专利名称：基于直接自适应模糊控制的mems微陀螺仪控制方法
技术领域：
本发明涉及MEMS陀螺仪的控制系统，具体涉及直接自适应模糊控制方法在MEMS 陀螺仪上的应用。
背景技术：
MEMS陀螺仪是很多应用领域中最常用的测量角速度的传感器，比如导航、制导和控制稳定性。MEMS陀螺仪是利用科里奥利力(即地球自转偏向力)将一个轴上的能量转移到另一个轴上的装置，传统的操作模式缺少驱动陀螺仪从一个模式到一个已知的摆动运动，而检测到的科里奥利加速度耦合到振动的感知模式，振动是和驱动模式是垂直的，振动感知模式的响应提供关于实用角速度的信息。由于生产制造过程中的误差存在和环境温度的影响，造成原件特性与设计之间的差异，导致存在耦合的刚度系数和阻尼系数，降低了微陀螺仪的灵敏度和精度。此外，陀螺仪本身属于多输入多输出系统，存在参数的不确定性和外界干扰对系统参数的造成的波动，补偿制造误差和测量角速度成为微陀螺仪控制的主要问题。而传统控制方法集中在对驱动轴振荡幅值和频率稳定以及两轴频率匹配的控制上， 存在未考虑参数变动，环境变化影响恶劣，不能解决零角速率输出等问题。因此，先进的控制技术被要求应用于MEMS微陀螺仪的控制中模糊控制系统不需要被控对象的数学模型，它以人对被控对象的控制经验为依据而设计控制器，因此适用于结构确定，参数未知或不确定的系统。模糊控制的突出优点是能够比较容易地将人的控制经验融入控制器中，但若是缺乏这样的控制经验，很难设计出高水平的模糊控制器。而且，由于模糊控制器采用了 IF-THEN控制规则，不便于控制参数的学习和调整，且难以保证控制系统的稳定性。自适应模糊控制是指具有自适应学习算法的模糊逻辑系统，其学习算法是依靠数据信息来调整模糊逻辑系统的参数，且可以保证控制系统的稳定性。与传统的自适应控制系统相比，自适应模糊控制的优越性在于它可以利用操作人员提供的语言性模糊信息，而传统的自适应控制则不能。这一点对具有高度不确定因素的微陀螺仪系统尤其重要。目前，自适应模糊控制在微陀螺仪的控制系统中尚未得到应用。
发明内容
本发明为克服现有的MEMS陀螺仪的控制系统存在的缺陷，而提供一种基于直接自适应模糊控制的MEMS陀螺仪控制方法。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。MEMS微陀螺仪微分方程为q = ~(D + 2Q)q -kbq + u( 1 )参考模型为qm = ~kmqm( 2 )若参数D，Ω，kb已知，控制器可设计为
u =(D + 2Q.)q + kbq + qm+ kT e(3)可使得 · +冬 + = 0 ,其中e = 。如果选择合适的参数向量k= (k2，ki)T值， 即可使得多项式h (s) = s2+kl8+k2的根在左半开平面，则得^_)=(),即控制任务完成。当D，Q，kb未知时，控制器(3)无法应用，因此需要应用模糊逻辑系统构造直接自适应模糊控制器。设计的模糊控制器由两部分组成第一部分为基本模糊控制器U。(XI θ )， 用它来逼近U* ；第二部分为D控制器Ud(X)，用它来保证陀螺仪系统的状态有界。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)为模糊基函数。
iD 控制器 Ud (χ) = kdsgn (eTPbc)， (5)式中kd>0。定义最优参数向量 θ* = arg mi η [sup \uc{x\6)~ u |]
Π m, x^R"( 6 )
ΘεΚ1=1最小模糊逼近误差ω = uc (χ I θ *) -u* (7)设计Lyapunov 函数为厂=\eTPe+ Φ
22γLyapunov函数对时间的导数为
F = -\eTQe + 丄(纩-θ)τ [reTPb^(x)-θ]-eT PbcUd (χ) - eT PbcO ,为了保证. 2 γν<ο
取没=reTPbJ(x) = r(epn +M22兄⑷为系统的自适应律，式中Y > 0为学习律。借由上述技术方案，本发明基于直接自适应模糊控制的MEMS陀螺仪的控制系统至少具有下列优点1.采用直接自适应模糊控制器对陀螺仪系统进行控制，是利用模糊控制器的优点和自适应控制优点的结合进行设计的。该控制器可以直接利用模糊控制规则，自适应调整模糊控制器的参数，减少跟踪误差和外界干扰对系统误差的影响，从而保证MEMS微陀螺仪能正常的工作。2.与传统的模糊控制器相比，直接自适应模糊控制器可以自适应调整模糊控制系统的参数，保证了闭环系统的渐进稳定性，且该模糊控制器具有较高的鲁棒性。3.该控制系统采用了监督控制器，可以保证系统的状态有界。综上所述，本发明设计的基于直接自适应模糊控制的MEMS陀螺仪控制系统，将直接自适应模糊控制方法在陀螺仪控制中进行应用。它可以将专家知识经验结合到模糊控制器中，采用基于Lyapimov的方法自适应调整模糊系统中的参数，从而保证陀螺仪系统的稳定性和精确性。这种模糊控制器可以广泛应用于MEMS陀螺仪控制，以提高系统的稳定性和可靠性，其极具产业上的利用价值。
