專利名稱：基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明涉及微陀螺儀的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法，特別是涉及ー種基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
微陀螺儀(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，這種針對單ー環(huán)境設(shè)計的控制器具有很大的使用局限性。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)為東南大學儀器科學與工程學院及東南大學微慣性儀表與先進導(dǎo)航技術(shù)重點實驗室。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中，典型的有自適應(yīng)控制和滑模控制方法。這些先進方法一方面補償了制作誤差引起的正交誤差，另ー方面實現(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。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，而亟待加以進一歩改進。為了解決現(xiàn)有的陀螺儀在使用上存在的問題，相關(guān)廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成。有鑒于上述現(xiàn)有的陀螺儀在控制使用上存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事多年豐富的實務(wù)經(jīng)驗及專業(yè)知識，研究出一種基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法，利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的逼近能力，在線實時地估計并補償建模誤差和外界擾動作用，能夠極大提高追蹤性能和系統(tǒng)的魯棒性，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計的權(quán)值更新算法,能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性。滑模補償項能夠使得系統(tǒng)具有漸近穩(wěn)定性，即實現(xiàn)無靜差追蹤以及抗干擾的強魯棒性
發(fā)明內(nèi)容
: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，特別是在存在模型不確定、參數(shù)攝動以及外界噪聲等各種干擾情況下，為提高微陀螺儀系統(tǒng)對參考軌跡的追蹤性能和整個系統(tǒng)的魯棒性，提供一種基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，包括:給定軌跡生成模塊101，用于輸出微陀螺儀兩軸振動的參考軌跡；滑模面定義模塊102，用于接收追蹤誤差，并產(chǎn)生一個滑模面信號輸出；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器103，用于接收參考軌跡和追蹤誤差信號，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出；權(quán)值自適應(yīng)機制模塊104，用于接收滑模面信號，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值更新算法；常規(guī)比例微分控制模塊105，用于接收滑模面信號，并產(chǎn)生比例微分控制輸出；滑模補償器106，用于接收滑模面信號，并產(chǎn)生滑模補償信號輸出；微陀螺儀系統(tǒng)107，被控對象數(shù)學模型，考慮了外界干擾的影響，輸出振動軌跡的位置和速度信號；第一加法器108，用于把參考軌跡與微陀螺儀的位置和速度輸出相減，并產(chǎn)生追蹤誤差輸出；第二加法器109，用于接收神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號，比例微分控制輸出信號和滑膜補償信號，產(chǎn)生微陀螺儀的控制輸入。前述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器103選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它包含三層結(jié)構(gòu):輸入層，隱層和輸出層，輸入層接受系統(tǒng)中的可測量信號輸入，隱層采用高斯基函數(shù)計算非線性映射后的輸出，輸出層通過加權(quán)各隱層節(jié)點的輸出得到整個RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟，I)建立基于滑模面的微陀螺儀動力學模型；2)設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)；3)設(shè)計RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法。前述步驟I )，建立基于滑模面的微陀螺儀動力學模型，具體為:1-1)考慮到制造誤差和外界干擾作用，兩軸微機械陀螺儀的動力學方程的向量形式為:
權(quán)利要求
1.基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于:包括: 給定軌跡生成模塊(101 )，用于輸出微陀螺儀兩軸振動的參考軌跡； 滑模面定義模塊(102)，用于接收追蹤誤差，并產(chǎn)生一個滑模面信號輸出； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(103)，用于接收參考軌跡和追蹤誤差信號，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出； 權(quán)值自適應(yīng)機制模塊(104)，用于接收滑模面信號，并產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值更新算法； 常規(guī)比例微分控制模塊(105)，用于接收滑模面信號，并產(chǎn)生比例微分控制輸出； 滑模補償器(106)，用于接收滑模面信號，并產(chǎn)生滑模補償信號輸出； 微陀螺儀系統(tǒng)(107)，被控對象數(shù)學模型，考慮了外界干擾的影響，輸出振動軌跡的位置和速度信號； 第一加法器(108)，用于把參考軌跡與微陀螺儀的位置和速度輸出相減，并產(chǎn)生追蹤誤差輸出； 第二加法器(109)，用于接收神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出信號，比例微分控制輸出信號和滑模補償信號，產(chǎn)生微陀螺儀的控制輸入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(103)選用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它包含三層結(jié)構(gòu):輸入層，隱層和輸出層，輸入層接受系統(tǒng)中的可測量信號輸入，隱層采用高斯基函數(shù)計算非線性映射后的輸出，輸出層通過加權(quán)各隱層節(jié)點的輸出得到整個RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:包括以下步驟， 1)建立基于滑模面的微陀螺儀動力學模型； 2)設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)； 3)設(shè)計RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述步驟I)，建立基于滑模面的微陀螺儀動力學模型，具體為: 1-1)考慮到制造誤差和外界干擾作用，兩軸微機械陀螺儀的動力學方程的向量形式為:
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述步驟2)，設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)，具體為: 2-1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器(103)接收參考軌跡和追蹤誤差信號，產(chǎn)生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出信號
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法,其特征在于:所述步驟3)中，采用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法，具體為通過權(quán)值自適應(yīng)機制模塊(104)輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于滑模補償?shù)奈⑼勇輧x魯棒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及方法，所述控制系統(tǒng)包括給定軌跡生成模塊，滑模面定義模塊，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、權(quán)值自適應(yīng)機制模塊，滑模補償器，微陀螺儀系統(tǒng)，比例微分控制模塊，第一加法器和第二加法器，基于該控制系統(tǒng)，建立基于滑模面的微陀螺儀動力學模型，設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)，設(shè)計RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法，以實現(xiàn)微陀螺儀軌跡追蹤。本發(fā)明的控制方法能夠在線補償微陀螺儀的未知動態(tài)特性以及噪聲干擾的影響，使得微陀螺儀的振動軌跡完全跟蹤上參考軌跡，同時提高了系統(tǒng)抗干擾的魯棒性和可靠性，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的更新算法基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本發(fā)明為微陀螺儀應(yīng)用范圍的擴展提供了有力基礎(chǔ)。
文檔編號G05B13/02GK103116275SQ20131006512
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者楊玉正, 費峻濤 申請人:河海大學常州校區(qū)