用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器的製作方法
2023-06-11 23:42:56 1
專利名稱：用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及微陀螺儀的控制器設計，特別涉及一種自適應模糊滑模控制方法在微陀螺儀控制器上的應用。
背景技術：
微陀螺儀是測量角速率的慣性傳感器，與傳統陀螺儀相比，微陀螺儀在體積和成本上有著巨大的優勢，因此有著廣闊的應用市場，比如在導航制導、消費電子、航海和國防上。但是，由於生產製造過程中的誤差存在和環境溫度的影響，造成原件特性與設計之間的差異，導致存在耦合的剛度係數和阻尼係數，降低了微陀螺儀的靈敏度和精度。此外，陀螺儀本身屬於多輸入多輸出系統，存在參數的不確定性和外界幹擾對系統參數的造成的波動，補償製造誤差和外界幹擾成為微陀螺儀控制的主要問題。傳統的模糊控制器設計不依靠被控對象的模型，而是它依靠控制專家或操作者的經驗知識，其不便於控制參數的自我學習和調整，因而難以保證控制系統的穩定性。
發明內容
本發明為解決上述問題，提供一種用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，它可有效的提高系統的穩定性、可靠性和動態品質，並且有效的降低了抖振現象。自適應模糊控制方法是具有自適應學習算法的模糊邏輯系統，其學習算法是依靠數據信息來調整模糊邏輯系統的參數，它可以保證控制系統的穩定性。目前，其中的控制方案都是用誤差和誤差變化率作為模糊輸入變量，所以在實際中需要較多的模糊規則，提高了系統的複雜程度。為解決這個問題，本發明的設計思路是用滑模面作為模糊輸入變量，這樣可以將自適應模糊控制和模糊滑模控制相結合，吸取兩者的優點，可以自動調整權值，通過動態自適應律來產生令人滿意的系統響應，並且可以如模糊滑模控制一樣顯著地減少模糊規則的數量。總之，本發明的自適應模糊滑模控制方法可以不依賴系統的模型，具有簡化模糊控制系統結構複雜性的作用。其中，其還通過Lyapimov方法設計控制器參數的自適應算法，實時在線調整控制器參數，從而進一步保證系統全局的穩定性。簡而言之，本發明是設計一個理想的微陀螺儀動態模型，作為系統參考軌跡，控制目標是保證實際微陀螺儀軌跡追蹤上參考軌跡，達到一種理想的動態特性，補償製造誤差和環境幹擾。本發明的自適應模糊滑模控制方法包括自適應模糊控制和切換控制。在自適應模糊控制的設計中，首先設計積分滑模面，將該滑模面作為模糊控制器的輸入，用自適應模糊控制器自動調整權值，通過動態自適應律來模糊逼近等效控制律；在切換控制設計中，用切換控制器來補償等效控制律和模糊控制器之間的誤差，並且自適應估計誤差上界，由於其存在在線調節， 因此明顯地削弱了抖振。自適應算法採用基於Lyapimov穩定性方法設計，從而保證微陀螺儀軌跡追蹤上理想模型以及系統的全局漸進穩定性，提高了系統的可靠性。
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迄今為止，本發明的自適應模糊滑模控制方法尚未應用於在微陀螺儀的控制中。本發明的技術方案是提供一種用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於其包括基於參考模型的自適應模糊控制系統和切換控制系統；在自適應模糊控制系統中，採用滑模面作為模糊控制器的輸入，並採用動態自適應律自動調整權值，從而模糊逼近等效控制律。優選的，在所述切換控制系統中採用切換控制器來補償所述等效控制律和所述模糊控制器之間的誤差。優選的，所述自適應模糊控制系統的參數的自適應算法採用Lyapimov方法設計， 以保證微陀螺儀軌跡追蹤上參考模型和整個控制系統的全局漸進穩定性。優選的，在所述自適應模糊控制系統中的反模糊化輸出時自適應調節權值定義為 , 的自適應算法為& = & = ⑴ξ ,設計其Lyapimov函數
Vl(s(tla) = ^s\t) + ^-aTa ,其中η工為正的實數；所述切換控制系統中自適應調節
切換增益定義為左，左的自適應算法為1 = 1 = ；72,設計其Lyapimov函數
V(s(t),δ,E(t)) = V1 (s(tla) + ^-E2^^S2(t) + ^-aTa + ^-E2 ,其中 η 為正的實數。
2"2 22ηλ1η2優選的，所述參考模型採用兩軸間無動態耦合的穩定正弦振蕩xm = A1Sin(Wlt)， Ym = A2Sin (w2t)，其微分方程為-Am = Kmqm。優選的，所述滑模面為積分滑模面V⑴-&⑴枷,其中跟蹤誤差e(t) zqW-qJt)，!^、!^*非零正常數。本發明的用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器的有益效果為系統達到穩態後，微陀螺儀的動態特性是一種理想模式，補償了製造誤差和環境幹擾；基於Lyapimov方法設計的自適應算法能夠保證整個閉環系統的全局漸進穩定性；由於加入對逼近誤差上界的自適應調節，明顯的減少了抖振。
