專利名稱：基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及微陀螺儀的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法，特別是涉及ー種基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
微陀螺儀(MEMS Gyroscope)是利用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)加工而成的用來(lái)感測(cè)角速度的慣性傳感器。它通過(guò)一個(gè)由硅制成的振動(dòng)的微機(jī)械部件來(lái)檢測(cè)角速度，因此微機(jī)械陀螺儀非常容易小型化和批量生產(chǎn)，具有成本低和體積小等特點(diǎn)。近年來(lái)，微機(jī)械陀螺儀在很多應(yīng)用中受到密切地關(guān)注，例如，陀螺儀配合微機(jī)械加速度傳感器用于慣性導(dǎo)航、在數(shù)碼相機(jī)中用于穩(wěn)定圖像、用于電腦的無(wú)線慣性鼠標(biāo)等等。但是，由于生產(chǎn)制造過(guò)程中不可避免的加工誤差以及環(huán)境溫度的影響，會(huì)造成原件特性與設(shè)計(jì)之間的差異，導(dǎo)致微陀螺儀存在參數(shù)不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。再加上工作環(huán)境中的外界擾動(dòng)作用不可忽略，使得微陀螺儀的軌跡追蹤控制難以實(shí)現(xiàn)，且魯棒性較低。傳統(tǒng)的控制方法完全基于微陀螺儀的名義值參數(shù)設(shè)計(jì)，且忽略正交誤差和外界擾動(dòng)的作用，雖然在大部分情況下系統(tǒng)仍是穩(wěn)定的，但追蹤效果遠(yuǎn)不理想，這種針對(duì)單ー環(huán)境設(shè)計(jì)的控制器具有很大的使用局限性。國(guó)內(nèi)對(duì)于微陀螺儀的研究目前主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)方面，以及上述的機(jī)械補(bǔ)償技術(shù)和驅(qū)動(dòng)電路研究，很少出現(xiàn)用先進(jìn)控制方法補(bǔ)償制造誤差和控制質(zhì)量塊的振動(dòng)軌跡，以達(dá)到對(duì)微陀螺儀的完全控制和角速度的測(cè)量。國(guó)內(nèi)研究微陀螺儀的典型機(jī)構(gòu)為東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院及東南大學(xué)微慣性儀表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。國(guó)際上的文章有將各種先進(jìn)控制方法應(yīng)用到微陀螺儀的控制當(dāng)中，典型的有自適應(yīng)控制和滑?？刂品椒ā＿@些先進(jìn)方法一方面補(bǔ)償了制作誤差引起的正交誤差，另ー方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)微陀螺儀的軌跡控制。但自適應(yīng)控制對(duì)外界擾動(dòng)的魯棒性很低，易使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，上述現(xiàn)有的陀螺儀在使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn)一歩改進(jìn)。為了解決現(xiàn)有的陀螺儀在使用上存在的問(wèn)題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來(lái)謀求解決之道，但長(zhǎng)久以來(lái)一直未見(jiàn)適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成。有鑒于上述現(xiàn)有的陀螺儀在控制使用上存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事多年豐富的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識(shí)，研究出一種基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法，利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的逼近能力，在線實(shí)時(shí)地估計(jì)并補(bǔ)償建模誤差和外界擾動(dòng)作用，能夠極大提高追蹤性能和系統(tǒng)的魯棒性，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)的權(quán)值更新算法,能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性?；Ｑa(bǔ)償項(xiàng)能夠使得系統(tǒng)具有漸近穩(wěn)定性，即實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差追蹤以及抗干擾的強(qiáng)魯棒性
發(fā)明內(nèi)容
:本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的微陀螺儀控制方法存在的缺陷，特別是在存在模型不確定、參數(shù)攝動(dòng)以及外界噪聲等各種干擾情況下，為提高微陀螺儀系統(tǒng)對(duì)參考軌跡的追蹤性能和整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性，提供一種基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括:給定軌跡生成模塊101，用于輸出微陀螺儀兩軸振動(dòng)的參考軌跡；滑模面定義模塊102，用于接收追蹤誤差，并產(chǎn)生一個(gè)滑模面信號(hào)輸出；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器103，用于接收參考軌跡和追蹤誤差信號(hào)，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出；權(quán)值自適應(yīng)機(jī)制模塊104，用于接收滑模面信號(hào)，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值更新算法；常規(guī)比例微分控制模塊105，用于接收滑模面信號(hào)，并產(chǎn)生比例微分控制輸出；滑模補(bǔ)償器106，用于接收滑模面信號(hào)，并產(chǎn)生滑模補(bǔ)償信號(hào)輸出；微陀螺儀系統(tǒng)107，被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，考慮了外界干擾的影響，輸出振動(dòng)軌跡的位置和速度信號(hào)；第一加法器108，用于把參考軌跡與微陀螺儀的位置和速度輸出相減，并產(chǎn)生追蹤誤差輸出；第二加法器109，用于接收神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)，比例微分控制輸出信號(hào)和滑膜補(bǔ)償信號(hào)，產(chǎn)生微陀螺儀的控制輸入。