CN110389527B - 基于异类估计的mems陀螺仪滑模控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法,属于智能化仪器仪表领域。该方法将陀螺仪动力学模型转化为无量纲的动力学线性参数化模型;结合当前数据和历史数据共同设计待辨识参数自适应律,实现参数辨识;设计自适应神经网络在线调整神经网络权值,实现对不确定的有效估计;设计滑模控制器实现MEMS陀螺驱动控制,同时提高系统对外部干扰的鲁棒性。本发明设计的基于历史数据学习的MEMS陀螺仪滑模控制及参数辨基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法可解决驱动控制系统控制精度有限的问题,实现高精度陀螺仪驱动控制,同时辨识动力学参数,进一步改善MEMS陀螺仪性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS陀螺仪的驱动控制方法,特别是涉及一种基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法,属于智能化仪器仪表领域。
背景技术
在实际工程应用中,MEMS陀螺仪的温度、气压、磁场、振动等工作环境变化为陀螺驱动控制带来挑战,尤其是缺乏自适应能力的控制器难以适应动态变化的环境。目前常用的两种解决思路是:(1)改善硬件设计,增加隔离构件屏蔽外部环境的影响;(2)改进控制器设计方案,增强控制器的自适应能力。
由于滑模控制对外部环境变化不敏感,系统鲁棒性强,《Adaptive GlobalSliding Mode Control for MEMS Gyroscope Using RBF Neural Network》(Yundi Chuand Juntao Fei,《Mathematical Problems in Engineering》,2015)一文中提出了一种基于RBF神经网络的MEMS陀螺仪全局滑模控制方法,采用神经网络调节滑模切换增益,同时给出了动力学模型参数辨识结果。然而这种方法主要关注滑模抖振问题,难以保证驱动控制精度。
发明内容
要解决的技术问题
为克服现有技术驱动控制系统控制精度有限的问题,本发明提出一种基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法。该方法结合当前数据和历史数据共同构建待辨识参数自适应律,实现参数辨识;设计自适应神经网络在线调整神经网络权值,实现对不确定的有效估计;设计滑模控制器实现MEMS陀螺驱动控制,同时提高系统对外部干扰的鲁棒性。
技术方案
一种基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:考虑存在正交误差和系统不确定的MEMS陀螺动力学模型为:
其中,m为检测质量块的质量,Ωz为陀螺输入角速度,和x*分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴的加速度、速度和位移,和y*分别为沿检测轴的加速度、速度和位移,和为静电驱动力,cxx和cyy为阻尼系数,kxx和kyy为刚度系数,和为非线性系数,cxy和cyx为阻尼耦合系数,kxy和kyx为刚度耦合系数;且 其中和是参数标称值,根据某型号的振动式硅微机械陀螺选取,Δkxx、Δkyy、Δcxx、Δcyy、Δkxy、Δkyx、Δcxy和Δcyx是未知的不确定参数;
重新定义
式(2)可以表示为
定义θ=[x,y]T,F=[f1,f2]T,ΔF=[Δf1,Δf2]T,U=[u1,u2]T,则式(3)可写为
F=WΦ (5)
步骤2:给出MEMS陀螺动力学式(1)的参考轨迹为
则无量纲动力学式(4)的参考轨迹为
θd=[xd,yd]T (9)
定义跟踪误差为
e=θ-θd (10)
设计滑模面为
则控制器设计为
U=Un+Us+Ul (12)
Us=-Kss(14)
定义预测误差为
给出参数的自适应律为
给出神经网络权值的更新律为
步骤3:基于参数自适应律式(17)、神经网络权值更新律式(18)设计控制器式(12)驱动无量纲动力学(4),并通过量纲转换返回MEMS陀螺动力学模型(1),实现陀螺驱动控制及动力学参数辨识。
有益效果
本发明提出的一种基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法,与现有技术相比的有益效果为:
(1)针对实际工程中动力学参数未知的问题,充分挖掘历史数据信息,利用当前数据和历史数据共同构建参数自适应律,实现参数辨识。
(2)针对温度、气压等环境变化造成的系统动态不确定,设计自适应神经网络在线调整神经网络权值,实现对不确定的有效估计。