图1为本发明所述的MEMS微陀螺仪的原理结构图2为本发明基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法的总体框图；图3和图4是基本模糊控制器I!。(x I 0 )的跟踪曲线；图5和图6是基本模糊控制器11。(x I 6 )的跟踪误差；图7和图8是控制器u = uc (x I e ) +ud (x)的跟踪曲线；图9和图10是控制器u = uc (x I e ) +ud (X)的跟踪误差；图11和图12是控制器u = uc (x e )+Ud(x)的控制输入曲线；图13和图14是控制器U = ii。(x 9)+ud(x)的滑模面曲线。
具体实施例方式下面对本发明的具体实施方式
作进一步详细的描述。1.MEMS微陀螺仪动力学方程MEMS微振动陀螺仪一般包含三个组成部分被弹性材料所支撑的质量块，静电驱 动装置和感测装置。静电驱动电路主要功能是驱动和维持微振动陀螺仪振动时幅值的恒 定；感测电路用来感知质量块的位置和速度。微陀螺仪可以被简化为一个由质量块和弹簧 构成的有阻尼振动系统。图1显示了在笛卡尔坐标系下简化的微振动陀螺仪模型。对MEMS 微陀螺仪而言，可以认为质量块被限制只能在x-y平面内运动，而不能沿Z轴运动。实际上， 由于制造缺陷和加工误差的存在，会造成X轴和y轴的附加动态耦合，如耦合的刚度系数和 阻尼系数。考虑到制造误差，实际微陀螺仪的集总参数数学模型为
权利要求
1.一种基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法，其包括直接自适应模糊控制器，其特征在于所述直接自适应模糊控制器包含两个部分一个是应用模糊逻辑系统构造的基本模糊控制器11。(χ I θ )，它用来逼近所述MEMS微陀螺仪的理想控制器u* ；—个是D控制器Ud(X)，用来确保所述陀螺仪系统的状态有界。
2.根据权利要求1所述的基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法，其特征N在于所述基本控制器满足代(Χ|0) = Σ弘㈨=W^⑷,其中ξ (X)为模糊基函数；式中i的自适应参数满足-. = γβτΡ εξ(χ) = Yiepn + ρ22)ξ(χ),式中的学习律满足γ > 0。
3.根据权利要求1所述的基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法，其特征在于所述D控制器满足:ud (x) = kdsgn(eTPb。)，式中kd > 0。
4.根据权利要求1所述的基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法，其特征在于所述直接自适应模糊控制器采用基于Lyapimov的方法自适应调整其模糊逻辑系统和D控制器中的参数，以满足系统的控制要求。
全文摘要
本发明公开了一种基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法，其包括直接自适应模糊控制器，其特征在于所述直接自适应模糊控制器包含两个部分，一个是应用模糊逻辑系统构造的基本模糊控制器，它用来逼近所述MEMS微陀螺仪的理想控制器；一个是D控制器，用来确保所述陀螺仪系统的状态有界。本发明设计基于直接自适应模糊控制的MEMS陀螺仪控制系统，将直接自适应模糊控制方法在陀螺仪控制中进行应用。它可以将专家知识经验结合到模糊控制器中，采用基于Lyapunov的方法自适应调整模糊系统中的参数，从而保证模糊控制系统的稳定性。这种模糊控制器可以广泛应用于MEMS陀螺仪控制，以提高系统的稳定性和可靠性，其极具产业上的利用价值。
文档编号G05B13/00GK102411302SQ201110348438
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年11月7日
发明者费峻涛, 隽婉茹 申请人:河海大学常州校区