CN102681443A - 一种基于模糊补偿的微机电陀螺仪模糊自适应控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于模糊补偿的微机电陀螺仪模糊自适应控制系统,包括微机电陀螺仪系统和控制系统,所述控制系统包括参考模型、滑模自适应控制器和模糊控制器,所述模糊控制器包括控制器主体,模糊规则模块、参数自适应律模块和鲁棒模糊自适应控制律模块;本发明采用更先进的控制方法来控制微机电陀螺仪,减少了外界干扰对轨迹跟踪的影响,尤其是不确定性干扰的影响,降低了测量误差,从而保证微机陀螺仪能稳定、高效的工作。
Description
技术领域
本发明属于智能控制领域,具体涉及一种基于模糊补偿的微机电陀螺仪模糊自适应控制系统。
背景技术
模糊控制是智能控制的重要分支,模糊电子技术是21世纪的核心技术,在机电行业中进行了广泛的应用。模糊控制的发展方向主要有Fuzzy-PID复合控制、自适应模糊控制、专家模糊控制、神经模糊控制和多变量模糊控制。从本质上说,模糊控制应该是非线性控制的一个分支,主要有两种不同的形式:一种是直接自适应模糊控制,即根据实际系统性能与理想性能之间的偏差直接设计模糊控制器;另一种是间接自适应模糊控制,即通过在线模糊逼近获得控制对象的模型,然后根据所得模型在线设计控制器。自适应模糊控制器设计思想是基于Lyapunov稳定性原理和自适应控制等理论,与传统定量控制方法的本质区别为:第一,用语言变量代替数学变量;第二,用模糊条件语句描述变量间的关系;第三,用模糊算法描述系统复杂关系;第四,在设计中,通常先依据经验确定模糊控制器参数,然后按照实际情况进行详细调整。
微机电陀螺仪(Micro-electromechanical Systems Gyroscope)是利用哥氏效应,应用微机电加工技术制造而成的。与传统的惯性转子陀螺仪相比,微机电陀螺仪具有体积大为缩小,质量大为减轻,功耗大幅度降低,电路可集成于机械结构中,可靠性高,承载能力强,价格低廉,易于数字化和智能化,测量范围大等特点,是传统陀螺仪无法比拟的。微机电陀螺仪在航空、航天、航海、兵器以至国民经济中的石油、煤炭、汽车制造、机电工业、电子技术、控制科学和信息科技等领域都有着广泛的应用。但微机电陀螺仪的性能受时变参数以及诸如热噪声、机械噪声、感知电路噪声、环境变量、积分误差、参数变量和外部扰动等噪声源的制约,为了减少干扰造成的影响,需要采用更先进的控制方法来控制微机电陀螺仪。
发明内容
发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于对干扰进行模糊补偿的微机电陀螺仪模糊自适应控制系统,利用模糊控制对微机电陀螺仪系统的确定性及不确定性干扰进行补偿,进一步提高微机电陀螺仪系统的稳定性和可靠性。
技术方案:本发明所述的一种基于模糊补偿的微机电陀螺仪模糊自适应控制系统,包括微机电陀螺仪系统和控制系统,所述控制系统包括参考模型、滑模自适应控制器和模糊控制器,所述模糊控制器包括控制器主体,模糊规则模块、参数自适应律模块和鲁棒模糊自适应控制律模块,
所述鲁棒模糊自适应控制律模块的自适应控制律为;
上述系统的运行过程为:首先,由微机电陀螺仪系统输出和参考模型输出之差得到跟踪误差,作为滑模控制器的输入,由微机电陀螺仪系统输出模糊化得到模糊基向量,由滑模控制器的输出和模糊基向量求得参数自适应律,再通过初始参数集合,由自适应律求得参数值,由参数值和模糊基向量得到模糊控制器输出的模糊补偿,最后通过鲁棒模糊自适应控制律模块得到微机电陀螺仪系统的控制律,控制律输入微机电陀螺仪系统后得到输出,并继续完成下一轮的运行。
本发明与现有技术相比,其有益效果是:(1)采用更先进的控制方法来控制微机电陀螺仪,减少了外界干扰对轨迹跟踪的影响,尤其是不确定性干扰的影响,降低了测量误差,从而保证微机陀螺仪能稳定、高效的工作;(2)采用了滑模的思想对微机电陀螺仪系统进行控制,具有滑模变结构控制器的优点,使得系统具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点;(3)现有的技术处理系统的不确定干扰多为近似估计,这样系统的适应性收到限制,容易产生抖振,控制效果不是很好,而模糊自适应控制器不依赖于对象模型,对于不确定干扰的补偿能够进行合适的自适应调整,本发明采用模糊自适应控制器对微机电陀螺仪系统中存在的各种干扰进行模糊补偿,显著的降低了抖振的发生,达到了良好的控制效果。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明实施例中微机电陀螺仪在各方向上位移跟踪轨迹图。
