專利名稱：基于模型整體逼近的微陀螺儀rbf網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微陀螺儀的控制方法，特別是涉及基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法。
背景技術(shù)：
微機(jī)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(jī)械部件來檢測角速度，因此微機(jī)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(diǎn)。近年來，微機(jī)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(jī)械加速度傳感器用于慣性導(dǎo)航、在數(shù)碼相機(jī)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(shí)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(yuǎn)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。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(jī)械補(bǔ)償技術(shù)和驅(qū)動電路研究，很少出現(xiàn)用先進(jìn)控制方法補(bǔ)償制造誤差和控制質(zhì)量塊的振動軌跡，以達(dá)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(jī)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(jìn)導(dǎo)航技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。國際上的文章有將各種先進(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(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，但長久以來一直未見適用的設(shè)計被發(fā)展完成。

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)攝動以及外界擾動力等各種干擾情況下，對理想軌跡的追蹤性能和整個系統(tǒng)的魯棒性，而提供一種基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)及方法。所要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種自適應(yīng)RBF網(wǎng)絡(luò)控制方案，在線補(bǔ)償微陀螺儀系統(tǒng)未知的結(jié)構(gòu)和參數(shù)函數(shù)，同時加入比例微分控制，保證整個微陀螺儀系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，以及微陀螺儀兩軸軌跡能高精度跟蹤上給定的理想軌跡，提高微陀螺儀系統(tǒng)的魯棒性。本發(fā)明中的RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的自適應(yīng)算法基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計,再加上保證權(quán)值有界的魯棒項(xiàng)，保證了整個控制系統(tǒng)在承認(rèn)存在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模誤差的條件下仍能穩(wěn)定并且控制輸入有界，從而更加適于實(shí)用，且具有產(chǎn)業(yè)上的利用價值。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于包括以下步驟( I )、建立微陀螺儀的濾波誤差模型微陀螺儀控制系統(tǒng)的目標(biāo)是使微陀螺儀的振動軌跡q = [x, y]T跟蹤上給定的理想軌跡qd= [Xd, yd]T，追蹤誤差由此定義為e(t) = qd(t)_q(t),濾波后的追蹤誤差為r(/) = ^(/)+ A^(Z),基于r改寫微陀螺儀的動力學(xué)模型為
權(quán)利要求
1.基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于包括以下步驟 (1)、建立微陀螺儀的濾波誤差模型； (2)、設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)； (3)、基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的自適應(yīng)算法。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于建立微陀螺儀的濾波誤差模型；微陀螺儀控制系統(tǒng)的目標(biāo)是使微陀螺儀的振動軌跡q = [X，y]T跟蹤上給定的理想軌跡qd = [xd, yd]T,追蹤誤差由此定義為e (t)=qd(t)_q(t)，濾波后的追蹤誤差為Κ0 = (0 + Λ< )，基于r改寫微陀螺儀的動力學(xué)模型為Mr 二 -Dr-τ + f (x) -Td 式中，M，D，f(x)均為微陀螺儀系統(tǒng)的未知項(xiàng)，X為系統(tǒng)中可測量到的信號；τ表示控制輸入；Td為外界干擾作用，發(fā)明的控制方法即基于此微陀螺儀的濾波誤差模型設(shè)計，保證誤差r最終有界，并收斂于一較小范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的RBF網(wǎng)絡(luò)的輸入為系統(tǒng)中可測量的信號·》= [￡Τ， Τ5< Ifd (fd J ,其中e， 分別為追蹤誤差及其導(dǎo)數(shù)，qd,分別為參考軌跡及其各階導(dǎo)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于設(shè)計控制器結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的控制方法設(shè)計的控制輸入為τ = f{x) + Krr式中，/(X)為未知的微陀螺儀函數(shù)f(x)的估計值，即為RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射和逼近能力在線實(shí)時估計其真值Kr = Kv(e + Ae)即為比例微分控制項(xiàng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于所述的RBF網(wǎng)絡(luò)為三層結(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X ;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(diǎn)的輸出得到整個RBF網(wǎng)絡(luò)的輸出，RBF網(wǎng)絡(luò)的中心向量和基寬根據(jù)先驗(yàn)知識確定，設(shè)計為固定值，系統(tǒng)運(yùn)行過程中不變化，而權(quán)值在線實(shí)時更新，基于此，RBF網(wǎng)絡(luò)模型描述為 y = Wt φ (X) 式中，W為RBF網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)權(quán)值，Φ (X)為RBF網(wǎng)絡(luò)隱層節(jié)點(diǎn)輸出向量，由于中心向量和基寬固定，φ (X)即為已知信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于基于RBF網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，可以作此般假設(shè)存在一組最優(yōu)權(quán)值W%使得當(dāng)RBF網(wǎng)絡(luò)的輸入X屬于一緊集S時，RBF網(wǎng)絡(luò)能夠逼近非線性函數(shù)f(x)，最優(yōu)權(quán)值下的網(wǎng)絡(luò)逼近誤差ε有界f(x) =ff*> (χ)+ε (χ) 式中，I I ε (x) I I彡EnjVxg1S1 ，最優(yōu)權(quán)值有界| |f| F ^ ffB, | | □ | |F表示矩陣的F范數(shù)，故利用RBF網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)時逼近f (χ)，實(shí)際就是設(shè)計可調(diào)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值W的自適應(yīng)算法，使得W能夠逼近最優(yōu)權(quán)值W%假設(shè)的估計值為# , RBF網(wǎng)絡(luò)輸出為
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計RBF網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的自適應(yīng)算法， 形式如下H = Ι'φ(χ)Γ[ -γΙ'\ν\Ψ 式中，F(xiàn)為增益矩陣為濾波后的誤差,F = Ft > O為權(quán)值調(diào)整的增益矩陣，Y > O的任意值，類似遺忘因子， 上式中的權(quán)值更新算法能夠保證追蹤誤差Ht)和權(quán)值估計值r⑷最終有界，權(quán)值更新算法基于利亞普諾夫穩(wěn)定性理論設(shè)計，保證控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性， 同時，通過增大狀態(tài)反饋系數(shù)矩陣&，可以使得追蹤誤差r(t)維持到任意小范圍，式中的權(quán)值更新算法中的第一項(xiàng)是基于Iyapunov穩(wěn)定性理論推導(dǎo)出的誤差反傳算法,而第二項(xiàng)是加入的魯棒項(xiàng)，用來保證權(quán)值的有界性，從而保證控制輸入的有界性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，其特征在于控制輸入τ還包含了一個比例微分項(xiàng)Kvr，其中Kv為設(shè)計者自行設(shè)計的反饋增益，提高Kv大小，能夠降低追蹤誤差至任意小范圍。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于模型整體逼近的微陀螺儀RBF網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法，所述控制方法基于濾波后的追蹤誤差設(shè)計，控制器中包含比例微分項(xiàng)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近微陀螺儀系統(tǒng)的未知函數(shù)，其權(quán)值的更新算法基于Lyapunov穩(wěn)定性理論設(shè)計，保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定性。更新算法中加入的魯棒項(xiàng)，保證控制輸入的有界性，比例微分控制項(xiàng)使最終追蹤誤差維持任意小范圍。本發(fā)明的控制方法能夠在不需要知道微陀螺儀的結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)參數(shù)以及存在外界干擾的情況下，對微陀螺儀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的追蹤控制，同時提高系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。
文檔編號G05B13/04GK102914972SQ20121043469
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者楊玉正, 費(fèi)峻濤 申請人:河海大學(xué)常州校區(qū)