前述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器103選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它包含三層結(jié)構(gòu):輸入層，隱層和輸出層，輸入層接受系統(tǒng)中的可測(cè)量信號(hào)輸入，隱層采用高斯基函數(shù)計(jì)算非線性映射后的輸出，輸出層通過(guò)加權(quán)各隱層節(jié)點(diǎn)的輸出得到整個(gè)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出?；诨Ｑa(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟，I)建立基于滑模面的微陀螺儀動(dòng)力學(xué)模型；2)設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)；3)設(shè)計(jì)RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法。前述步驟I )，建立基于滑模面的微陀螺儀動(dòng)力學(xué)模型，具體為:1-1)考慮到制造誤差和外界干擾作用，兩軸微機(jī)械陀螺儀的動(dòng)力學(xué)方程的向量形式為:
權(quán)利要求
1.基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于:包括: 給定軌跡生成模塊(101 )，用于輸出微陀螺儀兩軸振動(dòng)的參考軌跡； 滑模面定義模塊(102)，用于接收追蹤誤差，并產(chǎn)生一個(gè)滑模面信號(hào)輸出； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(103)，用于接收參考軌跡和追蹤誤差信號(hào)，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出； 權(quán)值自適應(yīng)機(jī)制模塊(104)，用于接收滑模面信號(hào)，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值更新算法； 常規(guī)比例微分控制模塊(105)，用于接收滑模面信號(hào)，并產(chǎn)生比例微分控制輸出； 滑模補(bǔ)償器(106)，用于接收滑模面信號(hào)，并產(chǎn)生滑模補(bǔ)償信號(hào)輸出； 微陀螺儀系統(tǒng)(107)，被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型，考慮了外界干擾的影響，輸出振動(dòng)軌跡的位置和速度信號(hào)； 第一加法器(108)，用于把參考軌跡與微陀螺儀的位置和速度輸出相減，并產(chǎn)生追蹤誤差輸出； 第二加法器(109)，用于接收神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)，比例微分控制輸出信號(hào)和滑模補(bǔ)償信號(hào)，產(chǎn)生微陀螺儀的控制輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(103)選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它包含三層結(jié)構(gòu):輸入層，隱層和輸出層，輸入層接受系統(tǒng)中的可測(cè)量信號(hào)輸入，隱層采用高斯基函數(shù)計(jì)算非線性映射后的輸出，輸出層通過(guò)加權(quán)各隱層節(jié)點(diǎn)的輸出得到整個(gè)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:包括以下步驟， 1)建立基于滑模面的微陀螺儀動(dòng)力學(xué)模型； 2)設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)； 3)設(shè)計(jì)RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述步驟I)，建立基于滑模面的微陀螺儀動(dòng)力學(xué)模型，具體為: 1-1)考慮到制造誤差和外界干擾作用，兩軸微機(jī)械陀螺儀的動(dòng)力學(xué)方程的向量形式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述步驟2)，設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)，具體為: 2-1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(103)接收參考軌跡和追蹤誤差信號(hào)，產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出信號(hào)
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法,其特征在于:所述步驟3)中，采用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法，具體為通過(guò)權(quán)值自適應(yīng)機(jī)制模塊(104)輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于滑模補(bǔ)償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法，所述控制系統(tǒng)包括給定軌跡生成模塊，滑模面定義模塊，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、權(quán)值自適應(yīng)機(jī)制模塊，滑模補(bǔ)償器，微陀螺儀系統(tǒng)，比例微分控制模塊，第一加法器和第二加法器，基于該控制系統(tǒng)，建立基于滑模面的微陀螺儀動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法，以實(shí)現(xiàn)微陀螺儀軌跡追蹤。本發(fā)明的控制方法能夠在線補(bǔ)償微陀螺儀的未知?jiǎng)討B(tài)特性以及噪聲干擾的影響，使得微陀螺儀的振動(dòng)軌跡完全跟蹤上參考軌跡，同時(shí)提高了系統(tǒng)抗干擾的魯棒性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本發(fā)明為微陀螺儀應(yīng)用范圍的擴(kuò)展提供了有力基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G05B13/02GK103116275SQ20131006512
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者楊玉正, 費(fèi)峻濤 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)