基於直接自適應模糊控制的mems微陀螺儀控制方法

2023-12-10 04:57:21

專利名稱：基於直接自適應模糊控制的mems微陀螺儀控制方法
技術領域：
本發明涉及MEMS陀螺儀的控制系統，具體涉及直接自適應模糊控制方法在MEMS 陀螺儀上的應用。
背景技術：
MEMS陀螺儀是很多應用領域中最常用的測量角速度的傳感器，比如導航、制導和控制穩定性。MEMS陀螺儀是利用科裡奧利力(即地球自轉偏向力)將一個軸上的能量轉移到另一個軸上的裝置，傳統的操作模式缺少驅動陀螺儀從一個模式到一個已知的擺動運動，而檢測到的科裡奧利加速度耦合到振動的感知模式，振動是和驅動模式是垂直的，振動感知模式的響應提供關於實用角速度的信息。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，補償製造誤差和測量角速度成為微陀螺儀控制的主要問題。而傳統控制方法集中在對驅動軸振蕩幅值和頻率穩定以及兩軸頻率匹配的控制上， 存在未考慮參數變動，環境變化影響惡劣，不能解決零角速率輸出等問題。因此，先進的控制技術被要求應用於MEMS微陀螺儀的控制中模糊控制系統不需要被控對象的數學模型，它以人對被控對象的控制經驗為依據而設計控制器，因此適用於結構確定，參數未知或不確定的系統。模糊控制的突出優點是能夠比較容易地將人的控制經驗融入控制器中，但若是缺乏這樣的控制經驗，很難設計出高水平的模糊控制器。而且，由於模糊控制器採用了 IF-THEN控制規則，不便於控制參數的學習和調整，且難以保證控制系統的穩定性。自適應模糊控制是指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，且可以保證控制系統的穩定性。與傳統的自適應控制系統相比，自適應模糊控制的優越性在於它可以利用操作人員提供的語言性模糊信息，而傳統的自適應控制則不能。這一點對具有高度不確定因素的微陀螺儀系統尤其重要。目前，自適應模糊控制在微陀螺儀的控制系統中尚未得到應用。

發明內容
本發明為克服現有的MEMS陀螺儀的控制系統存在的缺陷，而提供一種基於直接自適應模糊控制的MEMS陀螺儀控制方法。本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。MEMS微陀螺儀微分方程為q = ~(D + 2Q)q -kbq + u( 1 )參考模型為qm = ~kmqm( 2 )若參數D，Ω，kb已知，控制器可設計為
u =(D + 2Q.)q + kbq + qm+ kT e(3)可使得 · +冬 + = 0 ,其中e = 。如果選擇合適的參數向量k= (k2，ki)T值， 即可使得多項式h (s) = s2+kl8+k2的根在左半開平面，則得^_)=,即控制任務完成。當D，Q，kb未知時，控制器(3)無法應用，因此需要應用模糊邏輯系統構造直接自適應模糊控制器。設計的模糊控制器由兩部分組成第一部分為基本模糊控制器U。(XI θ )， 用它來逼近U* ；第二部分為D控制器Ud(X)，用它來保證陀螺儀系統的狀態有界。即u = uc(x| θ )+ud(x) (4)
N其中基本模糊控制器κ (χ I θ) == θΤξ(χ) , ξ (χ)為模糊基函數。
iD 控制器 Ud (χ) = kdsgn (eTPbc)， (5)式中kd>0。定義最優參數向量 θ* = arg mi η [sup \uc{x\6)~ u |]
Π m, x^R"( 6 )
ΘεΚ1=1最小模糊逼近誤差ω = uc (χ I θ *) -u* (7)設計Lyapunov 函數為廠=\eTPe+ Φ
22γLyapunov函數對時間的導數為
F = -\eTQe + 丄(纊-θ)τ [reTPb^(x)-θ]-eT PbcUd (χ) - eT PbcO ,為了保證. 2 γν<ο
取沒=reTPbJ(x) = r(epn +M22兄⑷為系統的自適應律，式中Y > 0為學習律。藉由上述技術方案，本發明基於直接自適應模糊控制的MEMS陀螺儀的控制系統至少具有下列優點1.採用直接自適應模糊控制器對陀螺儀系統進行控制，是利用模糊控制器的優點和自適應控制優點的結合進行設計的。該控制器可以直接利用模糊控制規則，自適應調整模糊控制器的參數，減少跟蹤誤差和外界幹擾對系統誤差的影響，從而保證MEMS微陀螺儀能正常的工作。2.與傳統的模糊控制器相比，直接自適應模糊控制器可以自適應調整模糊控制系統的參數，保證了閉環系統的漸進穩定性，且該模糊控制器具有較高的魯棒性。3.該控制系統採用了監督控制器，可以保證系統的狀態有界。綜上所述，本發明設計的基於直接自適應模糊控制的MEMS陀螺儀控制系統，將直接自適應模糊控制方法在陀螺儀控制中進行應用。它可以將專家知識經驗結合到模糊控制器中，採用基於Lyapimov的方法自適應調整模糊系統中的參數，從而保證陀螺儀系統的穩定性和精確性。這種模糊控制器可以廣泛應用於MEMS陀螺儀控制，以提高系統的穩定性和可靠性，其極具產業上的利用價值。


