逼近用步进的方式进行，每加一次电压，向前逼近一步，采用锯齿形电压。扫描分为X扫描和Y扫描两部分，X方向为行方向，Y方向为列方向。X方向扫描过去再回来，然后Y方向换行，循环往复，可以扫描x×y大小的区域.,负反馈和表面分析,负反馈控制贯穿全过程。负反馈由加在Z方向上的电压来实现。首先读取隧道电流I,与标准值相减，然后经过比例、积分运算，得到负反馈电压的数值，加到Z轴上去，调节陶瓷管伸长，以实现衡电流扫描。加在Z轴上的电压的变化反应样品表面电子波函数的起伏。通过存储和读取分析Z轴电压的二维分布，就能得到样品表面起伏的信息。,3. 负反馈控制简介,为了实现对 STM探针与样品表面距离的控制，普遍方法是用pid控制。通常的 STM的控制部分是用 dsp 芯片来实现的。而我们这里是用 labview 编程来实现对STM的控制。,Pid 有两种控制算法，即： 式（4）称为位置式PID控制算法。,由于位置式算法输出在计算过程中容易产生积分饱和作用，导致控制器的响应速度变慢，而且由于积分的累积作用，在手动和自动切换时，很难做到无扰动切换。因此，人们又提出一种新的控制算法，PID增量式控制算法：,二 为什么要尝试新的控制方式,虚拟仪器的关键环节是软件，使用和修改起来会更方便开发与维护的费用低，系统组建时间短具有强大的数据处理功能,三 我们所做的工作,粗逼近控制XY扫描控制针尖到表面距离的负反馈控制,四 结论与问题,用虚拟仪器来实现 pid 控制是十分方便的，而且修改起来也十分方便，当用硬件实现某些功能比较困难时，可以考虑用虚拟仪器。由于系统的硬件还没有完全准备好，所以我们还只能对扫描过程进行模拟。但从我们模拟的情况来看，用虚拟仪器实现STM的控制是完全可行的。,Labview软件也有很大的局限性，例如时序问题，labview系统本身只提供了一毫秒周期的系统时钟。所以要实现真正的应用，还需考虑使用A/D卡的时钟。另外，关于Labview的资料还是太少，有一些模块都找不到描述，所以我们经常只能摸着石头过河。但其中也不乏乐趣！,五 致谢,在我们的实验过程中，张朝晖老师给了我们很多的指导和鼓励，并为我们提供了很好的实验条件。贾宏博同学为我们提供了很多资料，并在我们不太熟悉labview软件的时候给了我们很大的帮助。在此向他们表示由衷的感谢！,