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1、(10)申请公布号 CN 102411302 A (43)申请公布日 2012.04.11 CN 102411302 A *CN102411302A* (21)申请号 201110348438.5 (22)申请日 2011.11.07 G05B 13/00(2006.01) G01C 19/56(2012.01) (71)申请人 河海大学常州校区 地址 213022 江苏省常州市新北区晋陵北路 200 号 (72)发明人 费峻涛 隽婉茹 (74)专利代理机构 南京纵横知识产权代理有限 公司 32224 代理人 董建林 (54) 发明名称 基于直接自适应模糊控制的 MEMS 微陀螺仪 控制方法 。
2、(57) 摘要 本发明公开了一种基于直接自适应模糊控制 的 MEMS 微陀螺仪控制方法， 其包括直接自适应 模糊控制器， 其特征在于 ： 所述直接自适应模糊 控制器包含两个部分， 一个是应用模糊逻辑系统 构造的基本模糊控制器， 它用来逼近所 述 MEMS 微陀螺仪的理想控制器； 一个是 D 控 制器， 用来确保所述陀螺仪系统的状态有 界。本发明设计基于直接自适应模糊控制的 MEMS 陀螺仪控制系统， 将直接自适应模糊控制方法在 陀螺仪控制中进行应用。它可以将专家知识经验 结合到模糊控制器中， 采用基于 Lyapunov 的方法 自适应调整模糊系统中的参数， 从而保证模糊控 制系统的稳定性。这种。
3、模糊控制器可以广泛应用 于 MEMS 陀螺仪控制， 以提高系统的稳定性和可靠 性， 其极具产业上的利用价值。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 6 页 附图 14 页 CN 102411311 A1/1 页 2 1. 一种基于直接自适应模糊控制的 MEMS 微陀螺仪控制方法， 其包括直接自适应模糊 控制器， 其特征在于 ： 所述直接自适应模糊控制器包含两个部分 ： 一个是应用模糊逻辑系 统构造的基本模糊控制器 uc(x|)， 它用来逼近所述 MEMS 微陀螺仪的理想控制器 u*； 一个 是 D 控制器 ud(x)， 。
4、用来确保所述陀螺仪系统的状态有界。 2.根据权利要求1所述的基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法， 其特征 在于 ： 所述基本控制器满足 ：其中 (x) 为模糊基函数 ； 式中 的自适应参数满足 ：式中的学习律满足 0。 3.根据权利要求1所述的基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法， 其特征 在于 ： 所述 D 控制器满足 ： ud(x) kdsgn(eTPbc)， 式中 kd 0。 4.根据权利要求1所述的基于直接自适应模糊控制的MEMS微陀螺仪控制方法， 其特征 在于 ： 所述直接自适应模糊控制器采用基于 Lyapunov 的方法自适应调整其模糊逻辑系统 和 D 控。
5、制器中的参数， 以满足系统的控制要求。 权 利 要 求 书 CN 102411302 A CN 102411311 A1/6 页 3 基于直接自适应模糊控制的 MEMS 微陀螺仪控制方法 技术领域 0001 本发明涉及 MEMS 陀螺仪的控制系统， 具体涉及直接自适应模糊控制方法在 MEMS 陀螺仪上的应用。 背景技术 0002 MEMS 陀螺仪是很多应用领域中最常用的测量角速度的传感器， 比如导航、 制导和 控制稳定性。MEMS 陀螺仪是利用科里奥利力 ( 即 ： 地球自转偏向力 ) 将一个轴上的能量转 移到另一个轴上的装置， 传统的操作模式缺少驱动陀螺仪从一个模式到一个已知的摆动运 动， 。
6、而检测到的科里奥利加速度耦合到振动的感知模式， 振动是和驱动模式是垂直的， 振动 感知模式的响应提供关于实用角速度的信息。 由于生产制造过程中的误差存在和环境温度 的影响， 造成原件特性与设计之间的差异， 导致存在耦合的刚度系数和阻尼系数， 降低了微 陀螺仪的灵敏度和精度。 此外， 陀螺仪本身属于多输入多输出系统， 存在参数的不确定性和 外界干扰对系统参数的造成的波动， 补偿制造误差和测量角速度成为微陀螺仪控制的主要 问题。而传统控制方法集中在对驱动轴振荡幅值和频率稳定以及两轴频率匹配的控制上， 存在未考虑参数变动， 环境变化影响恶劣， 不能解决零角速率输出等问题。因此， 先进的控 制技术被要。
