基于線性化反饋的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局滑?？刂品椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于線性化反饋的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全 局滑?？刂品椒?。
【背景技術(shù)】
[0002] 微陀螺儀是慣性導(dǎo)航和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的基本測(cè)量元件。因其在體積和成本方面的 巨大優(yōu)勢(shì)，微陀螺儀廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、軍事以及消費(fèi)電子領(lǐng)域。但是， 由于設(shè)計(jì)與制造中的誤差存在和溫度擾動(dòng)，會(huì)造成原件特性與設(shè)計(jì)之間的差異，降低了微 陀螺儀系統(tǒng)的性能。微陀螺儀本身屬于多輸入多輸出系統(tǒng)并且系統(tǒng)參數(shù)存在不確定性以及 易受外界環(huán)境的影響。補(bǔ)償制造誤差和測(cè)量角速度成為微陀螺儀控制的主要問(wèn)題，有必要 對(duì)微陀螺儀系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和調(diào)整。
[0003] 目前有將各種先進(jìn)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。 這些先進(jìn)方法一方面補(bǔ)償了制作誤差引起的正交誤差，另一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)微陀螺儀的軌跡 控制。但自適應(yīng)控制對(duì)外界擾動(dòng)的魯棒性很低，易使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。
[0004] 申請(qǐng)?zhí)枮?01310419400. 1的專利公開(kāi)了一種微陀螺儀的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局滑模控制 方法，其全局滑模控制通過(guò)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)非線性滑模面來(lái)實(shí)現(xiàn)，其消除滑?？刂频牡竭_(dá)運(yùn)動(dòng)階 段不具有魯棒性的缺點(diǎn)，使系統(tǒng)在響應(yīng)的全過(guò)程都具有魯棒性。此發(fā)明簡(jiǎn)化了滑模系數(shù)的 選取，消除了滑?？刂浦械亩墩?。申請(qǐng)?zhí)枮?01410500447. 5的專利公開(kāi)了一種微陀螺儀的 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局滑?？刂品椒?。首先，在全局滑?？刂破鞯幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的 自適應(yīng)辨識(shí)方法，在線實(shí)時(shí)更新微陀螺儀的角速度和其它系統(tǒng)參數(shù)的估計(jì)值，然后利用自 適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)滑?？刂魄袚Q項(xiàng)中的切換增益以逼近系統(tǒng)不確定性和外 部干擾的上界，將滑?？刂频那袚Q項(xiàng)轉(zhuǎn)化為連續(xù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出，削弱了滑?？刂浦械亩?振現(xiàn)象，并且有較強(qiáng)的自適應(yīng)跟蹤能力。但是這兩項(xiàng)專利并沒(méi)有將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)線性系 統(tǒng)來(lái)分析，依賴于非線性系統(tǒng)的求解或穩(wěn)定分析，不具有普遍性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種基于線性化反饋的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 全局滑?？刂品椒?，利用全狀態(tài)反饋抵消原系統(tǒng)中的非線性特性，不依賴于非線性系統(tǒng)的 求解或穩(wěn)定分析，具有普遍性。
[0006] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于線性化反饋的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 全局滑?？刂品椒?，包括步驟：
[0007] S101、建立微陀螺儀的理想動(dòng)力學(xué)方程；
[0008] S102、根據(jù)旋轉(zhuǎn)系中的牛頓定律建立微陀螺儀的無(wú)量綱動(dòng)力學(xué)方程；
[0009] S103、根據(jù)所述理想動(dòng)力學(xué)方程和所述無(wú)量綱動(dòng)力學(xué)方程，建立基于線性化反饋 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局滑?？刂葡到y(tǒng)，設(shè)計(jì)控制律，并將所述控制律作為微陀螺儀的控制輸入；
[0010] S104、基于lyapunov函數(shù)理論設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，從而使建立的所述控制系統(tǒng)進(jìn)行在 線更新。
[0011] 進(jìn)一步的，所述SlOl具體包括步驟：
[0012] S1011、建立微陀螺儀的理想動(dòng)力學(xué)方程；
[0013] 其中，所述理想動(dòng)力學(xué)方程為
，式中，Wl、W2分別是微陀螺儀在 X軸和y軸方向上的振動(dòng)頻率，W1^ w 2，且都不為零,A^A2分別為微陀螺儀在X軸和y軸方 向上的振幅，t是時(shí)間變量；
[0014] S1012、將所述理想動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)換為向量形式；
[0015] 其中，所述向量形式為：
為理想運(yùn)動(dòng)軌跡，
D
[0016] 進(jìn)一步的，所述S102具體包括步驟：
[0017] S1021、根據(jù)旋轉(zhuǎn)系中的牛頓定律建立微陀螺儀的實(shí)際集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型；
[0018] 其中，所述集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型為：
^式中， m是微陀螺儀的質(zhì)量塊的質(zhì)量，X' /是質(zhì)量塊在微陀螺儀旋轉(zhuǎn)系中的笛卡爾坐標(biāo)，dxx、dyy 分別是x軸和y軸的阻尼系數(shù)，kxx、kyy分別是x軸和y軸的彈簧系數(shù)，d xy、kxy分別是耦合 的阻尼系數(shù)和耦合的彈簧系數(shù)，ux、\是X軸和y軸的控制輸入，Ω，是角速度，

是科里奧利力，礦是f的二次求導(dǎo)，￡是對(duì)f的一次求導(dǎo)，/、f同理；
[0019] S1022、將所述集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型無(wú)量綱化，得到無(wú)量綱模型；
[0020] 其中，所述無(wú)量綱模型為
[0021] 式中，無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)軌跡
為參考長(zhǎng)度，qd為理想運(yùn)動(dòng)軌跡；無(wú)量綱時(shí)間t
為X軸和y軸的固有頻率；
；
[0022] S1023、根據(jù)所述無(wú)量綱模型得到無(wú)量綱動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程； υ?Ν 丄 υυιυ??乙 ? λ J o/ ?
