[发明专利]微陀螺仪系统的自适应模糊超扭曲滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种微陀螺仪系统的自适应模糊超扭曲滑模控制方法，包括如下步骤：（1）建立微陀螺仪系统的无量纲动力学方程；（2）设计微陀螺仪系统的自适应模糊超扭曲滑模控制器，所述控制器由等效控制项和基于超扭曲控制算法的切换控制项组成；（3）用模糊系统来逼近超扭曲滑模控制器参数，在线辨识估计增益项，实现控制器参数的自适应调节。本发明提供的控制方法设计简易，应用方便，进一步扩展了微陀螺仪的应用范围，能够实现对被控系统的有效控制，使微陀螺仪系统的轨迹跟踪具有较强的鲁棒性，较快的收敛速度及较高的精确度。

技术领域

本发明涉及一种微陀螺仪系统的自适应模糊超扭曲滑模控制方法，属于微陀螺仪系统的控制技术领域。

背景技术

陀螺是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件。微陀螺因其在成本、体积、结构等方面存在巨大的优势，从而被广泛地应用在航海、航天、航空及油田勘测开发和陆地车辆的导航与定位等民用、军事领域中。因其在设计和制造中存在误差和温度的影响,会导致原件特性和设计之间的差异，从而导致陀螺仪系统灵敏度和精度的降低,微陀螺仪控制的主要问题是补偿制造误差和测量角速度。经过几十年的研究发展，微陀螺仪虽然在结构设计和精度等方面取得了显著的进步，但是由于其设计原理本身的局限性及工艺加工精度自身的限制，使得微陀螺仪的发展难以取得质的飞跃。

并且对于实际的微陀螺系统而言，微陀螺无量纲模型中模型参数是未知的或无法准确获取的，所以在实施控制时，无法精确地实施所设计的控制律，因此选取一种有效的方法对微陀螺未知模型的逼近也极为重要，使控制律的设计不依赖于精确的数学模型。

超扭曲滑模控制由于其能够有效抑制控制输入抖振的优点而被广泛应用，但其控制器的增益值选取较为复杂，在数值仿真中需要不断调节使其达到最优，不仅增加了数值仿真的难度而且降低仿真效率，而且当存在干扰并且干扰变化率较大时，超扭曲滑模控制的增益项也要相应变大，因此就会产生抖振现象，降低算法原始的优越性，因此对超扭曲控制算法的参数设计一种有效的自适应逼近算法能够有效地提高控制算法的优越性。

发明内容

目的：为了改善微陀螺仪系统性能，提高其鲁棒性，解决微陀螺仪现存的缺陷和传统控制方法不足等问题，本发明充分利用模糊控制、自适应控制和超扭曲滑模控制的优点，提供一种微陀螺仪系统的自适应模糊超扭曲滑模控制方法。

技术方案：首先采用自适应控制，设计自适应律逼近微陀螺仪系统未知参数，实现在线实时估计和更新微陀螺仪的未知参数和角速度；其次采用超扭曲滑模控制实现对系统参考轨迹的精确跟踪，有效抑制输入抖振，提高控制系统性能和对外界干扰的鲁棒性；最后为了更加有效地发挥超扭曲控制算法的优越性，采用模糊系统万能逼近原理实时逼近控制器参数的增益值，在线实时调节控制器参数，实现控制系统的最优控制。

具体步骤如下：

(1)建立微陀螺仪系统的无量纲动力学方程，如下：

(2)设计微陀螺仪系统的自适应模糊超扭曲滑模控制器，控制器由等效控制项和超扭曲滑模控制项组成。首先设计等效控制项，在不考虑微陀螺仪系统不确定性和外界干扰的情况下，设计设计微陀螺仪的等效控制项u_eq，定义e＝q-q_r为跟踪误差，q为微陀螺仪系统的输出轨迹，q_r为微陀螺仪系统的期望轨迹，定义滑模面为

所述微陀螺仪系统的输出轨迹选取稳定正弦振荡为参考模型，其中，x＝A₁sin(ω₁t)，y＝A₂sin(ω₂t)。

在不考虑外界干扰的情况下，系统的模型可描述为：

将(2)式代入(3)式，并且令由此可得等效控制器：