基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法，包括以下步驟：建立理想動力學(xué)模型和微陀螺儀動力學(xué)模型，設(shè)計滑模函數(shù)并基于滑模函數(shù)得到控制律，在此控制律的基礎(chǔ)上加上反饋項和魯棒項，將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界估計值作為魯棒項的增益。基于李雅普諾夫方法設(shè)計參數(shù)自適應(yīng)律和網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)律。本發(fā)明在控制律中加入反饋項，使微陀螺兩軸振動軌跡跟蹤和參數(shù)估計速度極大的提高，且振動幅值減?。辉诳刂坡芍屑尤牖赗BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的魯棒項，解決由于外界干擾較大且波動引起的抖振和動態(tài)特性變差問題，消除結(jié)構(gòu)式和非結(jié)構(gòu)式的不確定性，進一步提高系統(tǒng)的魯棒性。
【專利說明】基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法，屬于微 陀螺儀控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 微機械陀螺儀（MEMS Gyroscope)是利用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)加工而成的用 來感測角速度的慣性傳感器。它通過一個由硅制成的振動的微機械部件來檢測角速度，因 此微機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。近年來，微機械 陀螺儀在很多應(yīng)用中受到密切地關(guān)注，例如，陀螺儀配合微機械加速度傳感器用于慣性導(dǎo) 航、在數(shù)碼相機中用于穩(wěn)定圖像、用于電腦的無線慣性鼠標(biāo)等等。但是，由于生產(chǎn)制造過程 中不可避免的加工誤差以及環(huán)境溫度的影響，會造成原件特性與設(shè)計之間的差異，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)境中的外界擾動作用 不可忽略，使得微陀螺儀的軌跡追蹤控制難以實現(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，且忽略正交誤差和外界擾動的作用，雖然在大部分情況下 系統(tǒng)仍是穩(wěn)定的，但追蹤效果遠不理想，這種針對單一環(huán)境設(shè)計的控制器具有很大的使用 局限性。
[0003] 國內(nèi)對于微陀螺儀的研究目前主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造技術(shù)方面，以及上述的 機械補償技術(shù)和驅(qū)動電路研究，很少出現(xiàn)用先進控制方法補償制造誤差和控制質(zhì)量塊的振 動軌跡，以達到對微陀螺儀的完全控制和角速度的測量。國內(nèi)研究微陀螺儀的典型機構(gòu)為 東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院及東南大學(xué)微慣性儀表與先進導(dǎo)航技術(shù)重點實驗室。
[0004] 國際上的文章有將各種先進控制方法應(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?。這些先進方法一方面補償了制作誤差引起的正交誤差，另一方面 實現(xiàn)了對微陀螺儀的軌跡控制。但自適應(yīng)控制對外界擾動的魯棒性很低，易使系統(tǒng)變得不 穩(wěn)定。
[0005] 由此可見，現(xiàn)有的微陀螺儀在使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一 步改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 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，特別是提高微陀 螺儀系統(tǒng)在存在模型不確定、參數(shù)攝動以及外界擾動較大且波動造成的抖振現(xiàn)象等各種干 擾情況下，對理想軌跡的追蹤性能和整個系統(tǒng)的魯棒性，提供一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí) 的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法。
[0007] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
[0008] 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法，包括以下步驟：
[0009] (1)建立理想動力學(xué)方程；
[0010] (2)建立微陀螺儀的無量綱動力學(xué)方程；
[0011] (3)基于滑模函數(shù)設(shè)計控制律，包括以下步驟：
[0012] (3-1)定義滑模函數(shù)s為：
[0013] s = e+ce C6)
[0014] 其中，c為滑模面參數(shù)，e為追蹤誤差；
[0015] (3-2)對滑模函數(shù)求導(dǎo)，并整理成帶有參數(shù)誤差向量的形式：
[0016] s = u + p-Y0*+Q (13)
[0017]

【權(quán)利要求】
1.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法，其特征在于，包括以下步 驟： (1) 建立理想動力學(xué)方程； (2) 建立微陀螺儀的無量綱動力學(xué)方程； (3) 基于滑模函數(shù)設(shè)計控制律，包括以下步驟： (3-1)定義滑模函數(shù)s為： s-e+ce <6) 其中，C為滑模面參數(shù)，e為追蹤誤差； (3-2)對滑模函數(shù)求導(dǎo)，并整理成帶有參數(shù)誤差向量的形式：
為線性反饋增益，^是e#的估計值，，為外界干擾的上界， usl = -Kss是反饋項，
(4) 設(shè)計基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的魯棒項，具體為：用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對外界干擾的 上界，進行學(xué)習(xí)，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出即為外界干擾的上界，的估計值#:
(18) 其中，W為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，#為最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值礦的估計值，x為RBF神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)的輸入信號，為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點輸出向量； (5) 將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出^作為外界干擾的上界0帶入式（16)中，得到新的控制律
將控制律ft作為微陀螺儀的控制輸入U對微陀螺儀進行控制； (6)基于Lyapunov設(shè)計魯棒自適應(yīng)律和網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)律， 所述Lyapunov函數(shù)V設(shè)計為：
其中，m = mT，^ = ^是正定對稱矩陣，#為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值估計誤差，否 所試魯誄白話向錚沿詁士 . m代表了S的自適應(yīng)律增益；
所述網(wǎng)絡(luò)權(quán)值自適應(yīng)律設(shè)計為：
n為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法，其 特征在于，所述步驟（1)中，理想動力學(xué)方程為兩個不同頻率的正弦波： xm = A1sin(w1t), ym = A2sin(w2t), 其中Wl尹w2，且都不為零，ApA2分別為微陀螺儀在兩軸方向上的振幅，t是時間， Wl、w2分別是微微陀螺儀在兩軸方向上的振動頻率； 寫成向量形式為：
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法，其 特征在于，所述步驟（2)中，建立微陀螺儀的無量綱動力學(xué)方程的過程為： 2-1)考慮進制造誤差和外界干擾作用，兩軸微機械陀螺儀的動力學(xué)方程為：
式中，m為質(zhì)量塊的質(zhì)量；x，y分別為質(zhì)量塊沿驅(qū)動軸和感測軸的位置；dxx，dxy，d yy為微 陀螺儀的阻尼系數(shù)，kxx，kxy，kyy為微陀螺儀的彈性系數(shù)，均未知且緩慢時變；Q z是微陀螺儀 工作環(huán)境中的角速度，也是未知量；ux，uy是兩軸的控制輸入；P x，P y是兩軸的外界干擾作 用； 2-2)將式（1)的兩側(cè)同除以微陀螺儀的質(zhì)量m，參考長度％，兩軸的共振頻率的平方 ，再進行無量綱變換，得到無量綱化模型如下：
此時，式（3)中所有量均為無量綱的純數(shù)值，各無量綱量的表達式為：
箭頭右邊表示無量綱量，箭頭左邊表示有量綱量； 2-3)將微陀螺儀無量綱動力學(xué)模型式（3)寫成無量綱向量的形式為：
q為微陀螺儀的運動軌跡，P為微陀螺儀的外界干擾，D是微陀螺儀的阻尼系數(shù)矩陣， K是微陀螺儀的彈性系數(shù)矩陣，Q是輸入角速度矩陣，u是控制輸入。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上界學(xué)習(xí)的微陀螺儀魯棒自適應(yīng)控制方法，其 特征在于，所述步驟（3)中，追蹤誤差e為： e = q-qm? 其中，q為微陀螺儀的運動軌跡，qm為微陀螺儀的理想運動軌跡。
【文檔編號】G05B13/04GK104281056SQ201410479834
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】吳丹, 費峻濤 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)