7、求应用于 MEMS 微陀螺仪的控制中 0003 模糊控制系统不需要被控对象的数学模型， 它以人对被控对象的控制经验为依据 而设计控制器， 因此适用于结构确定， 参数未知或不确定的系统。 模糊控制的突出优点是能 够比较容易地将人的控制经验融入控制器中， 但若是缺乏这样的控制经验， 很难设计出高 水平的模糊控制器。而且， 由于模糊控制器采用了 IF-THEN 控制规则， 不便于控制参数的学 习和调整， 且难以保证控制系统的稳定性。 0004 自适应模糊控制是指具有自适应学习算法的模糊逻辑系统， 其学习算法是依靠数 据信息来调整模糊逻辑系统的参数， 且可以保证控制系统的稳定性。与传统的自适应控制 系。
8、统相比， 自适应模糊控制的优越性在于它可以利用操作人员提供的语言性模糊信息， 而 传统的自适应控制则不能。这一点对具有高度不确定因素的微陀螺仪系统尤其重要。 0005 目前， 自适应模糊控制在微陀螺仪的控制系统中尚未得到应用。 发明内容 0006 本发明为克服现有的 MEMS 陀螺仪的控制系统存在的缺陷， 而提供一种基于直接 自适应模糊控制的 MEMS 陀螺仪控制方法。 0007 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。 MEMS微陀螺仪微 分方程为 0008 0009 参考模型为 0010 0011 若参数 D， ， kb已知， 控制器可设计为 说 明 书 CN 102411。
9、302 A CN 102411311 A2/6 页 4 0012 0013 可使得其中如果选择合适的参数向量 k (k2， k1)T值， 即可使得多项式 h(s) s2+k1s+k2的根在左半开平面， 则得即控制任务完成。 0014 当 D， ， kb未知时， 控制器 (3) 无法应用， 因此需要应用模糊逻辑系统构造直接自 适应模糊控制器。 设计的模糊控制器由两部分组成 ： 第一部分为基本模糊控制器uc(x|)， 用它来逼近 u*； 第二部分为 D 控制器 ud(x)， 用它来保证陀螺仪系统的状态有界。 0015 即 u uc(x|)+ud(x) (4) 0016 其中基本模糊控制器(x) 为。
10、模糊基函数。 0017 D 控制器 ud(x) kdsgn(eTPbc)， (5) 0018 式中 kd 0。 0019 定义最优参数向量 ： 0020 0021 最小模糊逼近误差 ： 0022 uc(x|*)-u* (7) 0023 设计 Lyapunov 函数为 0024 Lyapunov 函数对时间的导数为 ： 0025 为了保证 取为系统的自适应律， 式中 0 为学习律。 0026 借由上述技术方案， 本发明基于直接自适应模糊控制的 MEMS 陀螺仪的控制系统 至少具有下列优点 ： 0027 1. 采用直接自适应模糊控制器对陀螺仪系统进行控制， 是利用模糊控制器的优点 和自适应控制优点。
11、的结合进行设计的。该控制器可以直接利用模糊控制规则， 自适应调整 模糊控制器的参数， 减少跟踪误差和外界干扰对系统误差的影响， 从而保证 MEMS 微陀螺仪 能正常的工作。 0028 2. 与传统的模糊控制器相比， 直接自适应模糊控制器可以自适应调整模糊控制系 统的参数， 保证了闭环系统的渐进稳定性， 且该模糊控制器具有较高的鲁棒性。 0029 3. 该控制系统采用了监督控制器， 可以保证系统的状态有界。 0030 综上所述， 本发明设计的基于直接自适应模糊控制的 MEMS 陀螺仪控制系统， 将直 接自适应模糊控制方法在陀螺仪控制中进行应用。 它可以将专家知识经验结合到模糊控制 器中， 采用基。
12、于 Lyapunov 的方法自适应调整模糊系统中的参数， 从而保证陀螺仪系统的稳 定性和精确性。这种模糊控制器可以广泛应用于 MEMS 陀螺仪控制， 以提高系统的稳定性和 可靠性， 其极具产业上的利用价值。 附图说明 0031 图 1 为本发明所述的 MEMS 微陀螺仪的原理结构图 ； 说 明 书 CN 102411302 A CN 102411311 A3/6 页 5 0032 图 2 为本发明基于直接自适应模糊控制的 MEMS 微陀螺仪控制方法的总体框图 ； 0033 图 3 和图 4 是基本模糊控制器 uc(x|) 的跟踪曲线 ； 0034 图 5 和图 6 是基本模糊控制器 uc(x|。
13、) 的跟踪误差 ； 0035 图 7 和图 8 是控制器 u uc(x|)+ud(x) 的跟踪曲线 ； 0036 图 9 和图 10 是控制器 u uc(x|)+ud(x) 的跟踪误差 ； 0037 图 11 和图 12 是控制器 u uc(x|)+ud(x) 的控制输入曲线 ； 0038 图 13 和图 14 是控制器 u uc(x|)+ud(x) 的滑模面曲线。 具体实施方式 0039 下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。 0040 1.MEMS 微陀螺仪动力学方程 0041 MEMS 微振动陀螺仪一般包含三个组成部分 ： 被弹性材料所支撑的质量块， 静电驱 动装置和感测装置。静。