(3)针对系统易受外部振动环境影响的问题,设计滑模控制器实现MEMS陀螺驱动控制同时提高系统鲁棒性。
附图说明
图1本发明具体实施流程图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
本发明公开了一种基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法,结合图1,具体设计步骤如下:
(a)考虑存在正交误差和系统不确定的MEMS陀螺动力学模型为:
其中,m为检测质量块的质量,Ωz为陀螺输入角速度,和x*分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴的加速度、速度和位移,和y*分别为沿检测轴的加速度、速度和位移,和为静电驱动力,cxx和cyy为阻尼系数,kxx和kyy为刚度系数,和为非线性系数,cxy和cyx为阻尼耦合系数,kxy和kyx为刚度耦合系数。且 其中和是参数标称值,根据某型号的振动式硅微机械陀螺,选取陀螺各参数为m=5.7×10-9kg,q0=10-5m,ω0=1kHz,Ωz=5.0rad/s, Δkxx、Δkyy、Δcxx、Δcyy、Δkxy、Δkyx、Δcxy和Δcyx是未知的不确定参数。
取无量纲化时间t=ωot*,无量纲化位移x=x*/q0,y=y*/q0,其中ω0为参考频率,q0为参考长度,对MEMS陀螺动力学模型进行无量纲化处理,得到
重新定义动力学参数为
式(3)可以表示为
定义
则式(4)可以改写为
定义θ=[x,y]T,F=[f1,f2]T,ΔF=[Δf1,Δf2]T,U=[u1,u2]T,则式(5)可写为
F=WΦ (7)
(b)给出MEMS陀螺动力学式(1)的参考轨迹为
则无量纲动力学式(6)的参考轨迹为
θd=[xd,yd]T (11)
定义跟踪误差为
e=θ-θd (12)
设计滑模面为
则控制器设计为
U=Un+Us+Ul (14)
Us=-Kss (16)
定义预测误差为
给出参数的自适应律为
给出神经网络权值的更新律为
(d)基于参数自适应律式(19)、神经网络权值的更新律式(20)设计滑模控制器式(14)驱动无量纲动力学式(6),并通过量纲转换返回MEMS陀螺动力学模型式(1),实现陀螺驱动控制及动力学参数辨识。
Claims (1)
1.一种基于异类估计的MEMS陀螺仪滑模控制方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:考虑存在正交误差和系统不确定的MEMS陀螺动力学模型为:
其中,m为检测质量块的质量,Ωz为陀螺输入角速度,和x*分别为MEMS陀螺仪检测质量块沿驱动轴的加速度、速度和位移,和y*分别为沿检测轴的加速度、速度和位移,和为静电驱动力,cxx和cyy为阻尼系数,kxx和kyy为刚度系数,和为非线性系数,cxy和cyx为阻尼耦合系数,kxy和kyx为刚度耦合系数;且 其中和是参数标称值,根据某型号的振动式硅微机械陀螺选取,Δkxx、Δkyy、Δcxx、Δcyy、Δkxy、Δkyx、Δcxy和Δcyx是未知的不确定参数;
重新定义
式(2)可以表示为
定义θ=[x,y]T,F=[f1,f2]T,ΔF=[Δf1,Δf2]T,U=[u1,u2]T,则式(3)可写为
F=WΦ (5)
步骤2:给出MEMS陀螺动力学式(1)的参考轨迹为
则无量纲动力学式(4)的参考轨迹为
θd=[xd,yd]T (9)
定义跟踪误差为
e=θ-θd (10)
设计滑模面为
则控制器设计为
U=Un+Us+Ul (12)
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定义预测误差为
给出参数的自适应律为
给出神经网络权值的更新律为
步骤3:基于参数自适应律式(17)、神经网络权值更新律式(18)设计控制器式(12)驱动无量纲动力学(4),并通过量纲转换返回MEMS陀螺动力学模型(1),实现陀螺驱动控制及动力学参数辨识。
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MEMS陀螺仪滑模控制策略研究;赵清;《中国优秀硕士学位论文全文数据库(电子期刊)》;20180615(第6期);第I140-574页 * |
Sliding mode control of MEMS gyroscopes;RUI ZHANG etc.;《Neurocomputing》;20180131;第275卷;第2555-2564页 * |
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