微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)pid全局滑模控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微陀螺儀的控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài) PID全局滑模控制方法。
【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)控制和 滑?？刂品椒?。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] 由此可見，上述現(xiàn)有的陀螺儀在使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進(jìn) 一步改進(jìn)。為了解決現(xiàn)有的陀螺儀在使用上存在的問題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡心思來謀求解 決之道，但長(zhǎng)久以來一直未見適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 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(dòng)以及外界噪聲等各種干擾，在消除系統(tǒng)抖振的情況 下而不影響理想軌跡的追蹤性能和整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性，提供一種微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài) PID全局滑?？刂品椒?。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂品椒?，包括如下步驟：
[0008] 1)建立微陀螺儀的理想對(duì)力學(xué)方程；
[0009] 2)根據(jù)旋轉(zhuǎn)系中的牛頓定律建立微陀螺儀的無量綱動(dòng)力學(xué)方程；
[0010] 3)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑模控制器，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂?設(shè)計(jì)控制律，將其作為微陀螺儀的控制輸入，包括如下步驟：
[0011] 3-1)設(shè)計(jì)PID全局滑模面S (t)為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂品椒ǎ涮卣髟谟?，包括如下步驟： 1) 建立微陀螺儀的理想對(duì)力學(xué)方程； 2) 根據(jù)旋轉(zhuǎn)系中的牛頓定律建立微陀螺儀的無量綱動(dòng)力學(xué)方程； 3) 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂破?，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂圃O(shè)計(jì) 控制律，將其作為微陀螺儀的控制輸入，包括如下步驟： 3-1)設(shè)計(jì) PID 全局滑模面 S(t)為：5(〇 = ? + ；?^ + Λ]^0-)?/Γ-/(〇 其中，e為跟蹤誤差，e = q_qm，q為微陀螺儀的運(yùn)動(dòng)軌跡，qm為微陀螺儀的理想運(yùn)動(dòng)軌 跡，f(t)是為了達(dá)到全局滑模面而設(shè)計(jì)的函數(shù)，X1, λ2為滑模系數(shù)，k為常數(shù)； 3-2)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)PID全局滑模面ζ⑴為：（Ο知)+ 4邠 其中，λ 3, λ 4為滑模系數(shù)； 3-3)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂坡蒝iTwafe，使微陀螺儀實(shí)際軌跡跟蹤上理 想軌跡，控制律設(shè)計(jì)為： J tRBFDGSMC tjRBFDGSMC r \? K =J0^ (Γ)介 (6) 〇!；：iH>(；suc = qm - //(〇 - M Kq + MU + Kq- / (〇 +/;,(//(〇 + p2e + p,e + /;4￡ e( r>/r - Aj (j) - A.f(t) + Φ + Κνζ (t) (7) 其中：//(O = M ，谷=L -奪，P1= ( λ i+λ 3)，P2= ( λ 2+λ i λ 3+λ4)，P3 = (λ2λ3+λ1λ4)，Ρ4= (λ 2λ4)，⑴= ;;=々", + Μ^+Α-「⑴，Kv 為正常數(shù)； Φ = Μ「(〇-I1XO是動(dòng)態(tài)PID全局滑模控制系統(tǒng)中的不確定項(xiàng)，Φ是Φ的估計(jì)值，為 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出； 4) 基于lyapunov函數(shù)理論，設(shè)計(jì)自適應(yīng)律，驗(yàn)證所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂?器的穩(wěn)定性。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂品椒?，其特征在于， 所述步驟1)中，微陀螺儀的理想動(dòng)力學(xué)方程為： xd= A !sin (w^), yd= A 2sin (w2t) 其中，xd、yd分別是微陀螺儀在x軸和y軸方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡，w i、w2分別是微陀螺儀在 X軸和y軸方向上的振動(dòng)頻率，W1^ W2，且都不為零，ApA2分別為微陀螺儀在X軸和y軸方 向上的振幅，t是時(shí)間； 寫成向量形式為= _yd_ qmS微陀螺儀的理想運(yùn)動(dòng)軌跡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂品椒?