图3为本发明实施例中微机电陀螺仪在各方向上跟踪误差曲线图。
图4为本发明实施例中滑模面s在各方向的曲线图。
图6为本发明实施例中模糊逼近误差曲线图。
q1、q2、q3分别表示微机电陀螺仪在x、y、z方向的实际位移,qd1、qd2、qd3分别表示微机电陀螺仪在x、y、z方向的理想位移,e1、e2、e3分别表示x、y、z方向的跟踪误差,s1、s2、s3分别表示x、y、z方向的滑模面,f1、f2、f3分别表示x、y、z方向的被补偿项,fp1、fp2、fp3分别表示x、y、z方向的模糊补偿,w1、w2、w3表示x、y、z方向的振幅。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示,一种基于模糊补偿的微机电陀螺仪模糊自适应控制系统,其特征在于,包括微机电陀螺仪系统和控制系统,所述控制系统包括参考模型、滑模自适应控制器和模糊控制器,所述模糊控制器包括控制器主体,模糊规则模块、参数自适应律模块和鲁棒模糊自适应控制律模块,
所述微机电陀螺仪系统的输入和输出分别为和;
上述控制系统的设计方法为:
一、微机电陀螺仪的动态特性分析
假设陀螺仪匀速直线运动,陀螺仪正以均匀的角速度旋转,离心力可忽略不计,陀螺仪受x轴、y轴和z轴三个方向上的控制力。三轴陀螺仪系统的动态方程如下:
其中m是检测质量的量,制造工艺缺陷的影响主要在非对称的源项kxy 、kxz 、kyz和非对称的阻尼项dxy 、dxz 、dyz,kxx、kyy 和kzz分别是x、y、z方向上的源项,dxx 、dyy 、dzz分别是x、y、z方向上的阻尼项,Ωx 、Ωy 、Ωz分别是x、y、z方向上的角速度,ux 、uy 、uz分别是x、y、z方向上的控制力。
微机陀螺仪的控制目标是保持设备在x、y、z轴方向上以给定的频率摆动,振幅xm=A1sin(w1t), ym=A2sin(w2t), zm=A3sin(w3t)。
方程两边同除以参考量m,重写动态方程为矢量形式如下:
其中
定义新参数如下:
忽略上标为符号已知,无量纲的(1)和(2)式为:
其中
考虑不确定项和外部干扰的动态方程为:
(6)
重写方程为:
(7)
参考模型定义为:
(9)
二、稳定性分析
定义误差函数
(10)
定义
为了保证,定义Lyapunov函数
则有
这里
已知
那么
这里
已知矩阵D的各项均为实数,分析:
(2)如果x,y异号,即xy<0,则有
三、自适应控制律设计
采用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊器来设计模糊控制器,即
模糊控制规则式通过设置其初始参数而被嵌入到模糊控制器中。
(17)
构造模糊系统
取控制律为
定义最优参数为
(20)
模糊逼近误差为
(21)
四、通过Lyapunov稳定性理论来设计自适应律
定义Lyapunov函数为
设计自适应律为
(23)
则
五、消除逼近误差
六、基于模糊补偿的模糊自适应控制
根据基于传统模糊补偿的控制器设计方法,模糊自适应控制律设计为
鲁棒模糊自适应控制律设计为
自适应律设计为
(27)
模糊系统设计为
定义隶属度函数为
,说明滑模运动轨迹将在很短的时间内到达滑模面并保持在其上运动,将趋近于零。由式(27)可得到自适应律。通过设置初始参数集合,我们可以求得。模糊控制器的输入为,按照模糊规则由式(16)得到模糊系统基函数向量,再由式(28)可求得,通过式(26)得到了鲁棒模糊自适应控制律。因为是渐近的趋近于零,即,从式(27)可以看出,也是渐近的趋近于零,所以随着时间的推移,值将会逐渐收敛。
如上所述,尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明,但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下,可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (1)
1.一种基于模糊补偿的微机电陀螺仪模糊自适应控制系统,其特征在于,包括微机电陀螺仪系统和控制系统,所述控制系统包括参考模型、滑模自适应控制器和模糊控制器,所述模糊控制器包括控制器主体,模糊规则模块、参数自适应律模块和鲁棒模糊自适应控制律模块,
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