專利名稱：基于直接自適應(yīng)模糊控制的mems微陀螺儀控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS陀螺儀的控制系統(tǒng)，具體涉及直接自適應(yīng)模糊控制方法在MEMS 陀螺儀上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
MEMS陀螺儀是很多應(yīng)用領(lǐng)域中最常用的測量角速度的傳感器，比如導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制穩(wěn)定性。MEMS陀螺儀是利用科里奧利力(即地球自轉(zhuǎn)偏向力)將一個軸上的能量轉(zhuǎn)移到另一個軸上的裝置，傳統(tǒng)的操作模式缺少驅(qū)動陀螺儀從一個模式到一個已知的擺動運動，而檢測到的科里奧利加速度耦合到振動的感知模式，振動是和驅(qū)動模式是垂直的，振動感知模式的響應(yīng)提供關(guān)于實用角速度的信息。由于生產(chǎn)制造過程中的誤差存在和環(huán)境溫度的影響，造成原件特性與設(shè)計之間的差異，導(dǎo)致存在耦合的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，降低了微陀螺儀的靈敏度和精度。此外，陀螺儀本身屬于多輸入多輸出系統(tǒng)，存在參數(shù)的不確定性和外界干擾對系統(tǒng)參數(shù)的造成的波動，補償制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(tǒng)控制方法集中在對驅(qū)動軸振蕩幅值和頻率穩(wěn)定以及兩軸頻率匹配的控制上， 存在未考慮參數(shù)變動，環(huán)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(shù)被要求應(yīng)用于MEMS微陀螺儀的控制中模糊控制系統(tǒng)不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型，它以人對被控對象的控制經(jīng)驗為依據(jù)而設(shè)計控制器，因此適用于結(jié)構(gòu)確定，參數(shù)未知或不確定的系統(tǒng)。模糊控制的突出優(yōu)點是能夠比較容易地將人的控制經(jīng)驗融入控制器中，但若是缺乏這樣的控制經(jīng)驗，很難設(shè)計出高水平的模糊控制器。而且，由于模糊控制器采用了 IF-THEN控制規(guī)則，不便于控制參數(shù)的學(xué)習(xí)和調(diào)整，且難以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自適應(yīng)模糊控制是指具有自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法的模糊邏輯系統(tǒng)，其學(xué)習(xí)算法是依靠數(shù)據(jù)信息來調(diào)整模糊邏輯系統(tǒng)的參數(shù)，且可以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)相比，自適應(yīng)模糊控制的優(yōu)越性在于它可以利用操作人員提供的語言性模糊信息，而傳統(tǒng)的自適應(yīng)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(tǒng)尤其重要。目前，自適應(yīng)模糊控制在微陀螺儀的控制系統(tǒng)中尚未得到應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服現(xiàn)有的MEMS陀螺儀的控制系統(tǒng)存在的缺陷，而提供一種基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS陀螺儀控制方法。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)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(shù)D，Ω，kb已知，控制器可設(shè)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(shù)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(wù)完成。當(dāng)D，Q，kb未知時，控制器(3)無法應(yīng)用，因此需要應(yīng)用模糊邏輯系統(tǒng)構(gòu)造直接自適應(yīng)模糊控制器。設(shè)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(tǒng)的狀態(tài)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(shù)。
iD 控制器 Ud (χ) = kdsgn (eTPbc)， (5)式中kd>0。定義最優(yōu)參數(shù)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(shè)計Lyapunov 函數(shù)為廠=\eTPe+ Φ