，其特征在于， 所述步驟2)中，建立微陀螺儀的無量綱動(dòng)力學(xué)方程具體為， 2-1)考慮到制造缺陷和加工誤差，實(shí)際微陀螺儀的集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型為： mx + dyxx + dxvy + k^.x + Arvr v = Ux + 2mQ_y my + dxrk + Jir j + ^v,. jc + kvry = Uv- 2mQJ ⑴ 其中，m是質(zhì)量塊的質(zhì)量，x，y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，U y是兩軸的控制輸入，Ω z是角速度； 2-2)取無量綱運(yùn)動(dòng)軌跡cf為無量綱時(shí)間。為儼=?小將式⑴兩邊同除以 ￥〇 質(zhì)量塊質(zhì)量m，兩軸固有頻率Wtl的平方w /和參考長(zhǎng)度q ^，得到微陀螺儀的無量綱動(dòng)力學(xué)方 程的向量形式如下：
2-3)為了計(jì)算方便，重新用q代替q%用t代替t%用D代替D%用K代替K%用U代替 U%用Ω代替Ω%得到： q + Dq + Kq=U-2ilq (3) q為微陀螺儀的運(yùn)動(dòng)軌跡，U為微陀螺儀的控制輸入； 2-4)考慮到參數(shù)變化，外界干擾和不可預(yù)測(cè)的不確定性，將（3)改寫成如下形式 g + (M +AM)q + (K + AK)q = U + AU + d (4) 其中，M = ?+2Ω，ΛΜ，ΛΚ，AU為參數(shù)不確定性，d為外部干擾； 設(shè)集總參數(shù)不確定項(xiàng)為Γ (t)，則（4)可被寫為： q + Mq + Kq= U + Γ(〇 (5) 其中，「⑴=Δ" + - ΔΜ々-ΔΚ?/ . 以此作為微陀螺儀無量綱運(yùn)動(dòng)方程的最終形式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑模控制方法，其特征在于， 所述步驟3-1)中，f(t)函數(shù)滿足，以下3個(gè)條件： a>/(〇) = e0+ce0； b、 t - 00 時(shí)，f (t) - O ; c、 f(t)具有一階導(dǎo)數(shù)； 其中，e(!是跟蹤誤差的初始值，c為常數(shù)， 所以將f(t)設(shè)計(jì)為：f(t) =f(0)e'k為常數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑模控制方法，其特征在于， 所述步驟3-3)中，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計(jì)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂葡到y(tǒng)中的不確定項(xiàng)Φ， RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出?為： Φ = ψ'φ(χ)， 其中，泠為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)權(quán)值，在線不斷更新，Φ (X) = [ tK(X), Φ2(χ)… Φη(χ) ]τ是尚斯基函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂品椒?，其特征在于， 所述步驟4)中，所述Iyapunov函數(shù)V ( ζ (t))設(shè)計(jì)為： r(ao)=|(((，)2+丄妒 7W7) (id 2 r 所述自適應(yīng)律#設(shè)計(jì)為：= -r(⑷火X) 其中，r是學(xué)習(xí)速率，#是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)權(quán)值向量，W為理想的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值向量，#是 被估計(jì)的權(quán)值向量的誤差，妒=屮...
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微陀螺儀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂品椒?，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)PID全局滑模控制系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)PID全局滑?？刂破骱蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)不確定估計(jì)器構(gòu)成，全局滑?？刂颇芸朔鹘y(tǒng)滑?？刂浦械竭_(dá)模態(tài)不具有魯棒性的缺點(diǎn)，加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)在響應(yīng)的全過程都具有魯棒性。本發(fā)明在滑模面的設(shè)計(jì)中引入積分項(xiàng)來抑制穩(wěn)態(tài)誤差和增強(qiáng)魯棒性，并且動(dòng)態(tài)滑?？刂瓶梢詼p少抖振現(xiàn)象，因此，PID全局滑模和動(dòng)態(tài)滑模的結(jié)合可以同時(shí)發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，提高滑模控制系統(tǒng)的瞬態(tài)特性和魯棒性并減少滑模變結(jié)構(gòu)控制中存在的抖振。
【IPC分類】G05B13-04
【公開號(hào)】CN104656442
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410843980
【發(fā)明人】?jī)?chǔ)云迪, 費(fèi)峻濤
【申請(qǐng)人】河海大學(xué)常州校區(qū)
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日