圖1為本發明所述的MEMS微陀螺儀的原理結構圖2為本發明基於直接自適應模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法的總體框圖；圖3和圖4是基本模糊控制器I!。(x I 0 )的跟蹤曲線；圖5和圖6是基本模糊控制器11。(x I 6 )的跟蹤誤差；圖7和圖8是控制器u = uc (x I e ) +ud (x)的跟蹤曲線；圖9和圖10是控制器u = uc (x I e ) +ud (X)的跟蹤誤差；圖11和圖12是控制器u = uc (x e )+Ud(x)的控制輸入曲線；圖13和圖14是控制器U = ii。(x 9)+ud(x)的滑模面曲線。
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。1.MEMS微陀螺儀動力學方程MEMS微振動陀螺儀一般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；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MEMS 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X軸和y軸的附加動態耦合，如耦合的剛度係數和 阻尼係數。考慮到製造誤差，實際微陀螺儀的集總參數數學模型為
權利要求
1.一種基於直接自適應模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其包括直接自適應模糊控制器，其特徵在於所述直接自適應模糊控制器包含兩個部分一個是應用模糊邏輯系統構造的基本模糊控制器11。(χ I θ )，它用來逼近所述MEMS微陀螺儀的理想控制器u* ；—個是D控制器Ud(X)，用來確保所述陀螺儀系統的狀態有界。
2.根據權利要求1所述的基於直接自適應模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其特徵N在於所述基本控制器滿足代(Χ|0) = Σ弘㈨=W^⑷,其中ξ (X)為模糊基函數；式中i的自適應參數滿足-. = γβτΡ εξ(χ) = Yiepn + ρ22)ξ(χ),式中的學習律滿足γ > 0。
3.根據權利要求1所述的基於直接自適應模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其特徵在於所述D控制器滿足:ud (x) = kdsgn(eTPb。)，式中kd > 0。
4.根據權利要求1所述的基於直接自適應模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其特徵在於所述直接自適應模糊控制器採用基於Lyapimov的方法自適應調整其模糊邏輯系統和D控制器中的參數，以滿足系統的控制要求。
全文摘要
本發明公開了一種基於直接自適應模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其包括直接自適應模糊控制器，其特徵在於所述直接自適應模糊控制器包含兩個部分，一個是應用模糊邏輯系統構造的基本模糊控制器，它用來逼近所述MEMS微陀螺儀的理想控制器；一個是D控制器，用來確保所述陀螺儀系統的狀態有界。本發明設計基於直接自適應模糊控制的MEMS陀螺儀控制系統，將直接自適應模糊控制方法在陀螺儀控制中進行應用。它可以將專家知識經驗結合到模糊控制器中，採用基於Lyapunov的方法自適應調整模糊系統中的參數，從而保證模糊控制系統的穩定性。這種模糊控制器可以廣泛應用於MEMS陀螺儀控制，以提高系統的穩定性和可靠性，其極具產業上的利用價值。
文檔編號G05B13/00GK102411302SQ201110348438
公開日2012年4月11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, 雋婉茹 申請人:河海大學常州校區