[0023] 其中，所述無(wú)量綱動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程為
，式中，
[0024] 進(jìn)一步的，所述103具體包括步驟：
[0025] S1031、設(shè)計(jì)全局動(dòng)態(tài)滑模面S為：
；式中，e為跟蹤誤差，e = q_qd，f(t)是為了達(dá)到全局滑模面而設(shè)計(jì)的函數(shù)，且f(t) =f(0)ekt，c為滑模系數(shù)，k為常 數(shù)；
[0026] S1032、根據(jù)線性化反饋技術(shù)，將微陀螺儀系統(tǒng)的全局滑?？刂坡稍O(shè)計(jì)為：
[0027]
[0028] 式中，P為常數(shù)且P >0 ;
[0029] S1033、設(shè)計(jì)基于線性化反饋的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局滑?？刂坡桑刮⑼勇輧x實(shí)際軌跡跟 蹤上理想軌跡；
[0030] 其中，所述控制律為
?式中，_

是高斯函數(shù)，ω t表示ω在t時(shí)刻的估計(jì)值，ω = [ω1; ω2... ωη]τ是輸出層的權(quán)重向量，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入為
，輸出為未知非線性 函數(shù)匕的估計(jì)值η表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。
[0031] 進(jìn)一步的，所述S104中：
[0032] 所述Iyapunov函數(shù)V設(shè)計(jì)為：
[0033] 自適應(yīng)律備設(shè)計(jì)為：A /)二JS ;
[0034] 其中，.
是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重向量，是 被估計(jì)的權(quán)重向量的誤差，A =付-?，?表示被估計(jì)的權(quán)重向量。
[0035] 進(jìn)一步的，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來(lái)估計(jì)非線性函數(shù)
，其中，
，式中，ξ為映射誤差。
[0036] 實(shí)施本發(fā)明，具有如下有益效果：
[0037] 1、本專利利用全狀態(tài)反饋抵消原系統(tǒng)中的非線性特性，得到輸入輸出之間具有線 性行為的新系統(tǒng)，從而可以應(yīng)用線性方法對(duì)新系統(tǒng)進(jìn)行控制。與其他方法相比，其主要優(yōu)點(diǎn) 是不依賴于非線性系統(tǒng)的求解或穩(wěn)定分析，而只需討論系統(tǒng)的反饋?zhàn)儞Q，因而它具有普遍 性；
[0038] 2、微陀螺儀系統(tǒng)是個(gè)特殊的系統(tǒng)，其控制器u前面的項(xiàng)是個(gè)固定值，在其系統(tǒng)中 也存在非線性項(xiàng)，所以可以采用線性化反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局滑模控制的方法對(duì)其進(jìn)行控制。
[0039] 3、全局滑?？刂剖峭ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)一種動(dòng)態(tài)非線性滑模面方程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，消除滑模控制 的到達(dá)運(yùn)動(dòng)階段，使系統(tǒng)在響應(yīng)的全過(guò)程都具有魯棒性，克服了傳統(tǒng)滑模變結(jié)構(gòu)控制中到 達(dá)模態(tài)不具有魯棒性的特點(diǎn)；
[0040] 4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以克服非結(jié)構(gòu)化的不確定性，逼近任意非線性系統(tǒng)；
[0041] 5、基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的在線更新，能夠在任 意初始值的情況下，保證系統(tǒng)的全局漸進(jìn)穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0042] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0043] 圖1是本發(fā)明提供的基于線性化反饋的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全局滑?？刂品椒ǖ?一個(gè)實(shí)施例的流程示意圖；
[0044] 圖2是笛卡爾坐標(biāo)系下簡(jiǎn)化的微振動(dòng)陀螺儀模型；
[0045] 圖3是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0046] 圖4為微陀螺儀兩軸位置跟蹤曲線；
[0047] 圖5為微陀螺儀兩軸跟蹤誤差曲線；
[0048] 圖6為本發(fā)明的微陀螺儀兩軸滑模面函數(shù)曲線；
[0049] 圖7為本發(fā)明的微陀螺儀兩軸的控制輸入曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0050] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部