[發明專利]微陀螺儀增益可調的自適應超扭曲滑模控制方法

有效

• 申請號: 201711085826.2
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN107807527B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 馮治琳;費峻濤;王歡
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林;張賞

本發明公開了一種微陀螺儀增益可調的自適應超扭曲滑模控制方法，采用等效滑模控制與超扭曲控制相結合的方法設計自適應超扭曲滑模控制器，并設計超扭曲滑模控制器參數和微陀螺儀系統不確定參數的自適應律，最后采用Lyapunov函數對微陀螺儀系統進行穩定性分析，確保系統漸近穩定性。本發明不受傳統二階滑模控制中干擾項的一階導數邊界已知的條件限制，保證滑模面在有干擾情況下的收斂，并結合高階超扭曲滑模控制能夠有效抑制抖振等優點，控制改善系統性能，提高微陀螺系統對不確定性和外界干擾的魯棒性，保證系統的穩定性。

技術領域

本發明涉及一種微陀螺儀增益可調的自適應超扭曲滑模控制方法，屬于微陀螺儀的控制技術領域。

背景技術

陀螺是慣性導航和慣性制導系統的基本測量元件。微陀螺因其在成本、體積、結構等方面存在巨大的優勢，從而被廣泛地應用在航海、航天、航空及油田勘測開發和陸地車輛的導航與定位等民用、軍事領域中。因其在設計和制造中存在誤差和溫度的影響,會導致原件特性和設計之間的差異，從而導致陀螺儀系統靈敏度和精度的降低,微陀螺控制的主要問題是補償制造誤差和測量角速度。經過幾十年的研究發展，微陀螺雖然在結構設計和精度等方面取得了顯著的進步，但是由于其設計原理本身的局限性及工藝加工精度自身的限制，使得微陀螺的發展難以取得質的飛躍。為了改善微陀螺系統性能，提高其魯棒性，國內外很多學者將先進控制方法應用于微陀螺的控制研究中，提出了不同的控制方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種微陀螺儀增益可調的自適應超扭曲滑模控制方法，將自適應控制與超扭曲滑模控制相結合，在線辨識微陀螺系統的未知參數和角速度，簡化了外界干擾存在時增益選取的復雜性，提高系統對外界干擾和不確定性的魯棒性。

為解決上述技術問題，本發明提供一種微陀螺儀增益可調的自適應超扭曲滑模控制方法，包括以下步驟：

1)將微陀螺儀系統簡化為一個由質量塊和彈簧構成的有阻尼振蕩系統，建立微陀螺儀系統的無量綱數學模型；

2)設計參考模型；

3)設計滑模面；

4)采用等效滑模控制與超扭曲控制相結合的方法設計自適應超扭曲滑模控制器，設計控制律如下：

u＝u_eq+u_sw (9)

其中，u為控制律，u_eq為等效控制律，u_sw為切換控制律；

5)設計超扭曲滑模控制器參數和微陀螺儀系統不確定參數的自適應律，并采用Lyapunov函數對微陀螺儀系統進行穩定性分析，確保系統漸近穩定性。

前述的建立微陀螺儀系統的無量綱數學模型包括以下步驟：

1-1)根據旋轉系中的牛頓定律，綜合考慮各種制造誤差對微螺陀儀的影響，得到微陀螺儀的數學模型為：

其中，m是質量塊的質量，x,y為質量塊在驅動軸和感測軸兩軸的位置向量，d_xx,d_yy表示x,y兩軸的阻尼系數，k_xx,k_yy分別是x,y兩軸的彈簧系數，u_x,u_y是表示x,y兩軸的控制輸入，k_xy，d_xy是制造誤差引起的耦合彈簧系數和阻尼系數，Ω_z表示微陀螺儀工作環境中的角速度，是科里奧利力；

1-2)將微陀螺儀的數學模型式(1)的兩側同時除以微陀螺儀質量塊的質量m，參考長度q₀，兩軸的共振頻率的平方ω₀²，得到無量綱化的數學模型如下：