14、电驱动电路主要功能是驱动和维持微振动陀螺仪振动时幅值的恒 定 ； 感测电路用来感知质量块的位置和速度。微陀螺仪可以被简化为一个由质量块和弹簧 构成的有阻尼振动系统。图 1 显示了在笛卡尔坐标系下简化的微振动陀螺仪模型。对 MEMS 微陀螺仪而言， 可以认为质量块被限制只能在x-y平面内运动， 而不能沿Z轴运动。 实际上， 由于制造缺陷和加工误差的存在， 会造成x轴和y轴的附加动态耦合， 如耦合的刚度系数和 阻尼系数。考虑到制造误差， 实际微陀螺仪的集总参数数学模型为 ： 0042 (1) 0043 0044 m 是质量块的质量， x， y 是质量块在旋转系中的坐标， dxx， dyy分别是 x。
15、 轴和 y 轴的 阻尼系数， kxx， kyy分别是 x 轴和 y 轴的弹簧系数， dxy， kxy分别是耦合的阻尼系数和耦合的 弹簧系数， 合称为正交误差， x， y是两轴的控制输入，是科里奥利力。 0045 模型的非纲量化在设计分析时很有价值， 在存在大的时间量级区别时， 非纲量化 也能使数值仿真容易实现。因为非纲量时间 t* w0t， 式 (1) 的两边同除以参考质量 m、 参 考长度 q0， 以及两轴的共振频率的平方MEMS 微陀螺仪模型可改写为 ： 0046 0047 此处 0048 定义新的参数如下 ： 0049 0050 0051 忽略符号表示的不同， MEMS 微陀螺仪的非纲量。
16、化模型可写为 0052 说 明 书 CN 102411302 A CN 102411311 A4/6 页 6 0053 0054 2. 直接自适应模糊控制器的设计 0055 MEMS 微陀螺仪微分方程为 0056 0057 参考模型为 0058 0059 若参数 D， ， kb已知， 控制器可设计为 0060 0061 可使得其中如果选择合适的参数向量 k (k2， k1)T值， 即可使得多项式 h(s) s2+k1s+k2的根在左半开平面， 则得即控制任务完成。 0062 当 D， ， kb未知时， 控制器 (3-3) 无法应用， 因此需要应用模糊逻辑系统构造 直接自适应模糊控制器。设计的模。
17、糊控制器由两部分组成 ： 第一部分为基本模糊控制器 uc(x|)， 用它来逼近 u*； 第二部分为 D 控制器 ud(x)， 用它来保证系统的状态有界。 0063 即 0064 u uc(x|)+ud(x) (3-4) 0065 其中基本模糊控制器(x) 为模糊基函数。 0066 D 控制器 0067 ud(x) kdsgn(eTPbc)， kd 0 (3-5) 0068 令 e qm-q， 0069 则可得到 ： 0070 (3-6) 0071 0072 将公式 (3-5) 代入得到 ： 0073 0074 或等价于 0075 0076 式中 ： 0077 由于 为稳定的矩阵， 即 |sI-。
18、| s2+k1s+k2为稳定的， 因此一定存在一个唯一 的 22 的正定对称矩阵 P， 满足 Lyapunov 方程 0078 TP+P -Q (3-9) 0079 式中Q 为任意的 22 正定矩阵。 0080 下面给出参数 的自适应律。 0081 定义最优参数向量 ： 说 明 书 CN 102411302 A CN 102411311 A5/6 页 7 0082 0083 最小模糊逼近误差 ： 0084 uc(x|*)-u* (3-11) 0085 则误差方程式 (3-8) 可改写为 0086 (3-12) 0087 0088 取参数 的自适应律为 ： 0089 0090 式中 0 为学习律。
19、。 0091 3. 稳定性与收敛性分析 0092 取 Lyapunov 函数为 0093 令 M bc(*-)T(x)-bcud(x)-bc， 则式 (3-12) 变为 0094 求 V 对时间的导数， 有 0095 0096 0097 根据式 (3-13) 可得 0098 0099 取 kd supt 0|， 则上式可变为 0100 0101 此处使用不等式 ： min(Q)|s|2 sTQs max(Q)|s|2， 式中 min(Q) 是矩阵 Q 特征值的最小实部。 0102 因为是半负定的， 所以可以推出 V， e 和 是有界的。由拉萨尔不变集定理 (LaSalle s invarian。
