A combined LQG and repetitive controller for high performance AFM scanning

Abstract

Yüksek hızlardaki AKM taramalarında görüntü kalitesini artırmak için, LQG ve tekrarlı kontrolcü (TK) kullanan tümleşik bir yapı önerilmiştir. Önerilen LQG+TK tasarımında kullanılan kontrolcü değişkenlerinin, tarama hatasını en aza indirecek şekilde, en iyi değerlerini hesaplamak için, önce tarama işleminin bir MATLAB/Simulink modeli oluşturulmuş ve sonra bu model üzerinde genetik algoritmalar çalıştırılmıştır. Tasarımımızda kullandığımız LQG kontrolcü geleneksel PI kontrolcüsüne göre daha gürbüzdür ve daha iyi izleme başarımı sağlar. Ayrıca, bizim yaklaşımımızda, her tarama satırının profili sistemi bozucu bir etki olarak kabul edildiği için, önerilen LQG kontrolcüsü tarama profilindeki büyük değişimlerin geleneksel PI kontrolcüsüne göre daha iyi üstesinden gelir. Öte yandan TK, kontrolcü bant genişliğini artırarak izleme başarımını daha da iyileştirir. Simulasyon ve deneysel sonuçlarımız önerilen LQG+TK tasarımının daha önceki çalışmalarımızda kullanılan PI+TK yapısından daha iyi olduğunu gösteriyor.

In order to improve the image quality at high scan speeds in AFM imaging, a combined controller architecture employing a linear quadratic Gaussian (LQG) controller and a repetitive controller (RC) is proposed. To calculate the optimal values of the parameters used in the proposed LQG+RC design minimizing the scan error, a Matlab/SIMULINK model of the whole scan process is developed first and then genetic algorithms are employed on the simulation model. In our design, the LQG controller provides more robustness and better tracking performance than a traditional PI controller used for the same purpose. Moreover, since the profile of a scan line is treated as a disturbance in our approach, the proposed LQG controller handles the large variations in scan profile better than the PI controller. The RC on the other hand extends the controller bandwidth and further improves the tracking performance. Our simulations and the experimental results show that the scan performance of the proposed LQG+RC design is better than that of the PI+RC design implemented in our earlier studies.