22γLyapunov函數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù)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(tǒng)的自適應(yīng)律，式中Y > 0為學(xué)習(xí)律。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS陀螺儀的控制系統(tǒng)至少具有下列優(yōu)點1.采用直接自適應(yīng)模糊控制器對陀螺儀系統(tǒng)進行控制，是利用模糊控制器的優(yōu)點和自適應(yīng)控制優(yōu)點的結(jié)合進行設(shè)計的。該控制器可以直接利用模糊控制規(guī)則，自適應(yīng)調(diào)整模糊控制器的參數(shù)，減少跟蹤誤差和外界干擾對系統(tǒng)誤差的影響，從而保證MEMS微陀螺儀能正常的工作。2.與傳統(tǒng)的模糊控制器相比，直接自適應(yīng)模糊控制器可以自適應(yīng)調(diào)整模糊控制系統(tǒng)的參數(shù)，保證了閉環(huán)系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定性，且該模糊控制器具有較高的魯棒性。3.該控制系統(tǒng)采用了監(jiān)督控制器，可以保證系統(tǒng)的狀態(tài)有界。綜上所述，本發(fā)明設(shè)計的基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS陀螺儀控制系統(tǒng)，將直接自適應(yīng)模糊控制方法在陀螺儀控制中進行應(yīng)用。它可以將專家知識經(jīng)驗結(jié)合到模糊控制器中，采用基于Lyapimov的方法自適應(yīng)調(diào)整模糊系統(tǒng)中的參數(shù)，從而保證陀螺儀系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。這種模糊控制器可以廣泛應(yīng)用于MEMS陀螺儀控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其極具產(chǎn)業(yè)上的利用價值。


圖1為本發(fā)明所述的MEMS微陀螺儀的原理結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明基于直接自適應(yīng)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(fā)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(xué)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(zhì)量塊，靜電驅(qū) 動裝置和感測裝置。靜電驅(qū)動電路主要功能是驅(qū)動和維持微振動陀螺儀振動時幅值的恒 定；感測電路用來感知質(zhì)量塊的位置和速度。微陀螺儀可以被簡化為一個由質(zhì)量塊和彈簧 構(gòu)成的有阻尼振動系統(tǒng)。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(zhì)量塊被限制只能在x-y平面內(nèi)運動，而不能沿Z軸運動。實際上， 由于制造缺陷和加工誤差的存在，會造成X軸和y軸的附加動態(tài)耦合，如耦合的剛度系數(shù)和 阻尼系數(shù)。考慮到制造誤差，實際微陀螺儀的集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型為
權(quán)利要求
1.一種基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其包括直接自適應(yīng)模糊控制器，其特征在于所述直接自適應(yīng)模糊控制器包含兩個部分一個是應(yīng)用模糊邏輯系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)的狀態(tài)有界。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其特征N在于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(shù)；式中i的自適應(yīng)參數(shù)滿足-. = γβτΡ εξ(χ) = Yiepn + ρ22)ξ(χ),式中的學(xué)習(xí)律滿足γ > 0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其特征在于所述D控制器滿足:ud (x) = kdsgn(eTPb。)，式中kd > 0。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其特征在于所述直接自適應(yīng)模糊控制器采用基于Lyapimov的方法自適應(yīng)調(diào)整其模糊邏輯系統(tǒng)和D控制器中的參數(shù)，以滿足系統(tǒng)的控制要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS微陀螺儀控制方法，其包括直接自適應(yīng)模糊控制器，其特征在于所述直接自適應(yīng)模糊控制器包含兩個部分，一個是應(yīng)用模糊邏輯系統(tǒng)構(gòu)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(tǒng)的狀態(tài)有界。本發(fā)明設(shè)計基于直接自適應(yīng)模糊控制的MEMS陀螺儀控制系統(tǒng)，將直接自適應(yīng)模糊控制方法在陀螺儀控制中進行應(yīng)用。它可以將專家知識經(jīng)驗結(jié)合到模糊控制器中，采用基于Lyapunov的方法自適應(yīng)調(diào)整模糊系統(tǒng)中的參數(shù)，從而保證模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種模糊控制器可以廣泛應(yīng)用于MEMS陀螺儀控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，其極具產(chǎn)業(yè)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(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者費峻濤, 雋婉茹 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)