20、t set theorem) 知， e(t) 将渐进收敛到零， 即 0103 4. 仿真研究 0104 微陀螺仪模型为非量纲化后的微陀螺仪参数选取如下 ： 0105 xy 70.99.dxx 0.01， dyy 0.01， dxy 0.002， 0.1 0106 在区间 -3， 3 上定义 6 个模糊集合， 分别为 ： 0107 N3(x) 1/(1+exp(5(x+2)N2(x) exp(-(x+1.5)2)N1(x) exp(-(x+0.5)2)P1(x) exp(-(x-0.5)2)， P2(x) exp(-(x-1.5)2)， P3(x) 1/ (1+exp(-5(x-2) 0108 。
21、系统初始状态为 1， 0， 0， 0， 中各元素的初始值均为 0。X 轴扰动量为 说 明 书 CN 102411302 A CN 102411311 A6/6 页 8 Y 轴为自适应参数 300， k1 2， k2 1，kd 30。 0109 为了消除由于 sgn 函数的不连续性造成的系统过慢， 改用一个连续平滑的 tan 函 数代替， 0110 即 u uc(x|)+ud(x) T(x)+kdtanh(eTPbc)， 此时定义滑模面 s eTPbc 0111 仿真的结果如图 3 至图 14 所示。 0112 图 3 图 10 比较了使用 uc(x|) 和 u uc(x|)+ud(x) 两种控。
22、制器不同的跟踪 误差， 可见在使用 D 控制器后 u uc(x|)+ud(x) 可以在较短的时间内更好的跟踪参考模 型， 并有效的减少了系统模糊逼近误差和外界扰动对系统输出误差的影响， 保证了模糊控 制系统的鲁棒性。 0113 由以上具体实施例的结果显示， 在丰富的输入信号情况下， 本发明设计的 MEMS 微 陀螺仪直接自适应模糊控制系统， 能够使跟踪误差向量很快地收敛到零， 同时在外界扰动 情况下， 系统仍然可以很好的跟踪模型， 具有良好的鲁棒性。 0114 以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式， 其描述较为具体和详细， 但并不能 因此而理解为对本发明专利范围的限制。 应当指出的是， 对于。
23、本领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保护范 围。因此， 本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 说 明 书 CN 102411302 A CN 102411311 A1/14 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A2/14 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A3/14 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A4/14 页 12 图 4 说 明 书 附 图。
24、 CN 102411302 A CN 102411311 A5/14 页 13 图 5 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A6/14 页 14 图 6 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A7/14 页 15 图 7 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A8/14 页 16 图 8 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A9/14 页 17 图 9 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A10/14 页 18 图 10 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A11/14 页 19 图 11 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A12/14 页 20 图 12 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A13/14 页 21 图 13 说 明 书 附 图 CN 102411302 A CN 102411311 A14/14 页 22 图 14 说 明 书 附 图 CN 102411302 A 。