圖1為本發明的具體實施例中微陀螺儀的簡化模型示意圖；圖2為本發明的具體實施例中微陀螺儀自適應模糊滑模控制系統結構框圖；圖3為本發明的具體實施例中微陀螺儀的X、Y軸跟蹤效果曲線圖；圖4為本發明的具體實施例中滑模面曲線圖；圖5為本發明的具體實施例中切換增益固定時陀螺儀的控制輸入ux、Uy變化曲線圖；圖6為本發明的具體實施例中切換增益自適應調節時陀螺儀的控制輸入ux、Uy變化曲線圖；圖7為本發明的具體實施例中切換增益E自適應估計曲線圖。
具體實施例方式下面對本發明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。
一、微陀螺儀的動力學方程一般的微振動陀螺儀包含三個組成部分被彈性材料所支撐的質量塊，靜電驅動裝置和感測裝置。靜電驅動電路主要功能是驅動和維持微振動陀螺儀振動時幅值的恆定， 即恆幅振蕩；感測電路用來感知質量塊的位置和速度。微陀螺儀可以被簡化為一個由質量塊和彈簧構成的有阻尼振動系統。圖1顯示了在笛卡爾坐標系下簡化的微振動陀螺儀模型。對Z軸微陀螺儀而言，可以認為質量塊被限制只能在x-y平面內運動，而不能沿Z軸運動。實際上，由於製造缺陷和加工誤差的存在，會造成χ軸和y軸的附加動態耦合，如耦合的剛度係數和阻尼係數。考慮進位造誤差，實際微陀螺儀的集總參數數學模型為m^ + ^xxX + d^y + kxxx + k^y = ux + 2mQzy (丄)my + dxyx + dyyy + k^x + kyyy = uy- 2m￡lxm是質量塊的質量，x, y是質量塊在旋轉系中的坐標，dxx，dyy分別是χ軸和y軸的阻尼係數，kxx，kyy分別是χ軸和y軸的彈簧係數，dxy，kxy分別是耦合的阻尼係數和耦合的彈簧係數，合稱為正交誤差，ux, Uy是兩軸的控制輸入，名是科裡奧利力。式(1)表示的微振動陀螺儀的數學模型是一種有量綱形式，即式中的各個物理量不僅要考慮數值大小，還要顧及各物理量單位的一致性，因此增加了控制器設計的複雜度。 微振動陀螺儀兩軸的固有頻率範圍一般在KHz範圍，而輸入角速度可能只在幾度每小時到幾度每秒的範圍內，兩者存在很大的時間量級區別，不易實現數值仿真。為了解決以上兩個問題，有必要對模型進行非量綱化處理。式(1)的兩邊同除以參考質量m、參考長度q(l，以及兩軸的共振頻率的平方&2 ,得到微陀螺儀的非量綱化模型為
權利要求
1.用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於其包括基於參考模型的自適應模糊控制系統和切換控制系統；在自適應模糊控制系統中，採用滑模面作為模糊控制器的輸入，並採用動態自適應律自動調整權值，從而模糊逼近等效控制律。
2.根據權利要求1所述的用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於在所述切換控制系統中採用切換控制器來補償所述等效控制律和所述模糊控制器之間的誤差。
3.根據權利要求1所述的用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於所述自適應模糊控制系統的參數的自適應算法採用Lyapimov方法設計。
4.根據權利要求3所述的用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於在所述自適應模糊控制系統中的反模糊化輸出時自適應調節權值定義為 , 的自適應算法為
5.根據權利要求1所述的用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於所述參考模型採用兩軸間無動態耦合的穩定正弦振蕩xm = A1Sin(Wlt)，yffl = A2Sin(w2t)，其微分方程為-Am =Kmqm。
6.根據權利要求1所述的用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於所述滑模面為積分滑模面
全文摘要
本發明公開了用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器，其特徵在於其包括基於參考模型的自適應模糊控制系統和切換控制系統；在自適應模糊控制系統中，採用滑模面作為模糊控制器的輸入，並採用動態自適應律自動調整權值，從而模糊逼近等效控制律。本發明的用於微陀螺儀的自適應模糊滑模控制器的有益效果為系統達到穩態後，微陀螺儀的動態特性是一種理想模式，補償了製造誤差和環境幹擾；基於Lyapunov方法設計的自適應算法能夠保證整個閉環系統的全局漸進穩定性；由於加入對逼近誤差上界的自適應調節，明顯的減少了抖振。
文檔編號G05B13/04GK102508434SQ201110348439
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者費峻濤, 辛明緣 申請人:河海大學常州校區