微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，属于自动控制系统领 域。
【背景技术】
[0002] 微陀螺仪是很常见的测量角速度的传感器，在很多领域得到应用，如导航、手机、 航模以及军事制导等等。微陀螺仪是一种能够将一个轴上的能量转移到令一个轴上的装 置，其原理是利用科里奥利力（即地球自转偏向力）。测量角速度的过程需要在驱动轴上加 上振幅和频率都稳定的振动信号，感应轴和驱动轴出于同一平面并与驱动轴垂直，当有与 驱动轴和感应轴都垂直的角速度输入时，感应轴上会感应到科里奥利力，科里奥利力的大 小与角速度成正比关系。
[0003] 而由于机械加工的误差，驱动轴和感应轴并不完全垂直，造成两轴之间产生附加 耦合。此外，机械噪声，热噪声，感测电路的噪声，微陀螺仪本身参数的偏差和外部干扰都会 造成微陀螺仪的性能下降。因此，有必要对微陀螺仪采用先进的控制方法来进行控制。
[0004] 通常方法能够在经过调试后，通过观测跟踪误差的情况来得到系统误差性能指 标，带有一定的盲目性。
【发明内容】
[0005] 为了克服传统控制方法不能够反映微陀螺仪暂态性质指标，包括暂态误差以及误 差收敛率，以及系统参数及外界干扰上界未知问题。本发明提供一种微陀螺仪自适应滑模 预设性能控制方法。
[0006] 为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：
[0007] 微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，包括以下步骤：
[0008] 1)建立微陀螺仪的非量纲化数学模型；
[0009] 2)设计预设性能轨迹；
[0010] 3)设计误差指标，并采用双曲正切函数进行误差变换；
[0011] 4)采用变换后的误差指标设计滑模面；
[0012] 5)设计控制律；
[0013] 6)采用自适应算法对微陀螺仪数学模型的参数矩阵进行估计，得到改进的控制 律；
[0014] 7)采用自适应神经网络对系统的干扰上界进行估计，得到改进的控制律；
[0015]8)设计Lyapunov函数，并设计微陀螺仪数学模型的参数矩阵和神经网络权值的 自适应律，确保所设计的微陀螺自适应滑模预设性能控制系统的稳定性。
[0016]前述的步骤1)中，微陀螺仪的非量纲化数学模型为：
【主权项】
1. 微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 建立微陀螺仪的非量纲化数学模型； 2) 设计预设性能轨迹； 3) 设计误差指标，并采用双曲正切函数进行误差变换； 4) 采用变换后的误差指标设计滑模面； 5) 设计控制律； 6) 采用自适应算法对微陀螺仪数学模型的参数矩阵进行估计，得到改进的控制律； 7) 采用自适应神经网络对系统的干扰上界进行估计，得到改进的控制律； 8) 设计Lyapunov函数，并设计微陀螺仪数学模型的参数矩阵和神经网络权值的自适 应律，确保所设计的微陀螺自适应滑模预设性能控制系统的稳定性。
2. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤1)中，微陀螺仪的非量纲化数学模型为：
其中，qi=q，.9 = 为微陀螺仪的运动轨迹，《 = 为微陀螺仪的控制输入，D， <h=q，b」 LS」 K，Q为微陀螺仪数学模型的参数矩阵，F为参数不确定和外界干扰总和。
3. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤2)中，预设性能轨迹P(t)为： p(t) = (P〇- P"")e_lt+p"〇, 其中，P=〇为最终误差界，P〇为初始误差界，t-0时P(t) -PQ,t-P(t) -P e4t代表p(t)的收敛速率，1表示收敛速率参数。
4. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤3)中，误差指标0 (e)定义为：
其中，e(t)为跟踪误差； 所述经过变换的误差指标e为：
5. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤4)中，所述滑模面函数S设计为： S = e + M 其中，A为滑模面参数。
6. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤5)中，所述控制律P设计为： 9 =ueq+us 其中，\=/1(也_41) +元+(￡)+2印々1+句1为等效控制项，11;3=(1.81811说为鲁棒项， qd为微陀螺仪的理想振动轨迹，a为参数不确定和外界干扰总和的上界，signO为符 号函数。
7. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤6)中，所述改进的控制律例为：
其中，，A, 6为D，K，Q的估计值。
8. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤7)中，所述改进的控制律％为：
其中，6 =，釦d为参数不确定和外界干扰总和的上界a的估计值，^为神经网络权 值的估计值，小为高斯基函数。
9. 根据权利要求1所述的微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，其特征在于，所述 步骤8)中，所述Lyapunov函数V设计为：
其中，L，n2，n3，n4为自适应#数，乃-〇-尸)，犮分别为微陀螺仪数 学模型的参数矩阵D，K，Q的估计误差； 所述微陀螺仪数学模型的参数矩阵的自适应律为：
所述神经网络权值的自适应律为：
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6为神经网络权值误差。
【专利摘要】本发明公开了一种微陀螺仪自适应滑模预设性能控制方法，通过预先设置期望的性能指标然后完成系统的控制，从而达到控制的性能指标满足设计的要求。在完成预设性能的同时，系统的所有参数都能通过自适应过程辨识出来，并且采用神经网络对系统不确定性和外界干扰的上界进行了估计，保证了系统的稳定性。
【IPC分类】G05B13-04
【公开号】CN104614993
【申请号】CN201510021322
【发明人】卢成, 费峻涛
【申请人】河海大学常州校区
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月15日